台风过境下大型单桩式海上风机结构动力特性研究

风机大型化是我国海上风电技术发展的重要方向. 东南沿海是我国海上风电发展的重要基地, 这一区域频繁发生的台风对海上风机的影响不可忽略. 台风风场与常规大风风场有不同的湍流特性, 同时台风期间较高的风速会引起巨大的台风浪. 本文考虑台风经过期间独特的风场及波浪场, 开展风浪联合作用对大型单桩海上风机影响的研究. 基于DTU 10 MW大型单桩风机, 运用一体化分析软件SIMA建立风浪联合作用下大型单桩风机的耦合数值模型, 研究台风经过不同阶段大型风力机的动力响应特性. 计算结果显示, 叶片变桨能有效降低台风经过时风机叶片所受风载荷, 变桨状态下单桩风机所受风载荷主要来源于塔筒. 在台风经过的不同阶段, 大型单桩海上风机结构表现出不同的动力特性. 台风全过程塔筒运动均受波浪激发一阶频率控制, 塔基上方结构动力载荷以惯性载荷为主, FOVS至FEWS阶段及BOVS阶段至BEWS阶段塔筒运动一阶频率处响应能量增长较小, 响应能量向低频及波频转移. 塔基下方泥面线处剪力响应受波频控制, 弯矩响应受一阶频率控制.      

海上浮式风机气动力-水动力耦合分析研究进展

近年来,海上浮式风机受到了越来越多的关注.相比陆上风机,海上浮式风机承载着更加复杂的环境载荷.本文针对海上浮式风机气动力-水动力耦合分析问题,对风机的气动力载荷计算、浮式基础的水动力载荷计算,以及浮式风机系统在风浪流联合作用下的气动力-水动力耦合分析等方面,分别进行了研究方法及研究现状的介绍,同时简要分析了海上浮式风机的发展趋势及面临的问题和挑战.     

大型漂浮式风电装备耦合动力学研究: 历史、进展与挑战

风电是可再生能源的主力军, 在优化能源结构、缓解气候变化方面发挥着重要作用. 经过数十年的发展, 风电装备逐渐向大型化和离岸化方向发展, 并由此形成“由陆向海, 由浅入深, 由固定式向漂浮式”的演变之路. 在水深大于50米的深远海域, 采用漂浮式支撑基础搭载大型或超大型风电机组是兼顾技术可行度和成本优势的理想选择. 如今, 大型漂浮式风机已成为下一代深远海风能大规模开发的主力装备, 是深化海洋风能开发的先导战略性高端装备, 是风电领域的研究热点和技术高地. 本文围绕大型漂浮式风电装备耦合动力学问题, 综述了国内外浮式风电技术的发展历程和研究现状, 结合作者团队多年的研究与实践经验, 介绍了浮式风机耦合动力学及其优化控制中的基础问题与研究现状, 总结了现阶段浮式风机耦合动力学研究中的困难与挑战, 为浮式风电研究人员提供参考.      

基于DEM-FEM耦合方法的海上风机结构冰激振动分析

冰载荷是海上风机在寒区安全运行的重要影响因素之一,由其引发的冰激振动给风机结构带来了严重的危害. 本文通过离散元(discrete element method, DEM)-有限元(finiteelement method, FEM)耦合方法建立了寒区单桩式风机结构的 冰激振动模型.采用具有粘结-破碎性能的球体离散单元描述平整海冰损伤破坏行为,采用梁单元和三角形平板壳单元构造带有抗冰锥体的单桩式风机有限元模型.采用DEM-FEM耦合方法模拟不同冰速、冰厚条件下单桩式风机与平整冰相互作用过程,并且与IEC规范和ISO标准经验公式对比验证该耦合模型计算冰载荷的准确性.对比风机塔筒顶端和基础顶端的位移和加速度响 应时程,定性地给出风机结构不同部位振动响应行为差异性.风机不同部位动力特性差异原因为风机结构独特结构特点:下部为大刚度桩基和上部为高柔度塔筒,使其动力特征表现为主从式结构特性. “主-从式结构”特征使得结构在复杂的冰载荷作用下,风机塔筒(子结构)和桩基(主结构)表现为不同的响应行为,风机不同部位振动周期和加速度谱两者出现差异. 本文研究成果为海上风机抗冰设计和疲劳分析提供了有益参考.      

浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究

考虑气动力和水动力的耦合研究浮式垂直轴风机系统的运动响应,将固定式垂直轴风机的气动载荷计算方法进一步推广到海上浮式垂直轴风机的气动载荷计算.考虑阻尼力、波浪力、风载荷、系泊力等,建立了浮式垂直轴风机系统的纵荡-垂荡-纵摇运动方程.考虑动态失速和浮式基础运动,基于双致动盘多流管理论,推导了风机叶片气动载荷计算公式,编制了数值计算程序.以Sandia 17 m风机为例,验证了气动载荷计算程序的正确性.最后进行了模型实验,其中模型的风机为Φ型达里厄垂直轴风机,支撑基础为桁架式Spar型浮式基础,将模型实验结果与数值计算结果进行了对比,验证了耦合计算程序.结果表明,数值计算得到的风机系统的垂荡、纵摇运动的RAO(幅值响应算子)曲线与模型实验结果吻合较好,验证了耦合程序的正确性.然而,由于数值计算与模型实验在运动自由度、阻尼、风载荷等方面存在差别,数值计算结果与模型实验结果仍有一定的差异.     

平整冰和碎冰区单桩锥体风电基础结构冰载荷离散元分析

在渤海和北黄海海域,冰载荷是影响风电基础结构振动响应及疲劳寿命的关键因素.对于单桩风电柔性结构而言,在水线处安装抗冰锥可有效降低冰载荷,保障海上风电安全运行.为分析海冰对锥体风电结构的冰载荷,基于扩展多面体离散元方法模拟了平整冰和碎冰对锥体风电结构的作用过程,分析了不同锥径和海冰密集度下的锥体风电结构冰载荷及冰激结构振...     

随机风-浪一体化降维建模及风机结构可靠度研究

基于随机脉动风场和随机波浪力场的谱表示降维模拟方法,采用脉动风速Davenport谱与波浪P-M谱对风、浪谱参数进行一体化构造,并应用相同的基本随机变量来保障风、浪模拟的概率信息一致,实现了随机风-浪一体化降维建模。进一步,基于ANSYS有限元软件建立了近海风机塔架数值计算模型,并以顶点位移为指标,进行了三种工况下结构的动力可靠度分析。数值算例验证了随机风-浪一体化降维建模方法的有效性。结构动力分析结果表明,风荷载对风机塔架顶点位移响应的影响占主导地位,同时波浪荷载的作用亦不可忽略。此外,随机风-浪一体化降维方法生成的代表性样本概率信息完备,可与概率密度演化理论结合实现海工结构在风浪共同作用下的精细化动力响应及可靠度分析。     

覆冰输电导线流固耦合风致振动多软件协同数值解耦计算方法研究

输电导线高度不断增加,跨度增大,覆冰导线其横截面不对称,这些因素都造成了导线在风场作用下形成升力和扭矩,进而使得导线振动幅度显著增大;与此同时,由于导线具有柔性性质使导线产生的大变形会对来流风场造成显著影响,而风场的变化又会导致风荷载的变化,从而风与其所引起的结构运动之间就形成了流固耦合作用。本文基于输电导线气动力拟合函数,提出了一种协同运用ANSYS与MATLAB软件,进行冰风载荷下输电线路塔线体系流固耦合振动的并行解耦数值计算方法,用于对冰风环境下的输电塔线结构进行动力学时程分析。数值分析显示考虑流固耦合因素的影响时导线最大位移更大,在输电塔线结构的安全性能分析中必须加以考虑。     

航天器动力学模型试验验证技术研究进展

耦合载荷分析是航天器研制过程中的一个重要环节, 能够为航天器结构设计, 地面验证试验条件制定以及批准型号发射提供重要依据, 而精确地得到试验验证的航天器动力学分析模型是开展耦合载荷分析的基础. 对于大型复杂航天器结构系统, 动力学模型的试验验证需要统筹安排初始建模、动力学试验、相关分析和模型修正等工作, 这是一项极具挑战的任务. 本文首先给出了结构动力学模型验证的基本流程, 然后重点讨论动力学试验, 相关分析与模型修正等关键技术, 最后结合工程实际的需求, 提出了今后航天器动力学模型试验验证技术研究的重点.      

