小水深半潜型风电浮式基础的耦合动力分析与试验研究

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海上风力发电以其独特的优势正在世界范围内迅速发展。随着水深的增加固定式基础的成本急剧上升,因而漂浮式风力发电基础有了广阔的前景。浮式基础的设计与研究为国内外海洋工程界关注的热点前沿问题,为促进海上发电技术的发展与应用提供了技术支持。本文首先介绍了漂浮式海上风电浮式基础的发展前景和几种常见的结构类型。参考已有的理论设计、模型试验和工程实例,选取了适合渤海水域的风机功率,美国NREL实验室公布的WindPact型1.5MW风力机详细资料,进行了海上风力机半潜型浮式基础的概念设计。将海上风力机浮式系统的载荷做了分类,系统地介绍了海上浮式风力机气动载荷、波浪载荷、流载荷和系泊载荷的计算方法。根据经验公式,对系统的粘性阻尼做了计算并用模型试验加以验证。计算分析半潜型基础的频域响应特性,建立了风力机-浮式基础-锚链耦合动力模型,计算在规则波、随机波中的运动响应。加工制作了试验模型,测量了模型的固有运动特性和运动响应结果,比较了数值模拟和试验结果,得到以下主要结论:(1)计算了半潜型基础的附加质量、辐射阻尼等水动力参数,绘出浮式基础的幅频响应曲线。从幅频响应曲线看出,垂荡、横摇和纵摇运动的固有周期基本避开了海浪能量的集中范围。(2)建立了风力机-浮式基础-锚链耦合动力模型,考虑叶片与塔柱弹性以及偏航系统传动系统特性,进行了浮式基础的耦合时域分析。通过计算的结果看到叶片的弹性、偏航系统对于风力机系统纵荡、纵摇、首摇运动影响明显;由于偏航系统的存在,风力机系统的横荡、横摇响应会减小;在计算系统的纵摇时,应考虑塔柱的弹性及传动系统特性,而塔柱的弹性及传动系统特性对风力机系统其他方向的运动影响较小。(3)制作了浮式基础模型,对理论设计做了试验验证。通过自由衰减试验得到了浮式风力机的固有周期以及无因次阻尼系数;有无风速主要对浮式风力机纵摇和纵荡的平衡位置与运动幅度有较大的影响。通过比较有风海况下的试验结果与理论计算值,看出二者符合的较好,验证了设计的合理性。
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