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。     

基于多维AR模型的近海风机振动特性

基于自然风特性,通过考虑结构结点间风速时程的空间相关性,采用多维AR模型模拟海上风机塔架脉动风荷载时程。在考虑桩-土-风机塔架系统相互作用的基础上,建立了三维有限元模型,分析了风机结构的固有频率及模态振型,对比研究了在不同方向风荷载作用下结构的位移、应力时程。结果表明:虽然不同入射风向对塔筒顶端的位移极值影响不大,但对局部位移和最大应力有显著的影响,结构应力的极值点出现在桩基与塔筒的连接段上。研究结果可为海上风机三桩基础布置、桩基承载力设计、结构强度设计、风机塔架的抗风提供参考。     

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。     

海上风电机组载荷测试及仿真一致性验证

随着海上风电机组向大型化趋势发展,风电机组降本及优化设计成为整机厂家尤为关注的话题。从测试和仿真的角度出发,对某海上风电机组不同风速下的叶根、塔顶、塔底载荷进行了测试和仿真,对统计值和疲劳载荷进行了对比分析,结果表明其测试与仿真结果具备良好的一致性,误差在10%以内,满足工程需要。载荷对比的一致性充分验证了该风电机组设计模型的正确性,不仅可为机组降本提供思路,也可为今后海上机组设计提供技术指导。     

海上风电系统地基刚度敏感性分析

文章基于Bladed软件建立了包括海上风电机组-支撑结构-地基基础的一体化结构模型，以某5 MW机组的单桩基础为例，对海上风电机组系统进行了一体化荷载计算，并系统地开展了地基刚度敏感性分析。计算结果表明：结构自振频率随着地基刚度的提高而增大，且在无波浪作用时，结构在泥面处的荷载呈现随地基刚度增大而减小的趋势；当有波浪作用时，结构在泥面处的荷载受到风、波浪作用的综合影响，当波浪频率接近基频时，结构所受荷载显著增大。因此，设计时应充分考虑地基刚度取值准确性问题。     

基于材料非线性海上风力发电机塔架屈曲分析

塔架结构是海上风力发电机组的支撑结构,其设计水平直接影响设备的安全性和经济性。风力发电机组塔架高度多在90 m～110 m,作为典型的细长薄壳圆柱结构,屈曲稳定性为塔架设计的主要限制条件。通过有限元数值模拟LBA/MNA分析方法,对海上风力发电机组塔架设备临界屈曲载荷进行计算和分析。通过与EN1993-1-6中基于薄膜应力理论的传统工程算法对比表明：由于塔架的材料非线性特性存在,基于有限元的数值模拟屈曲分析方法结果比传统的工程算法更接近于实际情况,且经济性较优,可为塔架结构的屈曲优化提供方向。     

浮式风电机械流体系统路线优化

浮式风电机组由于基础采用浮动式结构,相比固定式基础由于运动自由度增加,运行倾角增大,对于机械流体系统的影响较大,因此需要结合浮式机组的运动指标,对机械流体系统进行优化设计。根据浮式风电机组的运行指标、运行环境温度等,初步提出浮式风电机组机械流体系统中冷却系统、润滑系统和液压系统的优化路线,为浮式风电机组的设计和优化奠定一定基础。     

基于实测SCADA数据的大型海上风电机组尾流激振现象

对引起风电设备机组振动的相关因素展开研究，基于不同工况下海上风场实测SCADA秒级数据展开处理与分析，发现机组振动水平随尾流区内湍流强度增加而增加，但湍流强度并非引发机组振动超限的直接原因。结合典型故障时刻下高频采样数据进行时频域分析，排除叶轮转动频率与系统固有频率重合引发共振这一原因，推测机组振动超限可能与前排机组尾流中的脉动频率相关。     

海上单桩风力发电平台简化设计

采用在欧洲已经进行商业化运作的独立桩双段结构，桩基础采用带有过渡段的单桩。塔架上的风力发电机采用丹麦Vestas公司的V80风力发电机。参考DNV-OS-J101和API-RP-2A中的工作应力设计法，进行结构静力、桩基础的承载力，涡激振动、疲劳寿命，结构动力学等分析。静力分析分析极端环境下的组合工况；桩基础主要计算桩的轴向承载力和校核水平承载力，并采用有限元模型模拟桩土相互作用；涡激振动分析主要考虑不同风速下塔架的升力以及引起的横向振动；疲劳分析根据涡激振动分析的结果利用S-N曲线对基础寿命进行了评估；动力学分析求出了结构的固有频率，并进行了波浪力作用下的瞬态历程分析。     

