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海上浮式风力发电机组载荷及结构性能研究

2020-12-10阅读(234)

海上浮式风力发电机组载荷及结构性能研究

论文摘要

海上风电由浅水走向深水是国际风电发展的新领域,在深水海域建立浮式风电场成为未来的一种趋势。国外在这方面相关技术的研究和装备的研制已经取得很多成果,而我国尚处于起步阶段。本文设计了3MW海上浮式垂直轴风力机以及其支撑平台,其中风机的空气动力学性能、结构强度以及平台水动力性能为重点研究对象,具体开展了以下研究工作:1、基于动量定理的流管模型理论,预报垂直轴风机叶轮的气动载荷并总结了变化规律,再根据风机功率设计要求,依次确定风机叶轮的基本参数和工况设计参数,以及拉索长度和浮体结构形式。2、拉索是保证垂直轴风机运行的重要组成部分,拉索的参数、频率、强度以及刚度直接关系到风机的安全。本文利用拉索的相关理论进行设计,使拉索满足设计要求。频率和应力是设计拉索的两个主要因素,本文计算了拉索在不同预应力下的频率和分析了风机在最危险情况下的受力,并对拉索刚度进行分析。3、进行风机结构模型的动力分析,得出风机叶片和转子系统的固有频率,使风机在运行中避免产生共振。计算风机关键结构的强度,使它们所受的应力和应变在许用范围内。4、利用Hydrostar软件计算浮式风机平台的水动力性能,然后在Ariane软件中导入水动力数据,根据浮式风机浮体的特点布置锚链,对整个系泊系统进行时域耦合分析,使海上浮式风机的六自由度运动响应和锚链强度满足风机安全要求。本文提出的浮式风机概念及其系统的性能设计和研究工作,为以后浮式风机的设计及研究提供了参考价值

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题研究的背景与意义
  • 1.2 海上风电的特点
  • 1.3 海上风电的形式和基础类型的比较
  • 1.4 海上风力发电场的现状
  • 1.5 本文主要研究内容
  • 第2章 浮式垂直轴风机的总体概念与参数设计
  • 2.1 浮式垂直轴风力发电机组的独特优势
  • 2.2 海上风机设计目标
  • 2.3 结构选型
  • 2.3.1 叶轮形式
  • 2.3.2 叶片形式
  • 2.3.3 塔架
  • 2.3.4 撑杆
  • 2.3.5 浮体形式
  • 2.3.6 拉索
  • 2.4 风机参数和工况
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 风机气动载荷
  • 3.1 风机叶轮的运动与受力
  • 3.1.1 风机叶轮的运动
  • 3.1.2 叶素理论
  • 3.1.3 叶片受力
  • 3.2 流管模型
  • 3.2.1 贝茨（Betz）理论（动量定理）
  • 3.2.2 单盘面-多流管模型（SDMT）
  • 3.3 设计风机计算
  • 3.3.1 额定转速和静止状态下叶片切向力
  • 3.3.2 额定转速和静止状态下叶片法向力
  • 3.3.3 单叶片受力分析
  • 3.3.4 整机叶轮受力分析
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 拉索动力特性和强度计算
  • 4.1 拉索静力模型
  • 4.2 拉索所受载荷
  • 4.3 拉索参数
  • 4.4 拉索自由振动
  • 4.4.1 拉索平面外振动
  • 4.4.2 拉索平面内振动
  • 4.4.3 拉索弦向振动
  • 4.5 拉索风载荷
  • 4.6 拉索方程式
  • 4.6.1 拉索的非线性刚度方程
  • 4.6.2 拉索节点水平载荷
  • 4.6.3 三方拉索计算
  • 4.7 拉索刚度计算
  • 4.7.1 拉索弹性静力刚度
  • 4.7.2 拉索弹性动力刚度
  • 4.8 本章小结
  • 第5章 结构强度分析
  • 5.1 风机结构强度分析
  • 5.1.1 叶片在重力作用下的受力分析
  • 5.1.2 叶片在极限风速下的受力情况
  • 5.1.3 塔架在极限风速下的受力情况
  • 5.1.4 重力作用下的转子系统受力分析
  • 5.1.5 转子系统在额定转速下的惯性力作用
  • 5.1.6 风机转子系统在安装过程中的倾斜受力
  • 5.1.7 拉索立柱设计
  • 5.2 塔架的屈曲
  • 5.3 本章小结
  • 第6章 风机模态分析
  • 6.1 固有模态分析
  • 6.1.1 动力学系统方程
  • 6.1.2 特征值问题
  • 6.2 模态分析结果
  • 6.2.1 叶片模态分析
  • 6.2.2 转子系统模态分析
  • 6.3 振动动力特性
  • 6.4 本章小结
  • 第7章 浮式风机水动力和锚泊系统
  • 7.1 势流理论
  • 7.1.1 速度势的求解
  • 7.1.2 速度势的分解与定解条件
  • 7.1.3 一阶水动力
  • 7.1.4 一阶运动响应
  • 7.1.5 二阶定常力
  • 7.2 浮式风机主要参数
  • 7.3 浮式风机的水动力计算
  • 7.3.1 附加质量和阻尼系数
  • 7.3.2 浮式风机的一阶波浪力和一阶运动响应
  • 7.3.3 浮式风机的二阶波浪力
  • 7.4 锚泊系统设计分析
  • 7.4.1 锚泊系统的布置
  • 7.4.2 锚泊系统的力学分析
  • 7.4.3 浮体运动模型
  • 7.4.4 锚泊浮体运动模型
  • 7.4.5 锚链浮体系统耦合分析方法
  • 7.4.6 环境参数
  • 7.4.7 单风机模块计算结果分析
  • 7.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢

    • 相关论文文献

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    • [2].海上漂浮式风机发展调研及分析[J]. 水电与新能源 2020(01)
    • [3].风浪不共线对浮式风机基础动态特性影响研究[J]. 振动与冲击 2020(13)
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