新型浮式风机系统设计与运动特性研究

作     者：杨宏坤 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：霍发力

授予年度：2022年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：新型浮式风机 势流理论 运动响应 锚链张力 设计波方法 

摘      要：作为一种清洁、新的能源方式,风能已经成为一种新兴的可再生能源。相对于陆上风电,海洋风电具有无可替代的优点,例如:海洋风向变化的频率较低,海上风速一般比陆上高20%,海上风力发电机利用率高等。陆上产能到深海发电的产业演变已成为一种潜在趋势,但要达到具有竞争力的能源成本,海上风电至少需要削减50%的成本。因此,在浮式风电研究进程中,需要创新或改进一些具有高效结构的支撑平台,在减少成本的同时达到使平台适用于大型风机工作的目的。本文根据X1 wind设计的Pivot Buoy新型浮式风机母体构型,结合海域环境特点,对新型浮式风机系泊系统及平台结构进行设计。针对设计海况下,依据三维势流理论并综合考虑风浪流等联合作用,对平台水动力性能进行分析,完成了不同环境参数对浮式风机运动响应及系泊系统的敏感性分析。利用直接计算法对浮式平台的总体结构强度进行强度分析及安全性评估。通过模型试验方法进一步研究了平台运动响应及系泊系统特性,讨论了不同预张力与不同风向对浮式风机运动响应及系泊系统的敏感性,并对数值仿真方法进行了验证。这项研究将对海上新型浮式平台的设计提供一些理论指导与经验,其主要研究内容包括:（1）研究了Pivot Buoy新型浮式风机结构特点,进行了系泊系统的设计和结构设计。确定母体样机测试海域环境条件与顶部风机类型,概述平台总体技术特征,对平台主要构件进行独立分析,确立平台基础参数,并给定上部风机参数以及风速与推力曲线。根据作业环境特点,对新型浮式风机进行系泊系统设计。参考海洋浮式结构物设计方法,进行新型浮式风机平台的结构设计,并划分平台多功能舱室,在舱室完整状态下,对平台进行稳性分析。在此基础上,对平台进行了水动力分析,得到了附加质量、辐射阻尼、运动响应传递函数RAO等。（2）基于势流理论,综合考虑风浪流等联合作用,开展新型浮式风机平台运动特性数值计算与参数敏感性分析。通过衰减试验对平台的固有周期进行计算,修正并验证了有限元模型的可靠性。在典型工况下,对数值模拟与模型试验在包含系泊系统时的运动响应与锚链张力进行对比。分析了锚链动张力特性,通过改变不同环境参数对浮式风机运动响应及系泊系统的敏感性进行分析。（3）基于直接计算法对平台进行结构强度校核,结构强度计算采用有限元分析方法。依据海上浮式平台设计的理论,计算浮式风机平台的风载荷和流载荷,基于线性波浪理论和势流理论计算波浪载荷。将模拟的环境载荷与锚泊载荷加载到平台有限元模型相应位置处,根据分析的设计波,采用直接计算法对浮式风机平台进行强度校核以及局部结构强度分析。（4）通过模型试验方法,进一步研究了新型浮式风机平台运动特性。基于浮式平台相似准则,设计试验模型。建立系泊系统试验布置方案,对极限工况下的平台六自由度运动幅度与锚链张力进行分析。考虑不同预张力与不同风向对平台运动响应与系泊系统的的影响。选择随机波试验工况,进一步分析与比对试验与仿真结果误差。