海上风力机非定常载荷及非线性动态响应研究

发布时间：2020-08-25 19:29

【摘要】：海上风力机受到各种非定常因素和耦合效应的作用,整机动态响应准确预测难度很大。将气动、结构和水动等学科结合起来,充分考虑各个因素的影响,对于提高海上风力机设计水平和计算准确性,具有重要意义。本文根据风力机设计过程,考虑非定常工况,对风轮气动结构耦合、风轮塔架耦合、以及整机动态响应等方面进行研究。针对非定常工况,采用自由涡尾迹方法,计算了大型风力机在剪切风和动态偏航等工况下的载荷与尾迹发展。针对叶片动态响应,结构计算采用有限元方法,将叶片简化为梁模型,采用Galerkin方法和Hamilton原理对其进行几何非线性分析。计算非线性全量刚度矩阵和切线刚度矩阵,构建非线性动力学方程。采用Newmark直接积分法进行时间步进,采用修正的Newton-Raphson方法在每个时间步内进行迭代求解。对气动和结构进行耦合计算,对比线性与几何非线性动态响应,分析了非线性计算的准确性与必要性。针对海上风力机。采用线性波和频谱函数模拟波浪运动,应用Morison方程计算波浪载荷。对于近海桩基式风力机,采用有限元方法计算塔架响应,并分析其对气动性能的影响。对于深海漂浮平台,将其简化为六自由度刚体,并计算各自由度运动对气动性能的影响。最后,对张力腿漂浮式风力机进行整机动态响应计算,包括叶片几何非线性动态响应计算和风轮漂浮平台耦合计算,并针对多种工况进行仿真模拟,为海上风力机整机设计提供了依据。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK83
【图文】：

图 1. 1 全球风电累计装机总量：MW图 1. 2 全球风电新增装机总量：MW来看，2014 年亚洲的新增风电装机为全球最大，约为 20.5GW，其次是美紧随其后，约为 10GW，拉丁美洲约为 3GW，而中东和非洲的总和约印度年新增装机容量达到 2315MW，位列亚洲第二；德国 5279MW 新前的装机纪录，稳居欧洲首位；英国以 1736MW 装机容量位居欧洲第二050MW；法国位列欧洲第四，装机容量达到 1042MW。非洲最大的风场（300MW）并网并投入运营，南非风电起步稳健，2014 年实现了 ，使得非洲总装机容量达到 934MW。巴西以 2472MW 新增装机容量继为智利 506MW，乌拉圭 405MW。美国风电在 2013 年的低谷后开始回

图 1. 2 全球风电新增装机总量：MW来看，2014 年亚洲的新增风电装机为全球最大，约为 20.5GW，其次是美紧随其后，约为 10GW，拉丁美洲约为 3GW，而中东和非洲的总和约印度年新增装机容量达到 2315MW，位列亚洲第二；德国 5279MW 新前的装机纪录，稳居欧洲首位；英国以 1736MW 装机容量位居欧洲第二050MW；法国位列欧洲第四，装机容量达到 1042MW。非洲最大的风场（300MW）并网并投入运营，南非风电起步稳健，2014 年实现了 ，使得非洲总装机容量达到 934MW。巴西以 2472MW 新增装机容量继为智利 506MW，乌拉圭 405MW。美国风电在 2013 年的低谷后开始回854MW，加拿大 1871MW 的装机容量创历史纪录，墨西哥 522MW 的装大利亚由于过去一年政府政策的变化对可再生能源影响巨大，然而，表现不凡。能理事会预测到 2018 年全球新增装机总量将达到 60GW，2030 年装机电力能源结构的 17-19%，创造就业岗位 200 多万人，减排二氧化碳超能将占约 25-30%的发电比重。全球风电市场也将出现更大平均容量、

图 1. 3 2004 年-2014 年中国新增和累计风电装机容量电市场走出低谷很大程度上取决于中国的表现，一方面，在世界多国削观环境下，直至 2014 年下半年，中国始终保持了 2009 年制定的风电上煤炭价格持续下跌，电企盈利上升，加快了风电整机商的回款速度和额。中国风能协会和国家能源局先后发布最新统计数据，2014 年，中国风5 万千瓦，同比上升 45.1%，累计装机容量达到近 1.15 亿千瓦，其中并全部发电装机容量 7%。全国（除台湾地区外）新增安装风电机组 131组 76241 台。，我国各大区域的风电新增装机容量与 2013 年相比，除东北地区有所增装机容量均呈上升态势。东北三省区域除黑龙江省新增装机容量略显别同比下降 28.76% 和 44.8%。西南和西北区域新增装机容量分别同比华北区域同比增长 45.44%，华东区域同比增长 41.26%。2014 年，我机容量中，排名前五的省份有甘肃、新疆、内蒙古、宁夏和山西，占全6%。其中甘肃同比增长 488.3%，宁夏同比增长 91.44%，新疆同比增长长 29.46%，山西同比增长 17.97%。2014 年，我国各省区市风电累计

【参考文献】

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1 曹九发;王同光;龙慧;柯世堂;许波峰;;Dynamic Loads and Wake Prediction for Large Wind Turbines Based on Free Wake Method[J];Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics;2015年02期

2 蔡新;潘盼;朱杰;顾荣蓉;张建新;;基于CFD技术的垂直轴风力机动态尾流特性研究[J];计算力学学报;2014年05期

3 吴海涛;张亮;马勇;赵静;;半潜式海上浮式风力机平台随机响应特性分析[J];华中科技大学学报(自然科学版);2014年05期

4 高月文;李春;叶舟;成欣;;风波流多环境海上漂浮式风力机张力腿平台动态特性[J];水资源与水工程学报;2014年02期

5 许波峰;王同光;;一种风力机气动计算的全自由涡尾迹模型[J];计算力学学报;2013年06期

6 莫文威;李德源;夏鸿建;吕文阁;;水平轴风力机柔性叶片多体动力学建模与动力特性分析[J];振动与冲击;2013年22期

7 朱仁传;缪国平;范菊;刘桦;;海上浮式风力机及其动力学问题[J];应用数学和力学;2013年10期

8 李晔;;国外大型风力机技术的新进展[J];应用数学和力学;2013年10期

9 唐迪;陆志良;郭同庆;;大型水平轴风力机叶片气动弹性计算[J];应用数学和力学;2013年10期

10 马剑龙;汪建文;董波;张所成;;风力机风轮低频振动特性的实验模态研究[J];振动与冲击;2013年16期

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2 陈佳慧;风力机气动弹性与动态响应计算[D];南京航空航天大学;2012年

3 钱铮;几何非线性单元刚度矩阵研究以及变截面门式刚架变形性能分析[D];浙江工业大学;2006年

4 信伟平;风力机旋转叶片动力特性及响应分析[D];汕头大学;2005年

本文编号：2804107