新型多立柱张力腿型浮式风力机概念设计与耦合动力特性研究

发布时间：2020-08-22 11:43

【摘要】：风能是一种清洁的可再生能源,人类开发利用风能已有数千年的历史。随着现代风力发电技术的不断发展,风能已经成为世界上增长最迅速、最具大规模开发潜力和商业化前景的可再生能源。目前,风电开发已从陆上发展到海上,正致力于向远海深水区域发展。远海浮式风力机(Floating Offshore Wind Turbine)是目前开发远海深水风能最具潜力的新装备,已成为国内外海上风电研究的热点领域。远海浮式风力机按其获得静态稳性的方式进行划分,可分为三种主要类型:立柱型(Spar-type)、半潜型(Semi-submiserable-type)和张力腿型(TLP-type)。其中,张力腿型浮式风力机具有优良的综合性能,对风力机组性能影响较小,具有较大的开发潜力和广阔的规模化开发利用前景。然而,与传统安装在陆上和海上浅水区域的固定式风力机相比,远海浮式风力机除了具有非定常空气动力学和气动弹性等问题外,还具有非线性水动力学和大幅运动等问题,是一个十分复杂的空气动力-水动力-控制-结构弹性与系泊系统相耦合的多体系统。近年来,国外研究机构对此进行了广泛且深入的研究,并提出了多种不同型式的张力腿型浮式风力机概念。国内目前对于张力腿型浮式风力机的研究尚处在前期阶段,研究内容多集中于国外已有概念及其动力特性上。从尽快掌握远海浮式风电开发关键技术角度讲,急需开展新型张力腿型浮式风力机概念设计及其耦合动力性能等方面的理论计算与水池模型试验研究,从而为将来实际应用这一新型装备提供丰富的技术储备。基于此,论文采用了理论分析、数值模拟和模型试验相结合的方法,主要围绕四个问题进行展开:一是新型多立柱张力腿型浮式风力机概念设计研究,二是张力腿型浮式风力机耦合动力性能水池模型试验方法研究,三是张力腿型浮式风力机全耦合模型建立与耦合动力响应研究,四是浮式风力机关键部件的极限载荷和疲劳载荷计算方法研究。主要的研究工作与结论如下:提出了一种新型的多立柱张力腿型浮式风力机概念-SAFOWind,为开发远海深水风能提供了一种新装备。SAFOWind概念在设计中充分吸收了第二代张力腿平台的诸多优点,具有小水线面、深吃水、多立柱以及外延式系泊等特点。根据设计基本依据开展了概念设计研究,提炼了概念设计流程,推导了张力腿式系泊系统刚度矩阵,得到了相关设计参数对拟静力性能与固有频率的影响规律。优化选取了预张力系数,确定了总体方案、主要尺度以及最佳的浮体排水量,掌握了张力腿型浮式风力机的概念设计方法。模型试验结果表明:SAFOWind概念在波浪中具有优良的运动性能,满足了设计要求。采用了新型的拖航稳性模块,使其可以在船坞内整体组装,以湿拖方式整体运输至工作地点进行安装和辅助定位,从而能够大幅节省海上作业时间,降低运输与安装成本。此外,对基于5MW-SAFOWind方案建设远海浮式风电场的进行了初步的造价分析,测算了每千瓦容量投资成本和每千瓦时电量投资成本等主要经济性指标。开展了完整的张力腿型浮式风力机耦合动力性能水池模型试验研究。试验中确立了需要满足的相似准则,深入分析了雷诺数效应对模型叶片空气动力性能的影响。通过优化设计满足推力系数相似的模型叶片,有效地解决了浮式风力机水池模型试验中空气动力载荷的尺度效应问题。设计了满足刚度相似的塔筒模型,准确模拟了塔筒结构的柔性,提高了试验精度。通过将叶片三维翼型气动力系数与BEM理论相结合构造了BEM-3D方法,模型试验结果表明:该方法相对传统BEM-2D方法大幅提高了计算精度。在风浪流水池中开展了完整的模型试验研究(包括静水衰减试验、白噪声试验、风载荷单独作用试验、不规则波单独作用试验、流载荷单独试验以及风、浪、流联合作用试验等),测定了SAFOWind概念的运动固有周期、阻尼以及运动RAO等,得到了工作工况和极限工况下的运动响应、机舱加速度以及张力腿张力等关键性能参数,验证了SAFOWind概念的技术可行性。基于理论分析建立了一个包含风轮、控制系统、塔筒、支撑平台和张力腿式系泊系统的全耦合动力学模型。通过将水池模型试验结果和数值计算结果相比较,验证并完善了数值计算模型。利用数值分析与水池模型试验相结合的方法,研究了SAFOWind概念的耦合动力性能,并开展了耦合动力响应参数影响分析,揭示了塔筒柔性、二阶波浪载荷、浪向角度以及风浪载荷对耦合动力响应的影响规律。研究结果表明:(1)塔筒柔性对于张力腿型浮式风力机的纵摇运动响应具有较大的影响,能够显著地改变其纵摇运动固有频率;(2)二阶和频波浪载荷对SAFOWind概念的纵摇运动高频响应影响十分显著,从而对机舱纵荡方向加速度、塔筒载荷和张力腿载荷的波动具有比较重要的影响;(3)考虑一阶和二阶波浪载荷后的张力腿张力的数值计算结果与试验结果吻合较好,能够有效地模拟张力腿张力的高频弹振响应;(4)在风、浪、流载荷联合作用工况下,纵荡和纵摇运动的波动小于波浪载荷单独作用工况,即风载荷和流载荷的存在对运动起到了一定程度的稳定作用,增加了纵荡和纵摇运动的阻尼;(5)SAFOWind概念的平均输出功率特性与固定式风力机相近,在环境载荷与工作载荷作用下具有较小的运动响应,显示了良好的运动性能。研究了浮式风力机极限载荷统计外推方法与时域疲劳载荷计算方法,改进了局部最大载荷的提取方法。梳理了极限载荷和疲劳载荷时域计算流程,预报了多工况下关键部件的极限载荷和疲劳载荷。通过将分块最大值法和过阈最大值法相结合,构造了一种新的局部最大载荷提取方法,该方法可以在提取出足够多数量的局部最大载荷的同时又能保证其相互独立,提高了极限载荷统计外推法的计算效率。进一步开展了疲劳载荷计算参数影响分析,揭示了仿真时间长度、风湍流强度、二阶波浪载荷以及风浪载荷对结构疲劳损伤的影响规律。研究结果表明:(1)风湍流强度每增加一个等级,相应的塔筒根部俯仰力矩等效疲劳载荷会增大10%左右;(2)二阶波浪载荷对于SAFOWind概念结构疲劳损伤影响十分显著,考虑二阶波浪载荷后,波浪载荷单独作用和风浪载荷联合作用工况相对于只考虑一阶波浪载荷作用的工况其结构疲劳损伤值分别增加了85%和25%;(3)风浪载荷联合作用所造成的结构疲劳损伤值要远大于风载荷与波浪载荷单独作用以及二者叠加后的结果。最后与NREL-5MW固定式风力机进行了载荷计算比较分析,研究了SAFOWind概念浮动特性对关键部件极限载荷和疲劳载荷的影响。综上所述,在国家重点基础研究发展计划(973计划)的支持下,提出了具有自主知识产权的新型多立柱张力腿型浮式风力机概念,掌握了相关的耦合动力性能预报技术和水池试验方法以及关键部件的极限载荷和疲劳载荷计算方法,得到了一些具有理论意义和实用价值的结论,为我国系统掌握张力腿型浮式风力机设计关键技术提供了理论依据和技术支持。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315;P752
【图文】：

