新型海上風(fēng)機浮式基礎(chǔ)設(shè)計與風(fēng)機系統(tǒng)耦合動力分析.pdf

1、本文結(jié)合我國發(fā)展需求，展開了關(guān)于浮式海上風(fēng)機的研究。在五十米至八十米水深的深海和淺海間的過度海域，傳統(tǒng)的Spar式浮式基礎(chǔ)由于吃水過深、排水體積過大而不再適用。為了利用該海域的海上風(fēng)能，減少海上風(fēng)能成本，本文設(shè)計了一種新型海上風(fēng)機浮式基礎(chǔ)。
　　針對該浮式基礎(chǔ)，本文建立了風(fēng)機-塔柱-基礎(chǔ)-系泊線耦合的分析模型，對其施加包括二階波浪力在內(nèi)的水動力載荷及空氣動力載荷，開發(fā)了一種耦合動力響應(yīng)預(yù)報的數(shù)值工具。為了研究二階差頻波浪力對浮式基

2、礎(chǔ)運動響應(yīng)的重要性，研究工作建立了一階和二階兩種耦合分析模型，并對數(shù)值工具的模擬能力進行驗證。
　　運用本文開發(fā)的數(shù)值工具，研究工作對所設(shè)計的新型浮式基礎(chǔ)的六個自由度響應(yīng)進行了空氣動力-水動力時域耦合分析。根據(jù)海上風(fēng)機作業(yè)情況，使用一階和二階模型分別模擬海上風(fēng)機在工作和自存兩種海況下的運動，分析二階差頻波浪力對浮式基礎(chǔ)運動響應(yīng)的影響，以及浮式基礎(chǔ)在不同載荷作用下的運動性能。通過對比運動響應(yīng)的時間歷程、響應(yīng)譜和纜繩張力的統(tǒng)計值，可以

3、發(fā)現(xiàn)二階波浪力對海上風(fēng)機運動響應(yīng)和纜繩受力有明顯作用，計算中不應(yīng)忽略，否則可能會影響海上風(fēng)機的作業(yè)和自存安全。其中工作海況下由于存在風(fēng)機的空氣動力載荷，主導(dǎo)了運動響應(yīng)，因此二階波浪力的作用沒有自存海況下顯著。
　　海上風(fēng)機受到水動力載荷和風(fēng)載荷的聯(lián)合作用，受力復(fù)雜，環(huán)境載荷的入射方向會對運動響應(yīng)造成影響，為了研究風(fēng)機系統(tǒng)在不同方向環(huán)境載荷作用下的響應(yīng)情況，本文進行了五個入射角的模擬分析，分別對比了入射角在工作海況和自存海況下對運動

4、響應(yīng)的影響。
　　由于風(fēng)機在作業(yè)時控制系統(tǒng)會對葉片槳距角進行調(diào)節(jié)，使發(fā)電機保持額定功率。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時會出現(xiàn)葉片槳距角失衡情況，它是發(fā)電機轉(zhuǎn)軸扭矩發(fā)生激增的重要原因之一。在對控制系統(tǒng)失效的事故情況模擬后，通過與正常作業(yè)情況的六個自由度響應(yīng)時間歷程和響應(yīng)譜進行對比，發(fā)現(xiàn)槳距角失衡主要激發(fā)了浮式基礎(chǔ)橫向的響應(yīng)，它與橫蕩、橫搖和首搖更相關(guān)。同時可以看到這三個方向上變槳失效后明顯的瞬時響應(yīng)。在葉片槳距角出現(xiàn)故障時，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率和二