新型浮式基础的海上风机系统动力响应研究
发布时间：2021-10-31 13:15
概念性地设计了一种新型半潜—Spar混合浮式基础,以5 MW水平轴风机为例,研究了该新型浮式基础支撑的浮式风力机系统的动力响应。基于三维势流理论和Morison公式,应用SESAM软件建立浮式基础模型,在频域内计算了该浮式基础的水动力参数和响应算子,分析了浮式基础的运动性能。考虑叶片气动载荷和浮式基础波浪载荷,应用FAST软件对风机—浮式基础系统进行时域计算,分析风力机系统的运动性能。结果显示,该浮式基础运动幅值较小,具有良好的运动性能。
【文章来源】：海洋工程. 2018,36(01)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
浮式基础形式
表2浮式基础参数Tab．2Parametersoffloatingfoundation参数数值参数数值上部浮力舱高度和半径/m10，5主动压载舱高度和半径/m5，10垂荡板高度和半径/m1，7．5底部压载舱高度和半径/m10，5浮筒高度和半径/m10，5总吃水/m44系统重心/m(0，0，－28．24)系统浮心/m(0，0，－27．74)总质量(基储叶片、塔柱、机舱)/t7601．28水深/m1501．3系泊系统参数浮式基础由3根系泊缆固定，每根缆间的夹角为120°。系泊线设计为单根链形式，并通过导缆孔与浮式基础连接，如图2所示，导缆孔位于3个浮筒下垂荡板的中心。具体系泊线的参数为自行设计，经多次试验后确定，参数由表3所示。图2系泊线布置Fig．2Arrangementofmooringline表3系泊线参数Tab．3Parametersofmooringline参数数值锚链长度/m476直径/m0．147单位质量/(kg·m－1)375．7轴向刚度/N1．63×1092浮式风力机系统运动分析2．1系统运动方程对于海上系泊浮式结构物，浮体的运动方程可以写作如下形式:M+A!()x··(t)+∫t0h(t－τ)x·τ()dτ+Dfx·()+K(x)x=qt，x，x·()(1)式中:M代表浮体质量矩阵;A!代表频率趋向于无穷大时，浮体的附加质量矩阵;h(t)为迟滞函数，由附加质量矩阵和势流阻尼矩阵计算获得;D代表其他成分阻尼矩阵;fx·()代表与运动速度相关的函数;K代表恢复刚度矩阵;x，x·，x··分别代表浮体运动的位置、速度及加速度向量;q代表外激励载荷，包括波浪载荷以及风载荷。2．2波浪载荷对于小尺度结构，可使用Morison方程求解结构受到的波浪力。垂直柱体单位长度上受到的水平作用力形式如下:dF=ρπD24CMu·－CAx··()dx+12ρCDDu－x·u－x·()dx(2)式中:ρ为海水密度?
到风机系统重心的距离，V!为参考高度处的平均风速，取叶片中心到水面的距离为参考高度。计算中，采用FAST软件计算浮式风力机系统受到的风载荷。3计算结果与分析3．1频域计算结果用SESAM软件［19］计算浮式基础的水动力参数，风机处于停机状态，不考虑风载荷和系泊刚度，仅考虑风机质量和形状的影响。根据结构尺寸将浮式基础划分为面元模型和莫里森模型，通过Hydrod模块进行计算。其中波浪周期范围1～60s，间隔为1s。考虑不同周期入射波，计算得到浮式基础纵荡、垂荡和纵摇三个自由度的附加质量和辐射阻尼，结果如图3和图4所示。图3附加质量Fig．3Addedmass附加质量表征惯性力大小，这种力与物体加速度成正比。图3表明，三个自由度的附加质量峰值出现在5～20s范围内，波浪周期继续增加时，附加质量系数逐渐趋于稳定。纵荡附加质量约为结构质量的0．55倍，垂荡附加质量约为结构质量的1．25倍，纵摇附加质量约为结构沿y轴转动惯量的0．67倍。物体在含有自由22海洋工程第36卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]深水SPAR风机系统全耦合动力响应分析研究[J]. 闫发锁,门骥远,彭成. 船舶力学. 2017(02)
[2]海上混合式风机基础动力响应研究[J]. 李晔. 中国造船. 2015(02)
博士论文
[1]新型海上风机浮式基础设计与风机系统耦合动力分析[D]. 李嘉文.天津大学 2014
