地震作用下固定式海上风机耦合反应分析及振动控制研究

摘要

随着国家十三五规划的实施和社会发展的能源需求,在未来相当长一段时期内我国海上风电事业将迅猛发展。相对于陆上风电场,海上风电场将面临更为复杂的环境荷载条件,比如波浪荷载、风荷载、海流荷载及海冰荷载等。此外,对于我国部分特定海域,比如渤海湾和东海,近海风电场规划和建设必须考虑地震荷载。
　　目前海上风电设计规范,对于海上风机地震设计工况的定义并不明确。比如IEC规范只是指出了对于海上风机地震工况需要考虑风机不同的运行状态,而对于地震工况下具体的控制策略并没有说明,而国内风机规范对于地震工况大多直接参考陆上风机设计规范或者建筑物抗震设计规范。
　　因此有必要系统开展海上风机地震分析,以指导海上风机结构抗震设计,本文的主要研究内容包括:
　　(1)固定海上风机整体结构动力模型实验
　　基于弹性相似律和佛汝德数相似设计固定式海上风机整体结构动力实验模型,采用牛顿相似律保证原型与模型空气动力荷载中推力荷载相似,开展地震、风及波浪荷载单独和联合作用下的动力模型实验,验证环境荷载耦合效应对于地震作用下结构反应的影响。
　　基于弹性相似律和佛汝德数相似建立水弹性相似律,依据水弹性相似律完成固定式海上风机整体结构动力实验模型设计;依据牛顿相似律对原型风机空气动力荷载的推力荷载进行相似转换得到作用于实验模型的推力荷载,实验中拟采用阻力板来模拟原型风机叶片-轮毂系统。
　　依据相似推力荷载及阻力板几何参数确定实验风速,基于实验风机完成简易风场模拟系统单个风扇选型;简易风场模拟系统设计开发,该系统主要包含造风系统、支撑系统及软件控制系统
　　基于简易风场模拟系统、波流-地震联合模拟系统开展地震、风和波浪荷载单独和联合作用下海上风机结构动力模型实验,研究地震作用下海上风机结构的动力反应特性以及验证环境荷载耦合效应对于地震作用下结构反应的影响。
　　(2)固定式海上风机数值仿真计算
　　基于空气动力学(叶素动量理论)、水动力学(Morison方程)及结构动力学基本理论推导得出地震荷载、空气动力荷载以及波浪荷载联合作用下固定式海上风机整体结构运动方程。
　　基于该耦合运动方程,在现有风浪联合作用下整体耦合计算模型的基础上,开发地震荷载模块,建立地震、风和波浪荷载联合作用下海上风机整体耦合分析模型。基于该模型开展单独地震以及地震组合工况下海上风机动力反应分析,研究地震荷载作用下海上风机动力反应特性以及不同风机运行控制策略(变速变桨、叶尖顺桨、高速传动轴制动)对于地震作用下结构反应的影响。
　　基于风力机空气动力学基本理论(叶素动理论)、水动力学(Morison方程)和结构动力学基本理论建立地震、空气动力荷载以及波浪荷载联合作用下海上风机整体结构耦合运动方程。
　　基于耦合运动方程,在风浪联合作用下整体耦合模型基础上,开发地震荷载模块,建立地震、风和波浪荷载联合作用下海上风机整体耦合分析模型。依据陆上风机地震耦合分析模型进行上述地震荷载模块验证。
　　基于整体耦合模型开展地震作用下海上风机动力反应计算,得出地震作用下海上风机整体结构动力反应特性;进一步基于整体耦合模型开展地震、风以及波浪荷载联合作用下海上风机动力反应计算,验证海上风机控制策略以及环境荷载耦合效应对于地震作用下结构反应的影响。
　　(3)固定式海上风机振动控制研究
　　基于地震荷载作用下海上风机结构动力反应特性提出调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)设计参数,通过海上风机结构反应减小率验证TMD对于海上风机抗震设计的适用性及确定最优TMD设计方案。
　　为了保证海上风机在地震工况下的结构振动控制效果,在海上风机最优TMD设计方案基础上,提出多重质量调谐控制方案(Multiple Tuned Mass Damper,MTMD),并将风机基础倾覆力矩作为控制评价指标进一步确定了单独地震、环境荷载组合及地震组合工况下最优MTMD的通用设计准则。
　　基于MTMD耦合运动方程对现有海上风机振动控制模块进行二次开发,建立海上风机机舱-塔筒-法兰位置MTMD控制模型。
　　依据地震作用下海上风机结构动力特性确定TMD设计参数,开展TMD控制下海上风机地震反应分析,确定地震工况下海上风机最优TMD设计准则;从而基于地震工况下海上风机最优TMD设计准则和地震组合工况下海上风机结构动力特性制定多组MTMD控制方案。
　　开展单独地震、环境荷载组合以及地震组合工况下MTMD控制效果对比研究,并以海上风机基础倾覆力矩控制效果作为评价指标,确定不同荷载条件下最优MTMD设计方案。总结对比不同荷载条件下海上风机最优MTMD设计方案,提出海上风机通用MTMD设计准则。

