张力腿式浮式风机动力响应的模拟与分析

发布时间：2020-08-07 02:30

【摘要】：随着能源短缺愈演愈烈,可再生能源开发备受关注。风能经过长久历史实践,技术愈发成熟,出现“陆地到海上,近海到深水,固定到浮式”的趋势。海上风能更优质稳定,不受地域限制,逐渐成为能源开发及风电技术研究的热点。浮式风机深水时颇具经济性,广泛认可的半潜、张力腿和SPAR式浮式基础中张力腿平台保证风机纵荡、纵摇位移很小,有利于风电稳定开发。浮式风机承受气动、水动、锚泊等多种载荷,张力腿对运动约束很强,准确合理计算张力腿张力等载荷才能有效研究浮式风机动力响应。本文主要内容如下:1.针对张力腿结构动力响应特点,本文提出一套张力腿式浮式风机动力耦合理论模型,编制计算程序,计算分析张力腿式浮式风机的耦合动力响应。张力腿式系泊系统稳定性好,但张力载荷随平台位移的变化显著;张力腿结构的动态响应与支撑平台和风机系统动态响应存在显著的耦合作用。针对张力腿浮式风机动力耦合特性,采用谱方法对张力腿结构建立耦合动力模型;利用哈密顿原理,考虑细长体在波浪中受到的粘性力,推导建立张力腿运动控制方程,编程计算张力腿动态张力。2.本文以UMAINE-TLP为研究对象,利用自主开发的计算程序DARwind求解风浪联合工况下张力腿浮式风机系统动态响应,并将数值计算结果同UMAINE的试验数据及开源软件FAST仿真响应进行对比分析,以验证程序的合理性。并对UMAINE-TLP进行了动力响应计算,分析讨论了运动与张力耦合情况以及风载荷对浮式风机运动的影响。本文主要针对张力腿式浮式风机开发了一套动力响应仿真程序,对未来风机设计及响应预报有较好的参考意义。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315
【图文】：

浮式,单柱,风机

选用的浮式风机类型因地制宜，主风力发电机和连接塔架主要由风场强下发电功率最大化。平台技术发展相对成熟不少，风机中台的概念[5]。目前浮式风机设计中应用力腿式（TLP）、单柱式（SPAR）基础吃水很大，设有压载舱使得平台的足够大的回复力矩使之回到平衡位置期都大于海洋波浪的特征周期，因而09 年，挪威 Statoil 独立研发并成功安投产且稳定发电的第一台海上风机，

半潜式,浮式,风机,张力腿

图 1-2 半潜式浮式风机 Tri-floater 和 WindFloature 1-2 Semi-Submersible Floating Wind Turbines with Tri-floater(left) and indFloat(力腿式（TLP）平台锚泊系统比较特殊，张力腿中的预张力与浮体重力生的浮力平衡。张力腿式支撑结构通过张力腿中的张力约束运动实现，在垂荡、纵摇和横摇三个垂直方向上受到锚泊系统约束运动幅值很纵荡和横荡方向上运动响应呈现柔性，其稳定性较好。应用在海上风式支撑结构比传统的张力腿平台更小。Blue H 公司于 2009 年在意安装了一个采用张力腿平台作为支撑结构的商用浮式风机，如图 1-3

张力腿,风机,浮式

图 1-3 Blue H 张力腿式风机Figure 1-3 TLP Floating Wind Turbine of Blue H Concept来说，张力腿式浮式基础在平台稳定性上有很大优势，横摇、纵以及垂荡运动幅值都特别小，非常稳定，适合作为风机支撑基础攻角以及气动性能的稳定。而单柱式支撑结构与半潜式支撑结构大而波浪激励力较小，垂荡运动较小，纵摇运动会产生更明显幅定开发的角度来看，张力腿式浮式风机更适合海上风电开发，已风机研究的基础和重点，适合于在深水区域作为大型风机的基础用到南海建设规模化风力发电场。）锚泊结构杂海况下，浮式基础主要依靠锚泊系统限制浮式风机的大尺度慢便于安全生产作业。由于锚泊结构的存在，风机系统的六自由度力响应也常伴随着耦合效应。常见的锚泊结构主要分为准静态悬

【参考文献】