摘要：浮式风机上部风机与下部浮式平台通常是由不同的设计单位设计的,因此在进行浮式平台设计时无法获得上部风机参数,进而无法对浮式风机的水动力性能进行全耦合数值计算分析。为此,以OC3-Spar和OC4-Semi两种浮式风机为研究对象,通过在其不同位置施加不同等效载荷,设计不同的限制性耦合方式。在工作海况下对浮式风机进行限制性耦合计算,实现对浮式风机水动力性能的研究,并将所得结果与全耦合方式的计算结果进行对比。结果表明,在轮毂中心处施加风机等效推力对于单柱式和半潜式浮式风机而言均是最优限制性耦合方式。当采用该方式时,工作海况下2种浮式风机的时域结果均与全耦合计算结果具有较高的吻合度,响应谱频率分布与全耦合结果基本一致,但幅值均相差较大。

摘要：浮式风机的前期开发需通过大量的方案比选确定结构基本形式和主尺寸参数,对动力学数值模拟效率提出了较高的要求。与时域非线性耦合模拟法相比,频域线性模拟法更适用于概念设计阶段。对此,文章提出了一种高效的线性耦合数值分析方法。采用了九自由度动力学模型描述浮体、塔筒以及叶轮的运动,对结构动力、气动力以及水动力问题进行线性化处理后,将动力学控制方程写成状态空间表达形式,进而推导出环境扰动-结构响应的传递函数,实现结构-控制系统在频域内的联动求解。为了验证模型的有效性,以时域非线性耦合软件Open FAST作为参考,对比了某半潜式风机在风浪联合工况下的运动响应。结果表明,线性模型的响应标准差相对误差大多在20%以内,而计算效率有大幅度提升,为概念设计阶段的结构选型及主尺寸优化设计提供了高效的分析工具。

摘要：基于整体可靠性的结构设计方法是保障海上浮式风机结构安全性与经济性,使得浮式风机能够适用于大规模深远海风能开发的关键。本文首先简要评述了浮式风机结构建模与可靠性分析的主要方法。为了分析风-浪联合作用下浮式风机结构的整体可靠性,介绍了结合多体动力学理论与有限元方法的浮式风机结构一体化耦合动力学分析模型。同时基于我国南海某场址长期风-浪再分析数据,并采用Copula方法建立风-浪多参数非线性相关的联合概率分布模型,从而合理考虑风-浪联合作用。在此基础上,引入概率密度演化理论,实现浮式风机结构的整体可靠性高效分析。针对海上风机结构国际设计规范中定义的极端风剪不利工况,采用上述方法进行了额定风速和极端风剪条件下海上单柱式浮式风机结构的整体可靠度分析。

摘要：随着海上风电产业的快速发展,大型浮式风机逐渐从概念设计走向工程应用,但仍面临较大的挑战。一方面,在风、浪等环境载荷的作用下,浮式风机的气动载荷和水动力响应之间存在明显的相互干扰作用;另一方面,风力机大型化使得叶片细、长、薄的特点愈发突出,叶片柔性变形十分显著,这会影响到浮式风机的耦合性能。基于两相流CFD求解器naoe⁃FOAM⁃SJTU,结合弹性致动线模型和等效梁理论,建立了浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应计算模型,并对规则波和剪切风作用下Spar型浮式风机的气动—水动—气弹性耦合响应进行了数值模拟分析。结果表明,风力机气动载荷使得叶片挥舞变形十分显著,而叶片的扭转变形会明显降低风力机的气动载荷。此外,风力机气动载荷会增大浮式平台的纵荡位移和纵摇角,同时,浮式平台运动响应会导致风力机气动载荷产生大幅度周期性变化。进一步地,叶片结构变形响应会使得浮式风机尾流场的速度损失和湍动能有所降低。

摘要：目前我国海上风电开发主要集中在近海海域。我国近海海域水深相对较浅,在浅水非线性波浪载荷作用下,浮式基础动力响应呈现显著非线性特性,导致浮式风机基础及其系泊系统设计极具挑战。针对我国近海浅水海域环境条件,基于半潜型浮式风机基础概念SPIC,采用参数化建模与优化方法,开展了42 m水深条件下半潜型浮式风机基础概念设计,并在海洋工程水池开展1∶50缩尺模型试验。模型试验的结果表明:半潜式浮式风机基础概念设计具有稳定性好、动力性能优良等优点,浮式基础纵摇运动、机舱加速度等指标满足规范要求。模型试验结果验证了该概念的可行性。

