海上风力机模型试验平台与技术研究及实践

海上风能资源储量丰富,促进了海上风力机的发展.随着风力机功率的增大,适用于浅海海域的固定式基础已经不再满足设计要求,适用于深海海域的浮式基础得到了快速发展.本文介绍了浮式风力机的发展过程、类型以及特殊性,指出了水池模型试验在浮式风力机的发展过程中起着不可或缺的作用.本文首先总结了缩尺模型试验的关键技术,然后以上海交通大学提出的6 MW单柱式风力机为研究对象,总结了缩尺模型的制作过程,最后介绍了上海交通大学海洋工程深水试验池的建设情况,并展示了在该试验池中进行的新型多立柱张力腿式风力机模型试验的结果.其试验结果与软件计算结果吻合较好,表明该试验池可以很好地开展浮式风力机的模型试验.本文对于后续的6 MW单柱式风力机模型试验及众多的风力机模型试验具有一定的指导作用,为我国浮式风力机的发展提供了理论依据.     

一种海洋工程深水水池造流系统的小比尺模型试验

在深水水池开展模型试验时往往需要考虑海流的作用,然而精确地模拟海流是十分困难的,按照1∶50相似比提供了一种深水水池造流系统模型试验方法,包括原型与模型的物理量缩尺方法、水池模型的制作方法、动力段模型的制作方法、动力段模型的控制方法和流场品质测试方法;试验方法和试验结果对深水水池造流设计具有重要意义。     

基于性能相似的浮式风力机水池模型试验叶片设计方法研究

大型海上浮式风力机在Froude相似环境下进行模型试验时,模型叶片因尺度效应影响难以满足推力要求.以一款6MW海上浮式风力机为例,介绍了一种设计模型叶片方法以满足水池模型试验要求.在Matlab中,利用模式搜索法优化工具包,结合美国可再生能源实验室(NREL)的全耦合软件FAST,借助广义动态尾流(GDW)理论重新设计了一款模型叶片,并对所设计的叶片进行了数值计算和CFD计算.计算结果能满足模型试验多种工况的推力要求,表明了该方法的可行性.     

张力腿式浮动风力机极限载荷分析

针对所提出的新型多立柱张力腿式浮动风力机在正常工作工况下的运行,进行了时域耦合动力响应仿真分析和极限载荷预报.选取了在此工况下可能出现极值的叶片根部弯矩(面内弯矩和面外弯矩)作为研究对象,依据IEC61400-1和IEC61400-3标准要求,运用极限载荷统计外推法得到了不同重现期内的极限载荷.采用将分块最大值法和过阈最大值法相结合的方法来提取局部最大载荷.选用三参数威布尔分布作为局部最大载荷概率分布函数,并使用最小二乘法对其进行参数估计,验证了在不同风速下所拟合的极限载荷短期分布的收敛性.     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

 为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

漂浮式海上大型风力机研究进展

海上风力发电正在向距岸更远、水深更深的海域发展.适用于近海/近岸深水海域(水深50m)的漂浮式海上风力机是未来海上风力发电的发展方向,并已经成为当今世界风电领域和海洋工程领域的研究热点之一.我国在漂浮式海上风力机领域起步稍晚,发展迅速,但距离世界先进水平尚有一段距离.为促进我国漂浮式海上风力机的发展,本文首先回顾了国外漂浮式海上风力机的发展历程和主流技术形式,继而简述了国外漂浮式海上风力机兆瓦级全尺寸样机的海试工作,并从研究角度就设计要求、数值仿真和实验室试验三个方面讨论了漂浮式海上风力机的技术与挑战,最后简介了我国漂浮式海上风力机的发展现状,并讨论了在环境条件限制下,我国发展漂浮式海上大型风力机的问题与解决方案.     

新概念深水半潜式生产平台水动力截断试验与数值计算

对一新型深海半潜式生产平台的水动力性能进行模型试验和数值计算分析.与传统直立柱结构的半潜式平台不同,该新型平台的4根立柱在水线面以上向内倾斜.由于平台工作水深为1.5 km,模型试验时需通过数值分析进行等效截断设计.对平台6自由度运动响应和系泊缆受力的研究表明,模型试验结果与数值计算结果基本一致,该新型半潜式生产平台具有良好的水动力性能,满足规范要求.
     

