漂浮式风力机平台结构设计和模态研究

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1、漂浮式风力机平台结构设计和模态研究摘要：风力机发展趋势使深海漂浮式风力机有着广阔发展前景.分析了漂浮式多浮柱平台的稳定机理，根据美国可再生能源实验室5丽风力机模型，提出了平面对称结构浮柱平台设计思路，同时初步建立了深海多浮柱平台三维有限元模型.结合机械振动理论，采用有限元计算软件对三浮柱、四浮柱以及六浮柱平台模型进行模态分析，为进一步开展漂浮式平台的优化设计提供了一定参考依据.关键词：深海漂浮式风力机；多浮柱平台；模态分析分类号：TK83文献标志码：AStructuredesignandmodalanalysisofplatformsforfloatingwin

2、dturbinesNIEJia-bin,LIChun,GAOWei,GAOYue-wen(SchoolofEnergyandPowerEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093，China)Abstract：Withtherapiddevelopmentofwindpowerutilization,deep-sea.floatingwindturbineswillhaveapromisingfuture.Inthispaper,differentkindsofoce

3、anfloatingstructureswerecomparedinordertofindtheappropriateplatformforfloatingwindturbines.Basedonthe5MWwindturbinemodelthatpresentedbytheU.S.NationalRenewableEnergyLaboratory(NREL),designideasformulti-floaterplatformswereproposedandanalyzed.Combiningthetheoryofmechanicalvibration,th

4、emodelanalysisofthedesignedplatformswascarriedoutusingthefinite-elementsimulationsoftware,whichprovidesareferencetooptimumdesignoffloatingplatforms.Keywords：deep-seafloatingwindturbine；multi-floaterplatform；modalanalysis海上风电场建设是风力发电技术的最新方向，但按照目前近海风电场所采用的各种固定于海底的贯穿桩结构的传统方法，整个风力机基础的成本将

5、随着海水深度增加而急剧上升，使深海风电场建设在经济上变得不可行，而将风力机安装在漂浮式平台是解决这一问题的有效途径.因此，未来风电场建设的必然趋势是由陆向海、由浅到深、由固定基础向漂浮式平台[1].本文结合水动力学相关知识，提出了应用于深海风力机发电的漂浮式平台，平台形式主要包括三浮柱、四浮柱以及六浮柱.对漂浮式平台的模态分析旨在验证其主振频率是否会与海水或是风力机其它构件发生共振.1漂浮式平台结构设计漂浮式平台结构已应用在深海石油开采领域，形成较为成熟的设计理论与实际应用.它们通常有较大甲板面积以供石油钻井平台操作需要，同时平台拥有较好的动态性能，这是因为对于

6、相应的频率，海波作用在平台不同部位的力能够相互抵消［2］.适合风力机的漂浮式平台按结构主要分为驳船平台、浮柱平台以及张力腿平台（TLP）［3］、浮柱平台.典型代表为欧洲荷兰Tri-Floater平台以及美国的windfloater平台.几种平台的示意如图1所示.浮柱平台通过改变质心（CG）与浮心（CB）间相对位置关系得到平台稳定性，这是本文漂浮式平台设计的基本原理通常，浮柱平台结构简单，可简化为半径较大且吃水较深的简单圆柱，通过压舱物降低质心位置，以获取复原力矩迗到足够的水动力稳定性.2009年，美国可再生能源国家实验室（NationalRenewableEne

7、rgyLaboratory,NREL）给出了5MW离岸式风力机的具体设计参数［4］，并以此作为其研究海上风力机的基础模型.该风力机设计及性能参数如表1所示.当风速为11.4m•s-1时，风力机的最大推力可达800kN,因此，在平台设计中必须应考虑风力机具有足够的复原力矩以防止倾覆.物体在静水面上运动时，流体作用在物体上的反作用力可以分为由流体静力引起的复原力以及物体与流体相互干扰引起的流体动力两部分.运用图2所示坐标系求得这些力，中：nj表示不同模态的运动，其中下标j表示三个平动以及三个转动模态的序号；Z轴向上为正并通过物体重心，坐标原点在静水平面.流体静力引起

8、的复原力与物体位移引起的