单柱式浮式风机动力学分析与优化设计

发布时间：2020-07-02 23:23

【摘要】：浮式风机在开发深海风能中扮演着重要的角色。在复杂多变的海洋环境中,浮式风机的动力学响应对系统关键部位的失效以及上部风机的功率输出均有显著的影响。浮式风机的各子系统之间、不同载荷之间以及系统运动与环境载荷之间均存在着复杂的耦合关系。这些耦合关系使得浮式风机系统的动力学行为非常复杂。本文建立了单柱式浮式风机的动力学模型,并对各环境载荷作用下的动力学响应进行了深入的分析,同时对系统进行了优化设计。本文的主要研究内容和结论如下。(1)将单柱式浮式风机视为多刚体系统并基于质心运动定理和动量矩定理建立了系统的时域非线性动力学方程;推导了外载荷的计算公式;通过将本文结果与常用程序FAST的计算结果以及实验数据进行对比,验证了本文方法可以较好地模拟单柱式浮式风机的动力学响应。(2)研究了环境载荷(即波浪载荷、流载荷和风载荷)以及风轮转动和机舱转动对动力学响应的影响。结果表明,风载荷和波浪载荷分别决定了各运动模态的均值和标准差;流载荷使纵荡和纵摇均值增大,但对标准差的影响很小;气动阻尼使得功率谱在纵荡和纵摇固有频率处的峰值减小,风速增大时气动阻尼也随之增大;系泊缆张力取决于支承结构的纵荡运动,由于系泊系统的特殊布局方式,下游系泊缆张力的功率谱峰值和时域标准差与上游系泊缆的相应值存在倍数关系;风轮旋转产生的陀螺力矩是产生支承结构艏摇运动的主要因素。(3)设计了一种浅吃水单柱式平台模型并对其水动力特性进行分析,对系泊系统进行了优化设计并得出了满足设计要求的最佳方案,探讨了垂荡板结构对系统动力学响应的影响。结果表明,在大多数海况下绕射效应可以忽略不计,大多数运动模态所对应的线性辐射阻尼很小,在较为恶劣的海况下流动分离会发生在平台的上部;纵摇均值只随系泊力作用点即导缆孔深度的增加而增大;系泊缆张力只随导缆孔深度以及锚点半径的增加而增大;导缆孔深度接近于静平衡时系统重心深度时,纵摇固有周期总是趋于最大值;垂荡板可以有效地减小垂荡运动,但是对其他运动模态的削弱作用则较小。本文研究结果可为单柱式浮式风机的设计制造和安装部署提供一定的理论指导。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315
【图文】：

图 1-1 东海大桥风电场Fig.1-1 Donghai bridge offshore wind farm范围来看，世界上第一台海上风电测试设备是 1990 年安装的一台 220 kW 风机。它由三脚架平台支承。1991 年世界丹麦洛兰岛以北海域开始服役。海域水深为 3~5 m。这一

【参考文献】

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本文编号：2738819