固定式海上风力机实时混合试验加载方式研究

在传统的海上风力机模型试验中，湍流风载荷在实验室中复现困难，实验室场地的空间限制无法进行大型海上风力机模型试验，上部风力机与下部平台存在的缩尺矛盾也无法深入研究海上风力机全耦合作用机理.随着计算能力的提升、数值积分算法以及控制等关键问题研究取得突破，上述矛盾可由实时混合试验方法解决.本文以美国国家可再生能源实验室（NREL）5 MW固定式海上风力机为研究对象，按照1∶90进行缩尺，制作物理子结构模型，开发AeroDyn程序作为数值子结构，添加UDP/IP通信机制作为数据采集与传输方式，以推杆式作动器为加载装置，搭建了完整的实时混合试验系统，进行无海浪工况下的固定式海上风力机实时混合模型试验.将试验结果与FAST软件结果进行对比分析，结果吻合良好，说明了实时混合模型试验方法的可行性.研究结果为海上风力机实时混合模型试验技术的进一步发展提供了参考，为海上风力机结构设计与安全运行提供技术支撑.     

浮式风机半潜平台稳性数值分析

随着大型海上风电场的建设逐步由浅海域向深海海域发展,研究浮式风机已成为各国开发海上风能的热点工作,相应的传统固定式基础结构已不能满足海上风力机工作性能要求.因此设计一种三立柱式半潜平台作为浮式风机基础结构,并结合海洋平台与陆地风机的特点,应用海洋工程商业软件SESAM对半潜平台完整稳性及破舱稳性进行数值分析,主要考虑平台发生大角度倾斜及舱室破损倾斜后,浮式风机是否会出现倾覆现象.模拟结果证明,一舱破损或两舱破损风力机不会出现倾覆现象,风机可以保证正常发电.     

单桩基础海上风力机防护装置的船舶碰撞试验与数值对比分析

针对某4MW单桩基础海上风力机,提出了一种新型钢壳-橡胶组合结构的防船舶碰撞装置,分别基于简化缩尺物理模型试验和非线性有限元软件LS-DYNA方法,对船舶碰撞时海上风力机的动力响应特征进行了对比分析,同时,参照相关国际规范,选取了具有代表性的碰撞工况,分别研究了船舶碰撞时无防护装置的海上风力机和船舶碰撞时有防护装置的海上风力机的动力响应特征,结果表明,新型防护装置可以有效地降低作用于风力机主体结构的最大船舶撞击力,它可以利用其外层薄壁钢壳结构的塑性变形来吸收船舶的碰撞能量,从而保护风力机塔架及整体结构的安全.此外,数值模拟结果与物理模型试验结果具有较好的一致性,相关数值模型的有效性也得到了验证.     

地震作用下固定式海上风机动力模型试验及耦合数值研究

海上风机是复杂环境荷载作用下多自由度复杂结构体系．为揭示环境荷载、转子机舱组件及支撑系统之间相互作用对海上风机结构运动响应的影响,建立水动力和结构弹性联合相似准则、气动力的牛顿相似准则,开展了地震、风、波流联合作用下海上风机整体结构动力模型试验,验证了风浪等环境荷载对于地震作用下五桩基础海上风机结构响应的影响．基于FAST v8推导并建立了地震、风、波浪联合作用下海上风机整体耦合数值仿真模型,揭示了该工况下海上风机结构响应的耦合特性,同时发现停机保护策略并不能有效降低海上风机结构地震响应．进一步,探讨了调谐质量阻尼器对海上风机在地震组合工况下的振动控制效果．     

柱稳式平台结构设计标准化研究

柱稳式平台在海洋工程中应用很广,随着深水油气田的开发,越来越多的立柱稳定式浮式平台作为生产平台被采用,包括半潜式平台(SEMI)、单柱式平台(SPAR)、张力腿平台(TLP)等。从结构设计的一般思路入手,结合柱稳式平台的受力特点,分别考虑结构强度、屈曲能力以及疲劳分析3个方面,总结其结构设计的关键流程,旨在为海洋工程从业者对柱稳式平台结构的校核提供参考。     

漂浮式海上风电机组动力学仿真分析

通过计算机仿真技术,分析深海漂浮式风力发电机组的动力学特性.首先分别建立海上浮式平台的水动力学模型和基于动态入流理论的风轮空气动力学数值模型,然后将其施加到由“风轮-机舱-塔筒-系泊系统”组成的多柔体系统动力学模型上,并由Fortran语言编程计算,将分析模型和结果导入到ADAMS进行可视化及后处理,最后,以美国NREL基本型5MW风电机组数据为基础,对漂浮式风力机系统和近海的定桩式风力机系统进行动力学分析对比,研究结果表明:漂浮式海上风电机组在运行过程中,其浮式平台承受水动力而产生摇荡运动,气动载荷与水动力相互耦合对整机结构动力响应及功率波动有着明显影响.     