索-梁耦合系统解的稳定性分析

研究了在惯性参考系中弹性斜拉索与悬臂梁耦合结构的非线性动力学问题,利用Hamilton原理建立了索-梁耦合系统的非线性动力学方程,利用Galerkin方法将索-梁耦合系统的非线性运动偏微分方程离散为一组常微分方程,然后利用多尺度法分析研究索-梁耦合动力学系统的非线性振动,对耦合系统解的稳定性进行了分析,用Runge-Kutta法对数学模型进行数值计算,并提出对工程有实际意义的结论.     

Dynamic analysis of wind turbine tower structures in complex ocean environment

Studying and analyzing the dynamic behavior of offshore wind turbines are of great importance to ensure the safety and improve the efficiency of such expensive equipments. In this work, a tapered beam model is proposed to investigate the dynamic response of an offshore wind turbine tower on the monopile foundation assembled with rotating blades in the complex ocean environment. Several environment factors like wind,wave, current, and soil resistance are taken into account. The proposed model is analytically solved with the Galerkin method. Based on the numerical results, the effects of various structure parameters including the taper angle, the height and thickness of the tower, the depth, and the diameter and the cement filler of the monopile on the fundamental natural frequency of the wind turbine tower system are investigated in detail. It is found that the fundamental natural frequency decreases with the increase in the taper angle and the height and thickness of the tower, and increases with the increase in the diameter of the monopile. Moreover, filling cement into the monopile can effectively improve the fundamental natural frequency of the wind turbine tower system, but there is a critical value of the amount of cement maximizing the property of the monopile. This research may be helpful in the design and safety evaluation of offshore wind turbines.     

半潜式海上浮式风机气动阻尼特性研究

由于海上漂浮式风机具有较大的支撑平台运动,气动阻尼效应对海上漂浮式风机的运动响应带来了重要的影响, 日渐受到相关国内外学者的关注. 为了研究海上浮式风机的气动阻尼特性,本文推导了海上浮式风机气动阻尼力的数学模型,并借助模型实验和数值计算的方法,研究了半潜式海上浮式风机的气动阻尼特性及其作用规律. 结果表明,浮式风机的风轮旋转时的气动阻尼比风轮非旋转状态时更加明显;在作业工况下,气动阻尼对半潜式浮式风机平台的纵荡、纵摇、机舱的运动有明显的抑制作用,且主要体现为对半潜式浮式风机的平台运动固有频率响应的抑制作用,对波频范围的平台运动作用甚微. 其变化规律与风速大小、波浪载荷等有关,在风机的额定工况之前,气动阻尼通常与风速呈正相关关系,但是增长率有逐渐减小的趋势;在控制系统作用下,当入流风速接近或超过风机额定风速时,容易出现气动负阻尼现象,反而进一步强化浮式风机的运动响应,此时通过降低变桨距控制器的比例系数,即降低变桨距控制器的灵敏度,有助于增加海上浮式风机的气动阻尼效果,并且在一定程度上减缓负的气动阻尼的发生,改善海上浮式风机的运动响应.      

Platform motion minimization using model predictive control of a floating offshore wind turbine

Wind turbines are installed offshore with the assistance of a floating platform to help meet the world’s increasing energy needs. However, the incident wind and extra incident wave disturbances have an impact on the performance and operation of the floating offshore wind turbine (FOWT) in comparison to bottom-fixed wind turbines. In this paper, model predictive control (MPC) is utilized to overcome the limitation caused by platform motion. Due to the ease of control synthesis, the MPC is developed using a simplified model instead of high fidelity simulation model. The performance of the controller is verified in the presence of realistic wind and wave disturbances. The study demonstrates the effectiveness of MPC in reducing platform motions and rotor/generator speed regulation of FOWTs.     

