基于swt的漂浮式风机支撑结构运动响应研究

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1、基于SWT的漂浮式风机支撑结构运动响应研究方龙李良碧和，蒋文进J张旗利彳（1•江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003：2•金风科技，北京，830026：3.江苏现代造船技术有限公司，江苏镇江212003；3.LMSChina,北京100101）摘要：清洁能源的广泛应用已越來越受到适视，海上漂浮式风机是获取深海可再生能源的重要设施乙一。本文以深海三浮体漂浮式风力发电机为例，对其支撑结构进行运动响应分析。首先利用海上风力发电机组设计标准IEC规范确定风机在目标海域的工况；然后运用风机正向设计专业软件S4WT考虑风、浪和流联合作用对风机整体结构进行运动响应分析，得出整体结构在实际

2、环境中的运动响应；最后比较了不同环境载荷对结构运动的影响。该文结果可为漂浮式风机设计人员提供借鉴，对工程实践有-•定的指导作用。关键词：海上漂浮式风机；支撑结构；运动响应0引言风能是一种清洁的可再生能源。海上风力资源丰富，比陆地风机发电量更大，而且强风往往出现在离岸较远的深海，因此发展远海区域的海上风机有着更为广阔的空间。而现有的固定式风力机技术被限制在水深30m的近海区域，虽然这一深度有可能增加，但是对于深水区域（＞60m）,固定式风力机己经无法满足经济性要求，因此有必要研发一种适用于深海的漂浮式风力发电机。风电机组支撑结构作为细氏高耸结构,在各种环境载荷联合作用下的动力响应特性对于发

3、电设备的安全运营十分重要。国外对漂浮式风机支撑结构进行运动响应的研究较早。JonE.WitheeUJ捉出了一种全耦合动力分析技术，并应用这种技术在随机风浪坏境中对张力腿平台风机的响应进行了预测，KwangHyunLee⑵提出了两种浮式风机的概念设计，并初步评估了它们在风浪环境中的动力行为。国内对于近海固定式风机的动力响应做了一些研究。陈为飞⑶对固定式风机在风浪联合作用下，塔架的位移及基底内力响应的变化规律进行了讨论，徐建源⑷对固定式风机在风波联合作用下，结构的动力响应和动态特性进行了研究。然而目前国内对漂浮式风机支撑结构的运动响应研究较少，因此冇必要刈•这一课题进行研允。该文同时考虑风浪

4、流联合作用，对海上三浮体式风机支椁结构进行了运动响应分析，得出了风浪流载荷联合作用下风机支撑结构的运动规律。该文结果可为漂浮式风机设计人员提供借鉴，并对工程实践有一定的指导作用。1基于S4WT有限元软件的运动方程S4WT是基于非线性有限元理论模拟柔性多体动力学系统的风机正向设计专业软件，可计算空气动力载荷以及水动力载荷，其优势在于可充分考虑空气动力学、部件柔性、非线性、部件之间、部件与控制系统之间的耦合效应，而且对以模拟风机的动态行为，以及得到风机运行的动态载荷。海上漂浮式风机整体结构在实际环境屮受风、浪、流等环境载荷的联合作用，而且运动过程属于非线性范畴，各构件之间的动力响应是个复杂的

5、过程。基于S4WT软件的非线性有限元法可同时将柔性多体系统、控制系统、气动载荷和水动力载荷联合在一起，在增广Lagrange法及Newmark时间枳分法的背景下，当约束存在时，其增量形式的运动方程可由公式（1）确定⑸。(1)网[0]]+Re][0]l4-〕K]—L—t△可

6、_[0][0]」1U0][0]J_aA_1Ml「△不■J—1«—残余向量定义为：斤丽,初珂严严戶匕产7网昴［肝卩(2)式中：M-质塑与惯性矩阵；C-阻尼矩阵；K-刚度矩阵;2-Lagrange因子向量；0-约束向量;而/而-约束雅克比矩阵;q、cr结构运动的位移向量、速度向量、加速度向量;A-拉普拉斯算子；/（刃，初-

7、内力;—Ext.g-空气动力载荷，包括升力、阻力与变桨力矩;水动力和水静力载荷，包括浮力、莫里森力与浮力恢复力矩。2海上三浮体漂浮式风机结构特征2.1风力发电机主要参数该文风力发电机选择比较成熟的某2MW海上风力机模型，其主要技术指标及参数如表1所示。根据第二章的结构参数建立风力发电机组全耦合一体化结构模型，如图1所示。表12MW风机的主要技术指标及参数Tab」Maintechnicalindicatorsandparametersof2MWWT技术指标参数额定功率/MW2风轮旋转方向顺时针（上风向看）机组类型三叶片、水平轴、上风向风机转子轴倾角/deg0风轮直径/m82轮毂高度/m75

8、额定风轮转速/rmin114.1切入风速/m-s"14切出风速/ms125额定风速/m-s111.92.2支撑结构的基本结构特征塔架采用锥形管式塔架，儿何尺寸为高75m,顶部外直径4m,内直径3.97m,底部外直径5m,内直径4.95mo基础结构采用三浮体结构，吃水20m,水深100m,浮式基础结构的主尺度及参数如表2所示。表2浮体主尺度及参数Tab.2Principaldimensionsandparametersoffloate