海上风电叶片结构设计中的前沿问题与挑战

为了有效提高风能开发的成本效益,海上风电正不断向“大型化”“深水化”发展,这给海上风电叶片材料和结构设计、载荷仿真和试验测试等环节带来了全新的技术挑战。文章通过探讨海上风电叶片结构设计在数值仿真和试验研究方面的现状与不足之处,以期为现有方法的改进提供新的见解、为深远海漂浮式风力机百米级大型叶片的合理设计和灾变防控提供参考。     

后市场更换叶片对机组载荷及发电性能的影响

为发掘现役风电场的风电潜能,提升整场的发电量,降低风力发电机全生命周期的每度电成本。选取某风场安装单机容量为2 MW机组作为研究对象,对其进行了后市场叶片增长仿真分析。通过Bladed软件对改造风电机组开展了数值仿真,简要的分析了风机发电量和整机载荷的变化情况,论证了该方案的可行性和工程意义,为陆上及海上固定式风电机组后市场更换叶片方案提供参考。     

海上风力发电机组支撑结构动力响应特性研究

支撑结构设计是大型海上风电机组设计的重要部分。文章分析了海上风电机组的各种环境载荷,并以3MW风力机组为例计算其所受环境载荷,包括作用在支撑结构顶端的由风机叶轮转动引起的水平轴向力、作用在塔筒上的风载荷以及作用在基础上的海流、海浪载荷,并采用非线性弹簧来模拟基础与海底土层之间的相互作用。在考虑风轮影响情况下,利用有限元法对支撑结构进行了模态分析。最后,分析了环境载荷作用下支撑结构的动态响应。计算结果表明,在对海上风力发电机组进行动态响应计算时,环境载荷之间的相互耦合作用不能忽略。     

大型海上风电机组整机涡激仿真

随着海上风电机组朝着大型化发展,塔筒高度和叶片长度都显著增加,并且海洋风比陆地风的湍流度更小,这些因素使得大型海上风电机组在吊装或停机状态下频繁出现涡激振动现象。涡激振动增大了风电机组发生强度失效以及疲劳寿命降低的风险。为研究大型海上风电机组整机涡激振动的机理,文章采用仿真方法对某大型海上机组实际发生的涡激振动现象进行复现和分析：首先对风电机组进行流场分析,然后提取流场分析得到的时序载荷,施加到风电机组有限元模型上,进行瞬态分析,从而实现流固耦合仿真。仿真结果表明：风电机组的涡激振动是一种流固耦合现象,主要原因是,在特定风况条件下,气流在塔筒和叶片的壁面处形成周期性脱落的漩涡,对壁面产生周期性的反向载荷。当载荷频率与机组振动的固有频率接近时,使机组发生共振。文章通过仿真方法揭示了大型海上风电机组发生涡激振动的机理,对提出风电机组涡激振动防治策略具有参考意义。     

风切变对风电机组塔筒定制化载荷特性影响

塔筒定制化过程中,塔底合弯矩极限载荷和塔底俯仰弯矩疲劳等效载荷是塔筒定制化设计的主要载荷。影响塔筒定制化设计主要载荷的因素有很多,本研究分析风切变幂指数对风电机组塔筒定制化载荷特性的影响,并以当前主流机型6.XMW风电机组,运用当前主流仿真软件GH Bladed软件,对于相同外部条件不同风切变幂指数下的风电机组塔筒定制化载荷仿真计算,计算分析出不同风切变幂指数对于风电机组塔筒定制化塔底合弯矩极限载荷和塔底俯仰弯矩疲劳等效载荷的特性影响规律并运用至风电机组塔筒定制化中去。     

基于平价上网的风电场经济性分析

针对我国陆上/海上风电市场相继进入平价和再竞价时代,通过对比分析,从降本和增效2个方面对风电场经济性进行分析。结果表明：可有效提升风电项目投资收益率约5%～15%。研究内容可为行业提供参考。     

大型海上风电机组扭振瞬态响应计算研究

针对波动性的空气扭转载荷会严重影响风电机组传动系统中关键部件使用寿命的问题,以某5MW海上直驱型风电机组传动系统为研究对象,建立了模拟真实风的风剪切、塔影效应、湍流效应的气动载荷模型,归纳了风电机组扭振分析的计算流程,结合简化的风电机组双质量模型得到了传动系统在不同风载荷模型作用下的瞬态扭振响应特性。结果表明:风剪切—塔影效应对于风电机组的瞬态扭振响应影响较小,而湍流风效应对风电机组的扭振响应较大。     