日益严重的环境污染和气候变化，不断威胁着人类的健康和安全。为了实的可持续发展，迫切需要提高可再生能源占总能源的比重，促使当前的能石能源向可再生能源进行转变。可再生能源包括太阳能、风能、海洋能、水能、生物质能和地热能等，其利用的风能资源约为 200 亿 kW，是可利用水能资源的 20 倍[1]。我国是资源最为丰富的国家，其可开发利用的风能储量达到了 10 亿 kW。同时界上最早开发利用风能的国家之一，历史上就有利用风车提水灌溉、碾磨助航的悠久传统。随着近代电力技术的出现，利用风能发电的风力发电机机）设备在近几十年间得到了快速的发展和应用。风能已经成为目前世界速、最具大规模开发潜力和商业化前景的可再生能源。风力机是将风能转成机械能，再将机械能转换成电能的机电设备。目前风发展日趋成熟，风力机正不断向大型化发展。风轮直径已经从 1980 年代的（60kW 风机）迅速增长到目前的 140 米量级（6MW 风机），预计到 202直径将突破 250 米（20MW 风机）（见图 1-1）。

图 1-2 不同水深条件下的海上风力机基础型式选择[3]Fig. 1-2 Offshore wind turbine substructure designs for varying water depths近海风电场由于受到港口、航线和海洋牧场等近海功能区划的限制，开发空间有限，海上风电场开发已呈现出由近海向远海发展的趋势。根据欧洲风能协会（EWEA统计，截至 2016 年，海上风电场平均水深和离岸距离达到了 29.2m 和 43.5 公里。远海深水区域相比近海具有更加丰富的风能资源储量而且风速更加稳定、视觉及噪声污染小，近年来远海深水风能开发已成为风电发展的重要方向。如图 1-3 所示，随着远海水深的进一步增加，传统近海风力机所采用的固定式基础的成本会急剧增加，浮式基础是开发深水风能经济性最好的选择[4]。

图 1-2 不同水深条件下的海上风力机基础型式选择[3]-2 Offshore wind turbine substructure designs for varying wate由于受到港口、航线和海洋牧场等近海功能区划的限开发已呈现出由近海向远海发展的趋势。根据欧洲风6 年，海上风电场平均水深和离岸距离达到了 29.2m近海具有更加丰富的风能资源储量而且风速更加稳远海深水风能开发已成为风电发展的重要方向。如图步增加，传统近海风力机所采用的固定式基础的成本水风能经济性最好的选择[4]。

【参考文献】

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本文编号：2800642