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。     

深海采矿钢结构塔架和底座平台的结构设计和强度分析

分析对比深海采矿试验工程装置与海洋石油钻井平台的不同之处,通过对设计载荷的计算和作业工况进行分析,设计深海采矿工程的钢结构塔架和底座平台,采用有限元分析软件ANSYS对塔架和底座平台进行建模和静力结构强度分析。计算结果表明,该塔架和底座平台设计满足深海采矿的特殊作业需求,可为后续深海采矿工程塔架和底座平台的功能设计、结构优化和总体布局优化等提供参考。     

国内最大功率3MW叶片认证纪实

叶片是风电机组的关键部件之一,其性能好坏直接影响风电机组的风能利用效率和机组所受载荷,在很大程度上决定了机组的整体性能。叶片结构可靠性是叶片捕获风能的保证,并直接影响风电机组的运行寿命,叶片结构设计的好坏,在很大程度上决定了风电机组的可靠性和利用风能的成本。为验证叶片设计的可靠性,需要对叶片进行设计认证及型式认证,目前认证工作主要参考的标准有IEC国际标准、GB国家标准、中国船级社CCS规范,认证工作遵循的原则为＂风力发电机组风轮叶片专用规则＂。2008年底到2009上半年,中国船级社认证公司（CCSC）对国内功率最大叶片——上海玻璃钢研究院3MW叶片进行了认证。经过双方近半年的努力,最终上玻院获得中国船级社颁发的3MW叶片设计认证、型式认证证书。     

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。     

水陆两栖三体风电运维船结构强度分析

为满足潮间带、近海和远海等不同海况下的风电运维工作,设计了水陆两栖三体风电运维船.针对三体船连接桥强度相对较弱、载荷较为复杂且在陆上工况时需支撑整个船体质量的特殊强度要求,设计板架式和箱型梁2种连接桥结构方案,确定船体结构强度理论、载荷和约束条件,对这2种结构方案在海上和陆上工况下进行有限元强度分析,结合运维工作要求将其改进为结构较强的方案,校核改进后的结构强度,最终得到结构强度满足要求且快速性和经济性更优的结构方案.     

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。     

大型锚机试验台结构设计与力学性能分析

为解决锚机测试设备存在的加载力、测试精度和实时性等问题,本文设计了一种塔架式动载试验台和液压缸式静载试验台相结合的大型锚机试验台,该试验台可进行200吨动载试验和400吨静载试验。针对试验塔架的几何结构,应用ANSYS有限元软件,对试验塔架进行理论强度分析、模态分析及特征值屈曲分析。建立的塔架有限元模型以及计算结果能为同类塔架的设计和优化提供理论依据。     

海上风机远程自动除湿工艺

海上风电机组在现场安装完成后,直至送电之前的较长一段时间,均面临着一个同样的问题:在强湿度强盐雾的海洋环境下,风电机组内部电气的防护问题。一般的解决方案均考虑外部发电机组往风机塔内供电,使塔架机舱内持续保持一定的湿度环境或压力环境,以抵御外部海洋盐气。本文介绍了一种远程自动除湿工艺:通过无线网络的远程控制功能,在岸基电脑(或手机)的操作界面上控制海上各台风电机组外部除湿发电机组的启制动,并通过布置于塔内的湿度传感器传输的数据,实现远程控制发电机组的除湿运行。     

海上风电安装平台新型可调桩靴设计及有限元分析

针对具有高稳定性、高起吊能力的未来超大型海上风电安装平台采用传统方形结构桩靴支撑桩腿面临的站立稳定性不足的问题,设计一种插桩深度可调的新型三支架型结构桩靴。与传统方形结构桩靴支撑桩腿相比,新型可调桩靴支撑的桩腿在不同入泥深度条件下的最大位移都较低且具有更高的屈曲临界载荷。新型可调桩靴结构提高了桩腿的站立稳定性,进而可以提高海上风电安装平台的稳定性。     

回转支撑轴承防护罩壳的设计

为确保海上风电安装船上的风电安装起重机分段式回转支撑轴承的使用寿命,需对轴承进行防水、防尘和防盐雾处理。设计了一种重量轻、实用性好的分段式回转支撑轴承的防护罩壳,确定了罩壳材料选型,优化了一种易于进行轴承维护的结构形式,在龙源振华2 000 t风电安装起重机上成功应用,可为今后起重机轻量化防护设计提供参考。     

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。