Status of large scale wind turbine technology development abroad

To facilitate the large scale (multi-megawatt) wind turbine development in China, the foreign efforts and achievements in the area are reviewed and summarized. Not only the popular horizontal axis wind turbines on-land but also the offshore wind turbines, vertical axis wind turbines, airborne wind turbines, and shroud wind turbines are discussed. The purpose of this review is to provide a comprehensive comment and assessment about the basic work principle, economic aspects, and environmental impacts of turbines.     

漂浮运动对风力机气动特性的影响分析

海上浮式风机为蕴藏丰富的深海风能开发提供了有效的解决方案,浮式基础存在的大幅度纵荡、纵摇和艏摇运动可以改变风轮与流场间的相互作用,从而影响风力机的气动特性。基于叶素-动量理论及其修正方法,以NREL 5MW风力机为研究对象,考虑浮式基础运动对叶片不同径向位置处相对入流风速的影响,提出了风载荷的计算模型,通过编程计算获得了叶轮转矩和风力机功率,并比较了不同运动形式对风力机功率波动的影响。结果表明,纵摇对其功率特性影响最大,这为海上浮式风机的优化设计提供理论依据与数据基础。     

Reviews of fluid dynamics researches in wind energy engineering

中国风电行业发展十分迅速, 总装机容量和新增装机容量已达到世界第一, 主力机型将从兆瓦级发展到多兆瓦级(> 5 MW), 风资源已从陆地扩展到海上, 这些变化将带来一系列新的问题. 本文将就目前风力发电行业中的流体力学问题进行综述和探讨, 总结其研究现状及取得的进展. 主要包括大气边界层风特性、局部复杂地形影响及微观选址、风力机尾流干扰、风力机专用翼型族、风力机性能计算、气动弹性、海上风力发电的基础及水力作用等问题. 此外, 还针对目前发展迅速的计算流体力学问题进行了讨论. 最后指出中国风电技术的不足及措施.     

漂浮运动对风力机气动特性的影响分析Effect of floating foundation motion on the aerodynamic characteristics of the floating offshore wind turbine

海上浮式风机为蕴藏丰富的深海风能开发提供了有效的解决方案,浮式基础存在的大幅度纵荡、纵摇和艏摇运动可以改变风轮与流场间的相互作用,从而影响风力机的气动特性。基于叶素-动量理论及其修正方法,以NREL 5MW风力机为研究对象,考虑浮式基础运动对叶片不同径向位置处相对入流风速的影响,提出了风载荷的计算模型,通过编程计算获得了叶轮转矩和风力机功率,并比较了不同运动形式对风力机功率波动的影响。结果表明,纵摇对其功率特性影响最大,这为海上浮式风机的优化设计提供理论依据与数据基础。     

Experimental investigation on the wake interference among wind turbines sited in atmospheric boundary layer winds

We examined experimentally the effects of incom-ing surface wind on the turbine wake and the wake interfer-ence among upstream and downstream wind turbines sited in atmospheric boundary layer (ABL) winds. The experi-ment was conducted in a large-scale ABL wind tunnel with scaled wind turbine models mounted in different incom-ing surface winds simulating the ABL winds over typical offshore/onshore wind farms. Power outputs and dynamic loadings acting on the turbine models and the wake flow char-acteristics behind the turbine models were quantified. The results revealed that the incoming surface winds significantly affect the turbine wake characteristics and wake interference between the upstream and downstream turbines. The velocity deficits in the turbine wakes recover faster in the incoming surface winds with relatively high turbulence levels. Varia-tions of the power outputs and dynamic wind loadings acting on the downstream turbines sited in the wakes of upstream turbines are correlated well with the turbine wakes charac-teristics. At the same downstream locations, the downstream turbines have higher power outputs and experience greater static and fatigue loadings in the inflow with relatively high turbulence level, suggesting a smaller effect of wake inter-ference for the turbines sited in onshore wind farms.