目录

声明

摘要

1 研究背景及国内外研究综述

1．1 研究背景及研究意义

1．2 国内外海上风机研究综述

1．2．1 海上风机分析方法的演化

1．2．2 海上风机动力反应研究

1．2．3 地震作用下海上风机动力反应分析

1．2．4 海上风机耦合分析中的热点问题

1．2．5 基于整体耦合方法的海上风机数值分析工具

1．3 研究目标及研究方法

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究方法

2 样本风机设计及安全评价

2．1 样本风机设计

2．1．1 NREL 5MW风机基本参数

2．1．2 样本风机环境荷载参数

2．1．3 样本风机基本参数

2．1．4 样本风机桩基参数

2．2 样本风机安全评价

2．2．1 样本风机半整体模型

2．2．2 校核工况

2．2．3 基础结构承载力校核

2．3 基于简化整体模型的样本风机动力特性计算

2．4 本章小结

3 样本风机结构动力模型实验

3．1 实验方案

3．2 相似准则

3．2．1 水弹性相似律

3．2．2 牛顿相似准则

3．3 样本风机动力实验模型设计

3．3．1 支撑结构实验模型设计

3．3．2 桩土相互作用的实验模拟

3．3．3 风机叶片的实验模拟

3．3．4 地震实验设计工况

3．4 实验设备及传感器布置

3．4．1 简易风场模拟系统的开发

3．4．2 波流和地震联合模拟系统

3．4．3 实验模型传感器布置

3．5 模型实验相似准则验证

3．6 实验数据分析

3．6．1 地震荷载单独作用下的结构反应

3．6．2 稳态风场作用下的结构反应

3．6．3 规则波浪和均匀海流作用下的结构反应

3．6．4 地震和风荷载联合作用下结构反应

3．6．5 地震和海况荷载联合作用下结构反应

3．6．6 地震、风和波流荷载联合作用下的结构反应

3．7 本章小结

4 地震作用下海上风机整体耦合分析理论

4．1 空气动力学基本理论

4．1．1 一维动量理论

4．1．2 叶素-动量理论(BEM)

4．1．3 普朗特叶尖损失因子(Prantel Tip Loss Factor)

4．1．4 葛朗沃特修正(Glauert Correction for High Values of a)

