深海浮式风机支撑结构的初步设计和关键技术研究--本科毕设论文.doc

深 海 浮 式 风 机 支 撑 结 构 关 键 技 术 研 究

学校代码： 10289 分类号： P751

密 级： 公开

0 号：102010007

0 苏 科 技 大 学

0 士 学 位 论 文

深海浮式风机支撑结构的初步设计

和关键技术研究

朱 红 娟

江 苏 科 技 大 学


研 究 生 姓 名

导 师 姓 名

申请学位类别 工学硕士

学位授予单位
江 苏 科 技 大 学

学 科 专 业 船舶与海洋结构物

论文提交日期
2012 年 12 月 28 日

设计制造

研 究 方 向 船舶与海洋结构物

论文答辩日期
2012 年 3 月 16
日

结构性能

答辩委员会主席

评 阅 人

尹 群 张 健

2013 年 3 月 15 日

分类号： P751

0 级： 公开

学 号： 102010007

工学硕士学位论文

深海浮式风机支撑结构的初步设计

和关键技术研究

学生姓名 朱红娟

指导教师 李良碧 副教授

江苏科技大学 二 O 一二年十二月

A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Engineering

Initial Design and Key Technology of Support Structure of

Deep-sea Floating Wind Turbine

Submitted by

Zhu Hongjuan

Supervised by

Professor Li Liangbi

Jiangsu University of Science and Technology

March, 2013

江苏科技大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

年 月 日

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本学位论文属于：

(1)保密□，在 年解密后适用本授权书。

(2)不保密□。

学位论文作者签名： 指导教师签名：

年 月 日 年 月 日

摘要

0 要

深海蕴含丰富的风能，海上风力发电为人类提供了大量可再生清洁能源。目前，

海上风电从浅海的桩柱型向深海的浮式发展是必然趋势。深海的漂浮式风电已成为国

外研究的热点领域，但在我国尚处于起步阶段。对海上浮式风力发电机而言，浮式支

撑结构比较重要，但由于缺乏成熟的设计标准和分析软件，国内的研究大多停留在近

海区域的传统固定结构形式。因此，急需开展深海浮式风机支撑结构关键技术研究。

本文参照 IEC 风机相关设计规范，采用风机正向设计专业解决软件 SAMCEF for

Wind Turbine，首先对安装在 Stevenson 地区某海域的浮式风机支撑结构进行初步概

念设计；然后建立深海浮式风机一体化柔性多体动力学有限元仿真模型，基于空气动

力学叶素理论和 Morison 波浪理论对风，浪联合作用下深海浮式风机支撑结构的关键

技术进行研究。本文重点研究内容及相关结论如下：

（1）基于风力发电机组设计标准 IEC61400-1 中规定的风况和海上风力发电机组

设计标准 IEC61400-3 规定的海洋环境载荷，对风机设计的环境载荷标准和环境载荷

工况进行选取；然后对三浮筒浮式风机的支撑结构进行初步概念设计，并给出了其设

计要点。

（2）经过计算和分析，三浮筒浮式风机支撑结构在 IEC 典型标准工况下，即在 正常工作状态和 50 年一遇的风浪极端载荷条件下能保持稳定不倾覆和安全正常地进 行发电工作；并且风机浮式支撑关键结构的强度符合要求，锚链设计也符合相关规范 要求。

（3）通过比较浮式风机在正常工作状态下和在 50 年一遇、风机停机状态下的计 算结果可知：浮式风机在正常工作状态下的整体位移和关键节点应力均高于 50 年一 遇、风机停机时的状态。以上结果可以说明风载荷对风机支撑结构在正常工作状态时 的影响是非常重要的，在浮式风力发电机的设计计算中是不能忽视的。

（4）通过分析三浮筒浮式风机发电功率曲线可知：风速在达到额定风速之前，风 速增大时，浮式风力发电机的发电功率大幅地增加；当风速达到额定风速之后风速继

续增大，则对发电功率的影响并不明显。

（5）由海上浮式风机动态特性分析可知：平台低阶振型主要表现为整体振动形式， 三浮筒浮式风机结构能够有效避开海洋频区对结构造成的不利影响；高阶振型表现为 局部振动；塔架主要表现为摆动，上下振动，风机塔架自振频率和风机叶片旋转频率 不会产生共振。