摘要：海上浮式风电具有广阔的发展前景,而高昂的建造成本是阻碍其发展的关键因素。拖曳锚因其制造和安装成本低廉,成为浮式风电锚固基础的一种选择。以黏土场地为背景,通过采用经验图表法、理论计算方法以及有限元方法对黏土场地拖曳锚的贯入深度以及承载力进行了计算。结果表明,厂家提供的经验方法的计算精度较低,适用于拖曳锚的初始选型;理论计算方法对土体的抗剪强度较为敏感;有限元分析显示,拖曳锚的埋深是控制拖曳锚承载力的关键因素;根据上述计算结果提出了浮式风机拖曳锚设计计算的流程。计算结果显示,在进行拖曳锚设计计算时,需要根据流程并谨慎选择土体的抗剪强度,以保证工程的安全可靠。

摘要：研究塔柱和风机布置位置对半潜式浮式风机系统动力性能的影响。以OC4-deepCwind浮式风机参数为例,将塔柱和风机分别布置在半潜式浮式基础的中心和其三角形浮筒上,建立浮式风机系统动力学模型,计算不同工况下系统的动力响应。结果表明,塔柱和风机由基础中心调到其浮筒上后,浮式基础运动、机舱加速度、叶片气动力及系缆力的平均值变化不大,标准差有显著的增加;特别在极限工况,机舱X向加速度、叶片气动力的标准差增加近1倍,首摇超过5°,1号缆受力的标准差增加约30%。实际设计中,综合考虑浮式风机系统动力性能、安装和运输过程的便利性及结构强度等设计塔柱和风机位置。

摘要：开展下部结构优化设计是降低浮式风机度电成本的有效途径。下部结构设计涉及多个尺寸参数。通过全局敏感性分析,可以将与动力学性能相关联的尺寸参数识别出来,实现降低设计空间维度,提高优化设计效率的目的。基于概率密度的敏感性分析方法,文章量化了Y形半潜式风机长期动力响应对9个尺寸参数的敏感程度。结果表明:对于平台倾角、机舱加速度、塔底疲劳损伤,立柱半径是最重要的尺寸参数,而平台吃水深度和立柱间距次之。增大立柱半径有利于改善平台稳性,抑制平台倾角,但同时也会增大平台的水动力荷载,加剧塔底、导缆孔疲劳和机舱加速度响应。导缆孔疲劳对索链直径最为敏感。研究可作为选取下部结构尺寸优化变量的依据。

摘要：相对于固定式风机,海上浮式风力机系统的结构与受到的环境载荷更为复杂。为模拟其动力响应,选择合理的动力学建模方法致关重要。本文以OC4-NERL5MW浮式风力机为例,分别建立浮式风机系统的单刚体动力学模型与刚-柔耦合动力学模型,对比研究2种模型在计算浮式风机系统动力响应的差异。结果表明,2种模型在较高工况的运动标准差有一定差别,其他情况的运动响应及气动转矩的均值和标准差差别都不大。刚体模型有更高的计算效率,可用于设计初始阶段浮式风机系统的动力学参数及方案筛选的大规模计算;刚柔耦合模型有更高的计算精度,可用于后续的动力学参数精细校核。

摘要：浮式风机系泊系统是浮式风机设计的重要方面,对于浮式风机工作性能、安全性能及经济性具有重要影响。以某NREL 5MW浮式风机基础为研究对象,基于SESAM软件对浮式风机在不同系泊方案下的运动及动力响应特征进行研究。比较分析不同系泊系统水平刚度、系泊张力、水平位移、机舱加速度及俯仰角等关键指标。结果表明浅水深条件下,不合理的系泊系统容易直接抵抗波频运动响应,引起非常大的系泊张力。采用复合纤维缆降低系泊系统整体刚度水平,在能够满足水平位移限制的情况下,具有技术可行性及经济性。