风电平台冰载荷数值分析

冰载荷是海洋工程中重要环境载荷之一，给冰区风电平台的安全带来严重威胁。传统有限元方法难以准确预测风电平台冰载荷，因此结合渤海地区海冰数据，通过仿真标定的方式确定数值分析参数。采用离散元与内聚力单元法对风电平台冰载荷进行分析，并进一步通过与有限元进行耦合，得出风电平台的高应力点与大变形位置。两种数值分析方法可为风电平台冰载荷分析与抗冰设计提供参考。     

海上风电运维船小型化波浪补偿登乘栈桥设计

针对海上风电机组运维需求,设计海上风电运维船的小型化波浪补偿登乘栈桥。进行登乘栈桥的总体设计、力学分析和软件设计,并对登乘栈桥的三维模型进行有限元仿真。仿真结果表明,所进行的设计可满足海上风电运维船的小型化和轻量化要求,保证人员与物料的安全和作业环境的稳定。     

海上风电技术特性对比分析

从海上风能开发利用的技术包括所涉及风电场建设(机组排列、安装及运输、运行监控等)、风电机组设计、并网(海上高压系统、海底电缆、岸上接入设施等)等方面,对比分析海上风电与陆上风电的技术差异,结果表明海上风电在基础安装、运营维护等方面较陆上风电要求更高、难度更大。为进一步发展海上风电提供了参考。     

海上风电机组门洞焊缝应力计算及测试验证

风电机组的塔筒门框焊缝应力状态复杂,且在机组全寿命周期服役过程中承受超高周的动态载荷,其疲劳可靠性是塔筒设计工程师需重点关注的设计项点之一。由于塔筒面内弯矩载荷Mx、My塔筒疲劳设计的主导载荷,在进行塔筒门框焊缝疲劳设计时仅考虑面内弯矩载荷即可,门框焊缝的疲劳强度计算精度取决于焊缝处评估应力的计算精度,门框焊缝疲劳强度的评估应力通常采用国际焊接学会（IIW）推荐的热点应力法计算得到。文章首先针对某大兆瓦海上风电机组得塔筒门框焊缝区域进行有限元仿真计算,得到在塔筒面内弯矩Mx、My的单位载荷作用下选定的多处门框焊缝应力插值点的应力结果。然后基于测试得到的塔底截面弯矩时间历程,线性推导得到各焊缝应力插值点处的应力时间历程。最后将推导得到的应力时间历程与测试得到的应力时间历程进行对比,以此验证门框焊缝应力计算模型的正当性。对比结果表明,文章采用的门框焊缝应力计算模型是满足工程设计需求的。     

三浮体式海上风电基础结构响应研究

采用SESAM软件包对一种三浮桶式海上风电基础结构进行了运动响应计算。采用GeniE模块建立了该三浮桶海上风电基础结构的结构模型和水动力模型,并在HydroD模块中进行了组合载荷以及运动响应的计算,对其水动力特性进行了分析。在其中的波浪载荷计算过程中,采用基于三维水动力理论的设计波方法。     

德国劳氏与华锐风电签署风电机组测量合同

上海／中国．2009年9月9日-德国劳氏（GL）与中国华锐风电科技有限公司（“华锐风电”）签署了风电机组测量合同,向该公司提供风电机组载荷、功率曲线、电能质量及噪声测量服务。该协议涉及华锐风电三种型号的风电机组：SL1500／82、SL3000／100和SL3000／90（陆上和海上）。其中,最后一种型号的风电机组已安装在上海东海大桥1O万千瓦海上风电场,这是中国第一个国内海上风电示范项目。     