4．2 水动力荷载计算模型

4．2．2 势流理论

4．2．3 波浪理论方法对比

4．3 地震荷载计算模型

4．4 空气动力荷载和波浪联合作用下海上风机运动方程

4．5 地震、风和波浪联合作用下海上风机运动方程

4．6 本章小结

5 地震作用下固定式海上风机动力响应

5．1 地震作用下海上风机计算工况

5．1．1 海上风机设计规范规定的地震组合工况

5．1．2 地震波选取

5．1．3 海上风机地震反应分析计算工况

5．2 样本风机整体耦合模型的建立

5．2．1 地震作用下海上风机整体耦合分析模型

5．2．2 地震荷载计算模块验证-地震单独作用

5．2．3 地震荷载计算模块验证-空气动力荷载与地震联合作用

5．3 样本风机整体结构动力特性

5．4 地震作用下样本风机叶尖位移反应

5．5 地震作用下风机塔筒加速度反应

5．6 地震作用下样本风机基础反应

5．7 本章小结

6 地震、风和波浪联合作用下海上风机耦合反应分析

6．1 环境因素计算方法

6．1．1 湍流模型

6．1．2 破浪谱模型

6．2 风和波浪联合作用下海上风机耦合反应分析

6．2．1 风和波浪联合作用下叶尖位移

6．2．2 风和波浪联合作用下样本风机塔筒反应

6．2．3 风和波浪联合作用下样本风机基础反应

6．3 地震、风和波浪联合作用下样本风机整体耦合反应分析

6．3．1 地震组合工况作用下叶尖位移反应

6．3．2 地震组合工况作用下风机塔筒动力反应

6．3．3 地震组合工况下风机基础反应

6．4 侧向地震作用下样本风机反应对比

6．4．1 侧向地震作用下叶尖位移对比

6．4．2 侧向地震作用下塔筒加速度对比

6．4．3 侧向地震作用下基础反应对比

6．5 地震作用下样本风机伺服控制策略初步研究

6．5．1 风机叶片桨矩角和高速传动轴转速

6．5．2 顺桨制动作用下的风机叶片位移

6．5．3 顺桨制动作用下的风机塔筒加速度

6．5．4 顺桨制动作用下的风机基础反应

6．6 各计算工况下样本风机结构反应对比

6．6．1 各工况下样本风机叶尖位移反应对比

6．6．2 各工况下样本风机塔筒加速度对比

6．6．3 各工况下样本风机基础反应对比

6．7 本章小结

7 海上风机TMD控制研究

7．1 TMD耦合运动控制方程

7．2 地震荷载单独作用工况

7．2．1 地震荷载作用下叶尖位移的TMD控制

7．2．2 地震荷载作用下风机塔筒加速度的TMD控制

7．2．3 地震荷载作用下风机基础倾覆力矩的TMD控制

7．2．4 地震荷载作用下样本风机最优TMD控制方案

7．3 空气动力荷载和波浪荷载联合作用工况

7．3．1 环境荷载联合作用工况叶尖位移的TMD控制

7．3．2 环境荷载联合作用工况塔筒加速度的TMD控制

7．3．3 环境荷载联合作用工况风机基础倾覆力矩的TMD控制

7．3．4 环境荷载组合工况下样本风机最优TMD控制方案

7．4 本章小结

8 地震组合工况下海上风机MTMD控制方法

8．1 MTMD耦合运动控制方程

8．2 MTMD设计参数

8．3 单独地震工况MTMD控制

8．3．1 单独地震作用叶尖位移MTMD控制

8．3．2 单独地震作用塔筒加速度MTMD控制

8．3．3 单独地震作用基础倾覆力矩MTMD控制

8．3．4 单独地震作用下最有效控制方案对比

8．4 空气动力荷载与波浪荷载组合工况MTMD控制

8．4．1 环境荷载组合工况叶尖位移MTMD控制

8．4．2 环境荷载组合工况塔筒顶部加速度MTMD控制

8．4．3 环境荷载组合工况基础倾覆力矩MTMD控制

8．4．4 环境荷载组合工况下最有效控制方案对比

8．5 地震组合工况MTMD控制

8．5．1 地震组合工况叶尖位移MTMD控制

8．5．2 地震组合工况塔筒加速度MTMD控制

8．5．3 地震组合工况风机基础倾覆力矩MTMD控制

8．5．4 地震组合工况最有效控制方案对比

8．6 本章小结

9 结论与展望

9．1 结论

9．2 创新点

9．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介