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10MW单桩式海上风机振动及疲劳损伤分析.pdf

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10MW单桩式海上风机振动及疲劳损伤分析

摘要

风力发电是目前清洁可再生能源发展的主力军,是我国实现“碳达峰、碳中和”目

标的重要途径。随着陆上风电的开发利用趋于饱和,海上风能资源开发利用逐渐成为

焦点。为了更加经济高效的利用海上风能,海上风电机组容量逐步扩大,风电机组的

安全性问题也日益凸显,在风、浪、流荷载耦合作用下,风机振动问题更加突出,加

剧了结构疲劳损伤,影响机组发电效率。因此,针对海上风机开展振动和疲劳损伤研

究具有重要意义。

论文以10MW单桩式海上风机为对象,结合美国再生能源实验室(NREL)的

ROSCO(ReferenceOpen-SourceController)伺服控制系统变速-变桨策略,建立风-浪-

流-机舱-转子-塔架结构的全耦合模型,对启动、正常运行、制动和停机状态下的风机

开展结构动力响应分析和疲劳损伤分析,提出抑振减载方案,并评价减振效果。论文

主要内容包括:

(1)考虑风浪流作用的海上风机环境荷载分析:采用Kaimal风谱模型、叶素动

量理论和广义动态尾迹理论计算风机转子所受到的气动载荷,生成数值模拟所需的全

时域湍流风场,通过北海波浪计划中的JONSWAP波浪谱模型、海流模型和莫里森方

程计算单桩支撑结构的水动力荷载,生成所需的不规则波。

(2)10MW单桩式海上风机-基础整体建模及模态分析:建立了风-浪-流-机舱转

子(RNA)耦合的10MW单桩式海上风机分析模型,并对塔顶前后(F-A)方向进行

自由衰减,得出多体动力学模型的固有频率。通过与ABAQUS软件计算结果进行对比

分析,验证模型的有效性。

(3)考虑RNA运行的风机振动特性及疲劳损伤分析:针对建立的风-浪-流-RNA

耦合的10MW单桩式海上风机分析模型,结合风机伺服控制系统的变速-变桨控制策略,

分析了塔筒顶部位移、叶尖位移的动力响应,确定出风机运行过程中叶片与塔架的最

小净空距离,探究风浪流荷载及RNA运行耦合作用下,不同环境荷载、不同工作状态

下风机关键位置的振动响应特征。联合Mlife开展塔架不同高度及不同角度下的疲劳损

伤研究,计算风机塔架在设计年限内的总疲劳值,探究不同环境荷载、不同工作状态

对风机疲劳损伤的影响。

4)基于TMD和TLCD的风机振动控制及疲劳抑制:考虑风机振动主要受到一

阶模态的影响,通过自由衰减法和公式法分别计算TMD和TLCD的最优参数,包括质

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

量比、频率比和阻尼比。计算在不同环境荷载下和不同工作状态下TMD和TLCD对风

机振动和疲劳损伤的抑制效果。探究环境荷载和不同工作状态对TMD和TLCD抑振减

载效果的影响。对比自由衰减法和公式法的抑制效果,得到适宜的阻尼器参数确定方

法。

关键词:单桩式风机;动力响应;振动控制;疲劳损伤;

10MW单桩式海上风机振动及疲劳损伤分析

Abstract

Windpowergenerationiscurrentlythemainforcedrivingthedevelopmentofclean

renewableenergyandisanimportantapproachforChinatoachieveitsgoalsofpeakcarbon

dioxideemissionsandcarbonneutrality.Withonshorewindpowerdevelopmentreaching

saturation,offshorewindenergyresourceutilizationisincreasinglygainingattention.Inorder

tomoreeconomicallyandefficientlyutilizeoffshorewindenergy,thecapacityofoffshore

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