SPAR型漂浮式海上风力发电机结构动力学分析及其新型减振装置概念设计

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随着海上风电产业的不断发展,风电市场不断向深远海域扩展。在深海区域,漂浮式基础结构平台是当前的主要结构形式,其中SPAR型基础平台的研究和应用较为广泛。漂浮式基础平台由于其自身结构的不稳定,导致在实际工况环境下结构会有较大的振动响应,而如何为结构减振成为研究的重点。(1)本文主要工作内容是:1)以日本京都大学Utsunomiya团队试验数据为基础,运用ABAQUS结构分析软件建立SPAR型漂浮式风力发电机1:10缩尺比例仿真模型,并进行时域分析和频域分析,验证仿真模型的真实性和可靠性。2)建立1:1全尺寸仿真模型,对仿真模型进行频域分析和自振特性分析,然后分别分析风荷载和波浪荷载变化对结构振动响应的影响规律。3)针对风荷载和波浪荷载变化对结构振动响应影响的分析结果,为SPAR型漂浮式风力发电机设计一种减振装置,即在漂浮式风力发电机的SPAR型基础平台外围加装一个形状为正八棱柱的桁架结构减振装置,该减振装置在顶端和底端分别用四组弹簧阻尼器与SPAR型基础平台连接,达到结构减振效果(主要抑制结构的横摇和纵摇)。并通过对减振装置的参数分析,得出减振装置各项参数对结构减振的影响规律。(2)减振装置概念设计的主要结论有:1)对于在SPAR型基础平台外围安装柱状桁架结构减振装置的设计,减振装置宜采用正多边形棱柱的结构形式。为了使得SPAR型基础平台具有足够的抗扭转回复能力,同时具有良好的工程经济效益,本文采用正八棱柱桁架的减振装置结构形式。2)对于减振装置的整体质量,宜控制在SPAR型基础平台总质量的10%~30%。在此质量区间内,减振装置对抑制SPAR型基础平台横摇和纵摇具有良好的效果,同时,不会造成结构横荡和纵荡响应幅值的显著增加。3)对于减振装置的直径D,随着减振装置直径D增大,结构的横摇和纵摇响应峰值呈现先减小,而后增加的规律性变化。分析认为,桁架结构直径较小时,SPAR型平台与减振装置相对运动幅度差值较小,弹簧阻尼器作用难以发挥,减振装置抑制结构摇晃的作用不明显,而随着减振装置直径D的增大,SPAR型平台与减振装置相对运动幅度差值较大,弹簧阻尼器作用显现,减振装置抑制结构摇晃的作用突显,而随着减振装置直径D的进一步增加,减振装置对SPAR型平台的约束作用减弱,抑制结构摇晃的作用也随之减弱。4)对于减振装置的弹簧刚度K,结构的横摇和纵摇响应随着弹簧刚度K的增大,呈现先减小再增大的规律。分析认为:当K过小时,SPAR型平台和减振装置之间的传递力太小,此时风力机基础平台受荷载作用倾斜时,它们之间传递的力过小不足以抵消风力机平台的倾覆力,所以会出现响应较大的情况。当弹簧刚度K取值过大时,风力机基础平台与减振装置之间的相对运动太小,实际工况下接近于将风力机基础平台与减振装置之间固接,弹簧阻尼器难以发挥耗能的作用,所以此时结构响应也会加大。5)对于减振装置的阻尼系数c,结构的横摇和纵摇响应随着阻尼系数c的增大,呈现先减小再增大的规律。分析认为:当阻尼系数(8(8取值太小时,风力机基础平台与减振装置之间相对运动耗能功率太小;当阻尼系数(8(8取值太大时,风力机基础平台与减振装置之间相对运动较小,不能很好的发挥阻尼器耗能的作用。本文所述加装弹簧阻尼器的正八棱柱桁架结构减振装置,对抑制SPAR型漂浮式风力发电机的结构振动响应(主要指横摇和纵摇)效果显著。
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