风浪联合作用下海上风机动力响应模型试验设计方法

海上风机规格越来越大,水深越来越深,其动力响应问题愈发突出,对这一动力敏感性结构的设计,应该避免与波浪和风机产生共振,开展风浪环境荷载与海上风机相互作用的模型试验显得尤为必要。弹性相似模型是研究整体结构的动力行为的主要手段,将着重从基础结构弹性模型设计方法、风机模型设计方法、风荷载模拟装置、测量方法等方面进行研究。试验方法为海上风机的动力响应模型试验提供了有益的借鉴。     

结构动力模型试验的相似技巧

通过多年模型试验的实践与体会,提出了结构动力模型试验与动力模型破坏试验中保持模型与原型的相似的３种基本要求与处理技巧,同时指出对结构动力特性,弹性振动响应与破坏形态等试验目的不同,相似要求也有所差别。掌握这一技术,可以通过模型试验加深对结构动力特性和破坏形态的认识,获得更多有用的信息,特别对复杂的土工建筑物动力模型破坏试验的相似问题,提出了一些新的概念。     

新型超深水海洋油气开发装置概念设计

针对我国南海环境条件下超深水海洋油气资源开发中的特有问题,提出一种新型超深水海洋油气开发装置概念——张力系泊式水中生产系统(subsurface tension leg production system),简称STLP系统．STLP系统具备水中完井和油气外输功能以及各种浮式生产平台．阐述了STLP系统的基本工作原理,初步研究了该系统的概念设计方法以及安装方案,并对其水动力性能进行了数值模拟计算．     

新型超深水海洋油气开发装置概念设计

针对我国南海环境条件下超深水海洋油气资源开发中的特有问题,提出一种新型超深水海洋油气开发装置概念——张力系泊式水中生产系统(subsurfacc tension leg production system),简称STLP系统,STLP系统具备水中完井和油气外输功能以及各种浮式生产平台。阐述了STLP系统的基本工作原理,初步研究了该系统的概念设计方法以及安装方案,并对其水动力性能进行了数值模拟计算。     

张力腿平台内孤立波载荷及其理论模型

在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波作用下张力腿平台的载荷特性开展了系列实验.基于两层流体内孤立波KdV(Korteweg de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(Miyata Choi Camassa)理论,建立了张力腿平台内孤立波载荷的理论模型,给出了该理论模型中三类内孤立波理论的适用性条件.研究表明,张力腿平台的内孤立波水平载荷包括立柱与沉箱部分的拖曳力和惯性力,可由Morison公式进行计算,而其竖向载荷主要为竖向Froude Krylov力,可以通过内孤立波诱导动压力在立柱底部及沉箱上下湿表面进行积分计算.系列实验结果表明,在Morison公式中的拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系,惯性力系数与KC(Keulegan Carpenter)数之间为幂函数关系,而且基于所建立理论模型获得的张力腿平台水平力、竖向力及其力矩的计算结果与系列实验结果吻合.本项研究在系列实验基础上,为海洋工程张力腿平台的内孤立波载荷预报提供了一个实用的理论计算模型.     

混凝土侵彻试验相似准则验证分析

提出了用混凝土侵彻模型试验代替原型试验的方法,建立并验证了混凝土侵彻试验的相似准则.基于相似理论,推导了包括材料、弹速、着角、几何关系等因素的混凝土侵彻试验相似准则.为了验证相似准则,进行了1发原型试验和7发模型试验.由于模型试验的弹速不够接近原型试验的弹速,在模型试验数据处理中引入了灰色系统理论,建立了最大侵彻深度灰色预估模型.通过模型试验相应弹速的灰色预估值与原型试验结果的相似对比及误差分析,说明模型试验能够满足要求.