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13.2 MW半潜浮式风力机性能仿真分析
Simulation Analysis of 13.2 MW Semi-Submersible Floating Wind Turbine Performance
DOI: 10.12677/JSTA.2023.111011, PDF, HTML, XML, 下载: 20  浏览: 72  国家自然科学基金支持

Abstract: The computational model of SNL-13.2 MW semi-submersible floating wind turbine published by Sandia National Laboratories is used as the object of study, and the fully coupled “aero-hydro- servo-elasto” time domain simulation of the floating wind turbine is carried out by Openfast software. And the motion characteristics of the wind turbine system under normal, extreme and fault conditions were studied and compared with those of a 10MW wind turbine under the same conditions. It is found that the surge, pitch, and heave of SNL 13.2 MW semi-submersible wind turbine system are minor under the normal operating conditions of turbulent wind irregular waves, and the difference be-tween the motion response of SNL 13.2 MW semi-submersible wind turbine system and that of 10 MW wind turbine under the same operating conditions is minor; the wind turbine system can achieve a new equilibrium when the mooring system of the wind turbine fails under the extreme operating conditions, which basically meets the specification requirements for normal and safe operation of the wind turbine.

1. 引言

2. 计算理论

2.1. 风机运动方程

$\underset{i=1}{\overset{6}{\sum }}\left({M}_{ij}+{M}_{ij}\left(\infty \right)\cdot {{x}^{″}}_{j}\left(t\right)+{\int }_{0}^{t}D\left(t-\tau \right)\cdot {{x}^{\prime }}_{j}\left(t\right)\text{d}\tau +{R}_{ij}\cdot {x}_{j}\left(t\right)\right)={F}_{A}^{j}+{F}_{H}^{j}+{F}_{M}^{j}$ (1)

2.2. 气动理论

Figure 1. Velocity triangle and force analysis of blade element section

$\text{d}T=4\pi r\cdot \rho {U}_{\infty }^{2}\left(1-a\right)a\text{d}r$ (2)

$\text{d}Q=4\pi {r}^{3}\cdot \rho {U}_{\infty }\Omega \left(1-a\right){a}^{\prime }\text{d}r$ (3)

2.3. 水动理论

${\nabla }^{2}\Phi =0$ (4)

${\left(\frac{\partial \Phi }{\partial z}-\frac{1}{g}\frac{\partial \Phi }{\partial {t}^{2}}\right)|}_{z=0}=0$ (5)

${\frac{\partial \Phi }{\partial z}|}_{z=-d}=0$ (6)

${\frac{\partial \Phi }{\partial n}|}_{S\left(x,y,z\right)=0}=0$ (7)

$\underset{r\to \infty }{\mathrm{lim}}\sqrt{r}\left(\frac{\partial \Phi }{\partial t}+c\frac{\partial \Phi }{\partial r}\right)=0$ (8)

(a) Turbsim模块生成的湍流风示意图 (b) 风场网格分布图

Figure 2. Visualization of turbulent wind models and wind field meshing

3. 半潜浮式风力机模型参数

Figure 3. SNL13.2 MW semi-submersible floating wind tur-bine diagram

3.1. 风力机模型参数

SNL-13.2 MW半潜式浮式风力机的塔架采用改进后的NREL 5 MW风力机的塔架，风轮叶片则采用桑迪亚国家实验室开发的100 m级叶片SNL100-02 [14] 。风轮与轮毂直径分别为205 m、5 m；轮毂中心高度为133.5 m；额定风速为11.3 m/s；风轮、塔架的质量分别为422,131 kg、1,452,131 kg，详细的参数请参考文献 [13] 。

13.2 MW风机的平台是通过比例放大OC4平台 [15] 得到，由一根连接着塔架的主柱与三根与浮筒相连的偏移柱组成，主柱与偏移柱通过5套铁架组连接，每个偏移柱从SWL上方开始，然后继续在水下延伸。在三个偏移柱的底部是一个直径较大的圆柱体即基柱，该结构有助于抑制垂荡运动。平台的具体参数见表1

