浮式风机基础-塔柱-叶片的可靠性分析与整机风险评价

发布时间：2020-07-01 09:57

【摘要】：风能是最廉价、最清洁的能源之一,尤其近两年,海上浮式风机的研究得到了迅猛发展。由于海上较强的风力和频繁的波浪作用使得海上风机可能遇到更为严重的问题,恶劣的环境条件导致海上浮式风力机的生存性能有所下降,从而可能引发更多的故障问题。本文以NREL OC4半潜型浮式风机为对象展开风险与可靠性评价研究。对海上浮式风机基础-塔柱系统、固定式风机叶片转子系统、浮式风机普通叶片转子系统和压电板壳叶片系统的结构风险展开了可靠性分析,具体如下:采用FAST软件计算风机运动响应与气动载荷,将时域结果输入ANSYS软件进行瞬态计算,将计算结果与已有数据库和相关文献相结合,利用随机载荷模型、雨流计数法和Dirlik公式计算结构失效概率。利用MATLAB语言编写时域动态FTA分析程序,对海上风机基础-塔柱系统和叶片系统的全周期失效概率和底事件重要度做出全面估算。将海上浮式风机分为四个子系统进行风险研究,即基础-塔柱系统、叶片系统、传动系统和控制系统。根据各个系统的工作环境条件和故障特性进行风险评价,给出整机风险危害性矩阵,初步确定风险排序;考虑浮式风机服役的深远海特点,在原有RPN分析的基础上考虑经济因素影响,计算RPN排序,采用失效模式和影响危害性分析(FMECA)方法,给出半潜型海上浮式风机整机风险分析表。研究表明,海上浮式风机基础-塔柱系统失效概率整体较低,且定期维修对于延长风机寿命的效果明显,随着服役时间的增长,结构风险概率重要度不断增大。对于叶片转子系统,浮式风机的整体失效概率全面高于固定式风机;浮式风机最危险工况为切出风速工况,而固定式风机的最危险工况为极限风速工况;在采用压电材料的情况下,叶根应力、疲劳失效概率和应力过载失效概率明显下降,而随着压电材料弹性模量的升高,系统的安全性指标与应力水平下降幅度逐渐减小。从风险评价的结果来看,机械磨损问题、材料问题和电力控制问题是整个浮式风机系统的主要风险源,而叶片系统故障的后果最为严重。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK83
【图文】：

垂直轴风力机,水平轴,示例

对比近海与远海的发展前景和能源利用情况，我国应积极开发适应深海特点的浮式风电机组[5]，并积极进行实证，以推动我国风电事业发展。同立足当前海洋工程装备，尽快与国际先进水平相融合，并在该过程中，自己的知识产权，提升我国在风电领域的地位。海上浮式风机介绍风力机根据风轮传动轴的转动方向，可以分为两种类型：水平轴风力发直轴风力发电机，其具体形式可见图 1-4。其中，垂直轴风力发电机的在于其工作状态可以摆脱风向产生的影响，不需要偏航系统作为辅助。主要机电部分通常位于基础部分，更便于海上作业的维修。但是，大型力机通常存在稳定性与动力问题，需要更多特殊的分析内容，而且垂直电机由于受到叶片附加阻力等因素影响，其转速和发电量往往不及水平，因此，水平轴风力发电机是较常用的大型浮式风力发电机。

可靠性指标,相互关系

图 2-1 可靠性指标的相互关系通过上图各可靠性指标之间的相互关系可以发现，R(t)、F(t)、f(t)、λ(t)四个函数中知道任何一个，就可以根据箭头方向确定其他的可靠性指标。2.1.3 产品的寿命分布不同的产品根据其工作特点具有不同的寿命分布特点[26]。有些产品的寿命特点具有集中在中间、两头小的分布特点；而也有些具有前面较密，后面稀疏的分布特点。在可靠性实践中，人们结合结构特点和工程实际，发现指数分布、正态分布、对数正态分布及威布尔分布可用来表述产品的失效分布规律。指数分布：指数分布是可靠性实践中最常见的分布之一，其概率密度函数可以表示为： ( ) = （2-18）式中，λ 表示失效概率。对于服从指数分布的产品，在其早期失效阶段，失

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