（6）三浮筒浮式风机在风速一定的条件下，波高的增大对平台的稳定性有较大的

影响。在浮式风机选址时应选择着重考虑波浪对结构的影响；在波高一定的条件下，

I

江苏科技大学硕士学位论文

在浮式风机正常工作的风速范围内，随着风速的增大，发电功率增大；当风速超过额

定风速时，在正常运转范围内风速的增大对平台的影响不是很大。

关键词：浮式风机；支撑结构；强度；稳定性；动态特性

II

Abstract

Abstract

Offshore wind generation in the deep sea provides rich renewable clean energy. Now it is inevitable that offshore wind turbine develops from shallow pile style to deep floating style, and it has become the focus field in foreign countries, but it is still at the initial stage in our country. Floating support structure is very important for floating offshore wind turbine, but many domestic researches remain at traditional fixed structure style of coastal water due to lack of mature design standard and analysis software. Therefore, it’s necessary to promote the research of key technology about the support structure of floating offshore wind turbine.

Firstly, according to IEC design specification related to wind turbine, a preliminary concept design of the support structure of floating wind turbine in sea area of Stevenson was conducted with the professional design software SAMCEF for Wind Turbine. Then, the integrated flexible multi-body dynamics finite element simulation model of floating offshore wind turbine was built. Based on the aerodynamic blade element theory and Morison wave theory, the key technology about the support structure of floating offshore wind turbine under wind and waves was researched. Key research contents and relevant conclusions in this paper are as follows:

(1) According to wind conditions of wind turbine design requirements IEC61400-1 and marine environment loads of design requirements for offshore wind turbines IEC61400-3, the environmental loads standards and the environmental load cases were chosen. Then a preliminary concept design of the support structure of three pontoons floating wind turbine was conducted and the design points were provided;

(2) The support structure of the three pontoons floating wind turbine could keep stable without overturning and generating safety under IEC typical standard conditions (normal operating conditions and extreme wind and waves load of a return period of 50 years with stop working) are obtained through calculation and analysis. The strength of the support key structure of floating wind turbine meets the requirements and chain design also satisfied correlative criterion requirements;

(3) It is known that the overall displacement and the key point stress of floating wind turbine under normal operating conditions are both higher than that of under extreme wind and waves load of a return period of 50 years with stop working. These results suggest that the influence of wind loads to support structure of wind

III

江苏科技大学硕士学位论文

turbine under normal operating conditions is very important, which couldn’t be ignored for the design of floating wind turbine.

(4) The generator power curves of three pontoons floating wind turbine reveals that the generator power of the floating wind turbine would increase substantially with the increment of the wind speed before wind speed to rated rotor speed, and the influence of wind speed increased to generator power is not obvious after the wind speed reach to the rated wind speed.

(5) Through the analysis of dynamic characteristics of the offshore floating wind turbine, it is shown that the low order type of vibration are the overall vibration. Meanwhile, the three buoy floating wind turbine structure could avoid marine frequency effectively. The higher modes shows local vibration, and the tower vibration shows swing, up and down; Moreover, natural frequency of tower and rotation frequency of blades do not produce resonance.

(6) Under certain wind speed, the wave height of the three buoy floating wind turbine has great influence on the structure’s stability, so it should focus on the wave height; Under certain wave height and during the range of work wind speed, power increases with the increase of wind speed. When the wind speed exceeds the rated wind speed , wind speed don’t has great influence on the platform.

Key words: floating wind turbine;support structure;strength;stability;dynamic characteristics.