Table 1. SNL13.2 MW wind turbine platform parameters

(a) 系泊系统布置局部示意图 (b) 系泊系统布置整体示意图

Figure 4. Mooring system arrangement schematic

3.2. 计算工况

Table 2. Environmental parameters under different operating conditions

4. 仿真结果与分析

4.1. 平台水动力分析

4.1.1. 幅值响应算子

Figure 5. Response amplitude operator of platform

4.1.2. 自由衰减曲线与固有频率

Figure 6. Degrees-of-freedom free decay curves of wind turbines and their natural frequencies

4.2. 风机动态特性分析

4.2.1. 风机运动响应时域分析与频域分析

Figure 7. Time domain dynamic response of the wind turbine under different operating conditions

Table 3. System resulting data of standard experiments

Figure 8. Power spectral density of 13.2 MW wind turbine system under different sea conditions

4.2.2. 故障情况下风机运动响应的时域分析

Figure 9. Time domain motion response of wind turbine in surge, heave and pitch

4.3. 13.2 MW风机与10 MW风机动态特性对比

5. 结论

1) SNL 13.2 MW半潜浮式风机平台在湍流风作用的正常运行工况下，纵荡、纵摇、垂荡的响应幅值较小，处于合理范围内，满足风机正常安全工作的规范要求；极限工况下，由于变桨作用，风机在纵摇、纵荡方向运动幅值小于额定工况下的幅值，在垂荡方向幅值显著大于额定工况，但在较深水域仍满足安全工作规范要求。

2) SNL 13.2 MW半潜浮式风机平台极限工况下，单条系泊线断裂时，能实现新的平衡。在纵荡上，1号或2号系泊缆断裂后，在剩余系泊缆张力的影响下，风机在纵荡方向产生较大的位移，但最终能达到新平衡位置。

3) 正常工况下，13.2 MW风机与10 MW风机在纵荡、纵摇、垂荡方向上的动态响应差异较小。前者的低频的纵摇幅值要显著高于后者的低频纵摇幅值，验证了文献 [6] 观点：浮式海上风力机大型化后，风荷载对风力机系统运动的低频激励作用更突出。

1) 国家自然科学基金委员会，青年项目，61803325，基于光纤检测系统的运营期海上风电叶片多区域损伤定位机理研究，2019-01至2021-12，25万元，在研，主持。

2) 江苏省应急管理厅，研发示范类项目，YJGL-YF-2020-13，基于光纤检测的边坡在线检测系统优化构建及其云图预测机制研究，2021-01至2022-12，20万元，在研，主持。

3) 教育部科技发展中心，新一代信息技术创新项目，2019ITA01024，大数据背景下鱼类产品可溯源管理平台研发，2020-09至2021-09，2万元，在研，主持。

4) 江苏省科学技术厅，产学研合作项目，BY2020621，电流温度型保护器自动生产系统研发，2020-01至2021-12，50万元，在研，主持。

5) 江苏省人力资源和社会保障厅，“六大人才高峰”高层次人才项目，XYDXX-103，光纤Bragg光栅边坡传感监测系统优化构建研究及其云图预测机制研究，2019-07至2022-06，4万元，在研，主持。

6) 江苏省自然科学厅，江苏省自然科学基金项目，BK20181049，基于光纤检测系统的运营期海上风电叶片多区域损伤定位机理研究，2018-07至2021-06，20万元，在研，主持。

7) 江苏省教育厅，自然基金面上项目，18KJB510046，基于光纤检测系统的运营期海上风电叶片多区域损伤定位机理研究，2018-07至2020-06，5万元，结题，主持。

8) 校企合作，横向项目，电流温度型保护器自动生产系统研发，50万元，2020-04至2022-04，50万元，在研，主持。

9) 校企合作，横向项目，日照市入河排污(水)口排查野外调查工作及技术服务，21万元，2020-09至2021-11，21万元，在研，主持。

10) 校企合作，横向项目，大数据分析背景下的智慧交通APP研发及优化设计，2020-09至2021-09，100万元，结题，主持。

11) 校企合作，横向项目，YT22-1温度保护器产品开发和生产系统研发，2022-07至2023-07，100万元，在研，主持。

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