海上风力发电机组支撑结构环境载荷及响应预报

摘要

随着世界经济的发展，人们对能源的需求不断增长，能源问题日益突出：一方面，矿物燃料能源为不可再生能源，正日益匮乏，面临枯竭；另一方面，过分开发使用矿物燃料能源会导致一系列环境问题，破坏地球生态，威胁人类的生存。这迫切要求全球进行第三次能源结构调整，从以石油、煤炭、天然气为主的能源系统，转向以可再生能源为基础的可持续发展的能源系统。风能是人类最早利用的能源之一，也是目前最具有竞争力和大规模开发利用前景的可再生能源之一。开发利用风能这样一种洁净无污染的可再生能源，对于改善能源结构，保护生态环境都有着深远的意义。
　　迄今为止，开发、利用风能主要是通过风力发电的形式。随着风电开发技术的日趋成熟，风电机组的单机容量不断增大，风机的尺寸和重量也都大幅度增加，对支撑结构的要求也越来越高。对于单机容量为千瓦级的风电机组，塔筒顶端承载的风轮以及机舱等结构重量不大，风轮以及塔筒本身承载的风载也有限，所以支撑结构的强度、稳定性等要求容易满足。但对于单机容量超过兆瓦级的风电机组，其风轮尺寸大大增加，相应的机组重量和所受载荷也大幅度增加。此外，相比于陆上风电场，海上风电场的工作环境更加复杂。海上风电机组除了考虑陆上风电机组所受的载荷外，还需考虑海流、海浪等的作用。因此，海上风电机组支撑结构的安全问题受到设计者越来越多的关注。
　　目前，对风电机组支撑结构的研究主要都是针对陆上风电机组，对海上风电机组支撑结构的研究相对较少。本文对海上风电机组支撑结构进行简化建模，分析其动力特性。在此基础上，确定海上风电机组的环境载荷，并对其支撑结构在环境载荷作用下的动力响应进行预报。
　　首先，采用经典欧拉-伯努利梁理论对海上风电机组支撑结构进行建模，对塔筒顶端的风轮、机舱等结构和基础与塔筒的连接平台均采用集中质量进行等效的简化处理，而关于基础与土层之间的相互作用，则基于广泛应用的m法，采用线性弹簧来模拟。
　　其次，对海上风电机组支撑结构进行动力特性（固有频率和振型）分析；分别考虑上端结构质量、整个机组重力以及海水对海上风电机组固有频率的影响。
　　再次，确定海上风电机组环境载荷，包括：风轮轴向推力、作用在塔筒上的风载荷以及作用于机组基础部分的海流、海浪载荷。采用基于叶素动量理论的Wilson设计法，通过选择合适的翼型来计算风轮转动时的轴向推力；利用通用风压公式来确定作用在塔筒上的风载荷；应用绕流拖曳力公式来计算海流载荷；采用半经验半理论的Morison公式计算海浪载荷。
　　最后，对海上风电机组支撑结构在环境载荷作用下的结构响应进行分析和预报；比较各环境载荷对支撑结构动力响应的贡献值，同时预报整个支撑结构动力响应的危险部位。
　　本文较全面地考虑了海上风电机组支撑结构的特殊性，所得到的结果可为海上风电机组设计提供参考。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 海上风力发电场介绍

1.3 国内外相关研究进展

1.4 本文主要研究内容

第二章 海上风电机组结构分析数值方法与软件介绍

2.1有限元法的发展概况

2.2有限元法的基本理论

2.3 ANSYS软件介绍

2.4 ANSYS参数化设计语言APDL

2.5 本文采用的ANSYS单元特征

2.6 本章小结

第三章 海上风电机组支撑结构动力特性分析

3.1 海上风电机组支撑结构简化计算模型

3.2 海上风电机组支撑结构数学模型

3.3 海上风电机组支撑结构动力特性分析

3.4 本章小结

第四章 海上风电机组环境载荷

4.1 动量叶素理论

4.2 Wilson设计法

4.3 风载荷

4.4 海流、海浪载荷

4.5 本章小结

第五章 海上风电机组支撑结构响应预报

5.1 支撑结构响应数学模型

5.2 各环境载荷对支撑结构响应贡献分析

5.3 瞬态冲击载荷作用下支撑结构响应预报

5.4 结构阻尼对支撑结构响应影响

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究工作总结与结论

6.2 进一步的研究工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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