绞车轴瓦应力对附加载荷的响应机理分析

自升式风电安装船是海洋风电安装工程中的重要装备,摩擦绞车升降装置与桩腿、船体构成了自升安装船独立的升降系统。在升降装置的作用下,绞车提供牵引力完成放桩、升船等动作。海上作业过程中环境载荷的不确定性会使作业过程绞车升降系统受附加工作载荷,从而导致工作绞车容易发生故障,给作业系统的安全、稳定运行带来巨大的隐患。本课题从海洋38#风电安装船的外部作用环境和实船绞车轴瓦的失效情况出发,基于支撑桩腿、船体与海洋环境间的相互作用机理,分别分析了绞车轴瓦应力对冲击和振动的响应关系,并采用柔性体有限元仿真和刚体动力学仿真分析的方法,分析了绞车作业过程中的附加工作载荷。同时根据分析结果绘制了响应关系坐标图,进一步研究了工作过程中绞车附加载荷与绞车滚筒支撑轴瓦失效的机理关系。     

基于CFD的风电安装船首部砰击载荷分析

以国内某艘风电安装船为研究对象,基于计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）在规则波（斯托克斯五阶波）作用下,研究其首部砰击载荷随波浪参数的变化,依据波浪高度与波浪长度不同,设计了3组不同波高和5组不同波长,对15种计算工况进行分析。在船首位置取16个观测点,计算各点处的砰击载荷,对不同波浪参数下的砰击载荷进行研究。计算分析得到：风电安装船作业中,随波高增大,船舶首部砰击载荷也增大,随波长增长,砰击载荷呈先上升后下降的趋势,并且当波长等于船长时,砰击载荷峰值达到最大。船首砰击主要是由船舶在波浪中出水、入水所致,因为距水线面越近的观测点受到的砰击载荷越大,所以需要重点加强距水线面近的船首位置。文中所述方法可为后续风电安装船结构强度设计提供一些有益参考。     

风电安装船风暴自存下总体性能分析研究

随着海上风电的快速发展,风电安装船作为建设海上风电场的关键设备得到了广泛应用,由于其工作于恶劣的海洋环境中,保证其安全尤为重要。本文针对一自升式风电安装船,探讨了其在风暴自存下的载荷种类和计算方法,应用ANSYS软件建立了整体结构的有限元模型,通过施加相应的边界条件和外载荷,对其总体性能包括全船结构强度、锁紧结构承载性能、预压载性能、抗倾稳性及桩靴承载性能进行了分析。分析结果表明,风电安装船在风暴自存工况下总体性能满足使用要求。论文研究成果可为同类船型的设计分析提供参考。     

海上风机平台冰载荷间接监测方法与仿真验证

海洋平台中冰载荷监测的载荷识别算法是对冰区平台安全生产评估的重要部分，随着海上风电系统的快速发展，尤其是近年来我国渤海地区建立了大量的海上风电平台，海冰载荷已经成为影响生产安全的重要因素。由于冰载荷的直接测量难度大，现有传感器难以满足冰载荷监测要求，甚至有些冰载荷无法直接测量，因此可采用间接监测方法对结构冰载荷展开监测，即通过数值方法标定载荷与响应的映射关系，将这种映射关系表示为传递矩阵，通过矩阵求逆的方式确定结构冰载荷。基于离散元方法建立海冰数值模型算例，验证了基于广义力法的间接监测算法在冰区风电平台冰载荷识别方面的可靠性及合理性。     

海上高速船冲击载荷分析

本文针对设计人员对海上高速船冲击载荷计算的疑惑,从冲击载荷的性质着手,对载荷计算方法进行分析,为设计人员对规范的理解提供参考。     

海上风电项目机组安装质量控制要素

风电机组安装是海上风电项目开展的重要环节,其安装质量对后期运营起着十分重要的保障作用。受限于当前海上风电产业链的影响,风电机组由不同的制造厂商完成生产后再运输至现场进行安装,因此,风电机组的整体安装质量取决于机组进场安装前的验收准备工作与机组安装过程这两个阶段的质量控制。本文通过分析海上风电项目的特点,总结出风电机组安装环节的质量控制要素,为提高海上风电机组安装质量提供了重要参考。     

基于设计波法的船体波浪载荷计算

本文对设计波法的原理进行说明,对比不同规范在载荷控制参数选取上的区别。依据ABS规范规定的载荷控制参数,采用确定性方法和随机性方法对船体波浪载荷进行计算。对比分析2种方法的设计波参数和最大载荷结果可知,在波浪载荷计算上,确定性方法偏于保守,而随机性方法由于考虑了海浪的随机性和不规则性更加科学合理。计算结果可为同类船体波浪载荷计算提供参考。