风浪流载荷下海上浮式风机耦合振动机理及动力学性能评估

The coupled vibration mechanism of the floating offshore wind turbine (FOWT) under complex wind and wave load, and its dynamic performance evaluation under extreme climate are the key problems in the design stage. Considering the effect of the large motion of the platform, wind and wave mathematical description and calculation methods in the marine environment are researched. Considering the nonlinear factors about the aerodynamic and hydrodynamic loads and the structure mechanics, the accurate modeling approach is proposed to learn the time/frequency response characteristics based on flexible multibody dynamics. The relationship between the dynamic parameters and the response is performed, and the coupled vibration mechanism is research with the effects of aerodynamics, hydrodynamics and structure dynamics. Consequently, the dynamic performance of the FOWT under wind and wave loads can be successfully evaluated. This proposal is helpful to establish dynamic analysis technology for the design of FOWT. The proposed researches can provide theoretical foundation and technology support for FOWT design, manufacture and maintenance, and are of great both academic and applied significance for the healthy development of wind power industry in our country.

海洋环境中风浪流载荷下海上浮式风机的耦合振动机理，及其极端气候下动力学性能预测是其设计与研发阶段亟需解决的关键问题。项目拟研究海洋环境风浪载荷数学描述及计算方法，研究浮式基础的大幅度运动及其对水/气动力学载荷的影响；全面考虑FOWT存在的气动载荷、水动载荷和结构非线性因素，提出准确建立系统柔性多体动力学模型的方法，研究风浪流载荷下系统时/频域动力学响应特性。通过动态特性与动力学参数的关联分析，从全局系统出发揭示海上浮式风机耦合振动的空气动力学、水动力学和结构动力学机理，准确预测风浪流载荷下FOWT的动力学性能，形成风浪流载荷下海上浮式风机耦合振动分析和动力学性能评估技术体系。项目研究将为海上浮式风机的设计、研发与维护提供关键的理论支撑，对推动我国海上风电产业发展具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

针对海洋环境中风浪流载荷及其极端气候对海上浮式风机耦合振动机理复杂、动力学性能难以预测等问题，项目首先建立包括风轮旋转和浮式平台纵荡的二自由度动力学模型，基于该模型，推导风轮推力和输出功率计算式，分析风、波耦合激励特性，并以5 MW DeepCwind半潜式浮式风力机为算例，计算当风向和波向一致时，在多种风、波联合激励下，风轮推力、输出功率及浮式平台纵荡位移、速度及加速度的响应谱，进行频响特性及风、波频耦合特性分析；其次基于凯恩方法和模态叠加法对三叶片水平轴海上浮式风电机组进行了刚柔耦合结构动力学建模和分析，结合气动力载荷模型和水动力载荷模型对所建立的模型进行了风、浪响应计算，主要从输出功率、叶尖及塔顶振动信号的耦合特性两个方面对海、陆风电机组进行了对比；基于叶素－动量理论及其修正方法，以NREL5MW风力机为研究对象，考虑浮式基础运动对叶片不同径向位置处相对入流风速的影响，提出了风载荷的计算模型，通过编程计算获得了叶轮转矩和风力机功率，并比较了不同运动形式对风力机功率波动的影响；最后考虑气动和波浪载荷作用，建立系泊缆索张紧、松弛状态下的风力机运动学方程，缆索的松弛－张紧区域根据阻尼比、频率比和位移比确定。研究结果表明，风轮推力和输出功率的振荡特性主要由风频和波频特性共同决定；动态风和不规则波在DeepCwind半潜式浮式平台纵荡固有频率附近，易于激起纵荡位移共振响应；海上半潜式风电机组相比陆上机组，输出功率波动大，塔顶纵向变形大且有明显的振动，但叶尖面外、叶尖面内、塔顶横向振动基本一致；通过不同波高振动响应对比及振动响应频谱分析，结果表明波高越大，整机耦合程度越高。项目利用2kW小型风电机为研究对象，对2kW小型半潜式及对应陆上风电机进行气-结构-伺服-水全耦合动力学计算。分别对比两种风电机的测试结果与计算结果，以验证本文整机全耦合动力学模型的准确性及计算方法的可靠性。