硕士论文
[1]海上风机半潜型浮式基础水动力性能研究[D]. 曹菡.天津大学 2012
[2]海上风电浮式基础动力响应研究[D]. 阮胜福.天津大学 2010
本文编号：3468201
【文章来源】：海洋工程. 2018,36(01)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
浮式基础形式
表2浮式基础参数Tab．2Parametersoffloatingfoundation参数数值参数数值上部浮力舱高度和半径/m10，5主动压载舱高度和半径/m5，10垂荡板高度和半径/m1，7．5底部压载舱高度和半径/m10，5浮筒高度和半径/m10，5总吃水/m44系统重心/m(0，0，－28．24)系统浮心/m(0，0，－27．74)总质量(基储叶片、塔柱、机舱)/t7601．28水深/m1501．3系泊系统参数浮式基础由3根系泊缆固定，每根缆间的夹角为120°。系泊线设计为单根链形式，并通过导缆孔与浮式基础连接，如图2所示，导缆孔位于3个浮筒下垂荡板的中心。具体系泊线的参数为自行设计，经多次试验后确定，参数由表3所示。图2系泊线布置Fig．2Arrangementofmooringline表3系泊线参数Tab．3Parametersofmooringline参数数值锚链长度/m476直径/m0．147单位质量/(kg·m－1)375．7轴向刚度/N1．63×1092浮式风力机系统运动分析2．1系统运动方程对于海上系泊浮式结构物，浮体的运动方程可以写作如下形式:M+A!()x··(t)+∫t0h(t－τ)x·τ()dτ+Dfx·()+K(x)x=qt，x，x·()(1)式中:M代表浮体质量矩阵;A!代表频率趋向于无穷大时，浮体的附加质量矩阵;h(t)为迟滞函数，由附加质量矩阵和势流阻尼矩阵计算获得;D代表其他成分阻尼矩阵;fx·()代表与运动速度相关的函数;K代表恢复刚度矩阵;x，x·，x··分别代表浮体运动的位置、速度及加速度向量;q代表外激励载荷，包括波浪载荷以及风载荷。2．2波浪载荷对于小尺度结构，可使用Morison方程求解结构受到的波浪力。垂直柱体单位长度上受到的水平作用力形式如下:dF=ρπD24CMu·－CAx··()dx+12ρCDDu－x·u－x·()dx(2)式中:ρ为海水密度?
到风机系统重心的距离，V!为参考高度处的平均风速，取叶片中心到水面的距离为参考高度。计算中，采用FAST软件计算浮式风力机系统受到的风载荷。3计算结果与分析3．1频域计算结果用SESAM软件［19］计算浮式基础的水动力参数，风机处于停机状态，不考虑风载荷和系泊刚度，仅考虑风机质量和形状的影响。根据结构尺寸将浮式基础划分为面元模型和莫里森模型，通过Hydrod模块进行计算。其中波浪周期范围1～60s，间隔为1s。考虑不同周期入射波，计算得到浮式基础纵荡、垂荡和纵摇三个自由度的附加质量和辐射阻尼，结果如图3和图4所示。图3附加质量Fig．3Addedmass附加质量表征惯性力大小，这种力与物体加速度成正比。图3表明，三个自由度的附加质量峰值出现在5～20s范围内，波浪周期继续增加时，附加质量系数逐渐趋于稳定。纵荡附加质量约为结构质量的0．55倍，垂荡附加质量约为结构质量的1．25倍，纵摇附加质量约为结构沿y轴转动惯量的0．67倍。物体在含有自由22海洋工程第36卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]深水SPAR风机系统全耦合动力响应分析研究[J]. 闫发锁,门骥远,彭成. 船舶力学. 2017(02)
[2]海上混合式风机基础动力响应研究[J]. 李晔. 中国造船. 2015(02)
博士论文
[1]新型海上风机浮式基础设计与风机系统耦合动力分析[D]. 李嘉文.天津大学 2014
硕士论文
[1]海上风机半潜型浮式基础水动力性能研究[D]. 曹菡.天津大学 2012
[2]海上风电浮式基础动力响应研究[D]. 阮胜福.天津大学 2010
本文编号：3468201
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