IV

目录

目 录

摘 要
........................................................................................................................
I
Abstract ....................................................................................................................
III
第一章 ...........................................................................................................绪论
1
1.1
海上浮式风机支撑结构研究背景及意义 .........................................................
1
1.2
深海浮式风机支撑结构研究现状 .....................................................................
2
1.2.1........................................................................................................国外研究现状
2
1.2.2........................................................................................................国内研究现状
6
1.3
本文主要研究工作和创新点 ............................................................................
9
1.3.1...............................................................................................................
主要工作
9
1.3.2..................................................................................................................
创新点
10
第二章...................................................深海浮式风机支撑结构研究理论基础
11
2.1
深海浮式风机支撑结构环境载荷基础理论 ...................................................
11
2.1.1..................................................................................................空气动力学理论
11
2.1.2............................................................................................
波浪载荷计算理论
14
2.1.3.............................................................................................................
运动方程
14
2.2
基于..............................................................................IEC规范的环境载荷
15
2.2.1......................................................................................................................
风况
16
2.2.2.............................................................................................................
海洋条件
24
2.2.3......................................................................................................其他环境条件
26
2.3
小结 ..................................................................................................................
26
第三章...........................................................浮式风机支撑结构初步概念设计
27
3.1
概述 ...................................................................................................................
27
3.2
面向风机正向设计的........................SAMCEFforWindTurbine软件介绍
27
3.3
设计标准 ...........................................................................................................
29
3.4
环境载荷的确定 ...............................................................................................
29
3.5
浮式风机设计参数 ...........................................................................................
31
3.5.1.........................................................................................................
风力发电机
31
3.5.2................................................................................塔架结构形式和设计要点
33
3.5.3..........................................................海上风机支撑结构的形式和设计要点
34
3.6
小结 ...................................................................................................................
41
第四章.............................................深海浮式风机支撑结构的关键技术研究
42

V

江苏科技大学硕士论文

4.1
面向风机正向设计软件 S4WT 有限元建模特点 ..........................................
42
4.1.1
风机整机模型的构成和建立 ...........................................................................
42
4.1.2
风机整机模型连接建模特点 ...........................................................................
42
4.1.3
风机叶片建模特点 ............................................................................................
43
4.1.4
海上模块的建模特点 ........................................................................................
44
4.1.5
控制系统建模 .....................................................................................................
44
4.1.6
集成认证需要的多种标准工况 ......................................................................
45
4.1.7
基于有限元方法的柔性多体动力学 ..............................................................
45
4.1.8
多体动力学问题中的超单元 ...........................................................................
47
4.2
深海风机浮式支撑结构整体有限元模型的建立 ...........................................
47
4.3
正常工作状态下浮式风机支撑结构的关键技术分析 ...................................
50
4.3.1
环境载荷的输入 ................................................................................................
52
4.3.2
浮式风机整体位移分析 ...................................................................................
53
4.3.3 浮式风机稳定性初步分析 ................................................................................
55
4.3.4 整体结构关键部位结构强度初步分析 ..........................................................
56
4.3.5 锚链强度初步分析 .............................................................................................
58
4.3.6 发电功率 ...............................................................................................................
59
4.4
50 年一遇海洋环境载荷下浮式风机支撑结构的关键技术分析 ..................
60
4.4.1 环境载荷的输入..................................................................................................
60
4.4.2 浮式风机整体位移分析 ....................................................................................
60
4.4.3 浮式风机稳定性初步分析 ................................................................................
61
4.4.4 整体强度初步分析 .............................................................................................
61
4.4.5 锚链强度初步分析 .............................................................................................
63
4.5
浮式风机工作和停机状态的对比 ..................................................................
64
4.6
本章小结 ...........................................................................................................
64
第五章 海上浮式风机动态特性分析 ...................................................................
65
5.1
概述 ...................................................................................................................
65
5.2
海上浮式风机整体有限元模态分析 ...............................................................
65
5.2.1 模态分析有限元基本理论 ................................................................................
65
5.2.2 共振分析 ...............................................................................................................
66
5.3
风和波浪载荷对海上浮式平台的影响 ..................................................................
70
5.3.1 海上浮式平台相同风速不同波高环境载荷条件 .........................................
71
5.3.2 海上浮式平台相同波高不同风速环境载荷条件 .........................................
74
5.4 本章小结 ..........................................................................................................
77

VI

目录

第六章 总结和展望 78

6.1 本文总结 78

6.2 研究工作展望 79

参考文献 80

攻读硕士学位期间所发表的学术论文 84

致 谢 85

VII

江苏科技大学硕士论文

VIII

Contents

Contents

Abstract I

Abstract III

Chapter 1 Exordium 1

1.1 Research background and significance of floating platform 1

1.2 The present situation of deep-sea offshore wind turbine 2

1.2.1