丁勤衛(wèi)，　李　春,2，　周國(guó)龍，　葉　舟,2

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；

2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

?

陸海風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比

丁勤衛(wèi)1，李春1,2，周國(guó)龍1，葉舟1,2

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；

2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

摘要：以NREL實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為湍流風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)源，以NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)為樣機(jī)，并結(jié)合波浪作用，分別研究了陸海風(fēng)力機(jī)平臺(tái)及各柔性部件的動(dòng)力學(xué)響應(yīng).結(jié)果表明：平臺(tái)運(yùn)動(dòng)形式主要為縱蕩、縱搖和首搖；漂浮式風(fēng)力機(jī)的葉根擺振力矩和縱向剪力要大于陸上風(fēng)力機(jī)；漂浮式風(fēng)力機(jī)塔尖和塔基縱向剪力及塔基俯仰力矩的波動(dòng)范圍為陸上風(fēng)力機(jī)的3倍；漂浮式風(fēng)力機(jī)塔尖運(yùn)動(dòng)加速度呈現(xiàn)高頻和大跨度的特點(diǎn).

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)； 湍流風(fēng)； 波浪； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)； 力和力矩

在煤、石油和天然氣等常規(guī)能源日益短缺的當(dāng)今世界，風(fēng)能由于其安全、無污染和可再生等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為諸多國(guó)家和地區(qū)關(guān)注的焦點(diǎn)[1].與陸上風(fēng)能相比，海上風(fēng)能具有儲(chǔ)量大、分布廣和不占用土地等優(yōu)點(diǎn)[2-4].據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2012年底，全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到5 111 MW，其中中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)46臺(tái)，容量達(dá)到127 MW[5].因此，“由陸向海、由淺向深、由固定基礎(chǔ)向漂浮式平臺(tái)”是未來風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的必然趨勢(shì)[6-7].

風(fēng)載荷是風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行時(shí)葉片等柔性部件受到的主要載荷，由于未考慮風(fēng)的強(qiáng)不均勻性及葉片氣動(dòng)彈性響應(yīng)，葉片在遠(yuǎn)未達(dá)到最大設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)就遭到破壞[8-9]，因此對(duì)高風(fēng)速及風(fēng)速突變作用下的風(fēng)力機(jī)柔性部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究值得重視.與陸上風(fēng)力機(jī)相比，漂浮式風(fēng)力機(jī)除了受到風(fēng)作用于風(fēng)輪和塔架產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷外，塔架和基礎(chǔ)還受到波浪作用的水動(dòng)力載荷，從而使機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化，2002年以來，陸續(xù)有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了初步的研究[10-12].Bulder[13]采用線性頻域方法，通過添加附加質(zhì)量、附加阻尼等方式引入風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)特性，對(duì)漂浮式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行初步分析.Henderson等[14]將風(fēng)力機(jī)模擬軟件與水動(dòng)力學(xué)軟件相結(jié)合，建立了漂浮式風(fēng)力機(jī)非線性時(shí)域動(dòng)力學(xué)模型.Jonkman[15]對(duì)漂浮式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)理論建模，并對(duì)Spar平臺(tái)、張力腿平臺(tái)(TLP，Tension Leg Platform)和駁船平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性對(duì)比.目前，國(guó)內(nèi)對(duì)漂浮式風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組尤其是對(duì)整機(jī)進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究較少，不僅如此，對(duì)漂浮式風(fēng)力機(jī)的研究?jī)H側(cè)重于漂浮式平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定性分析，而對(duì)漂浮式風(fēng)力機(jī)柔性部件動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的研究關(guān)注較少[16-18].

因此，為更直觀地得出湍流風(fēng)和波浪作用下風(fēng)力機(jī)整機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，筆者建立輪轂高度處平均風(fēng)速為12 m/s的風(fēng)場(chǎng)模型，并結(jié)合不規(guī)則波浪載荷作用對(duì)陸上風(fēng)力機(jī)和漂浮式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比分析了陸海風(fēng)力機(jī)各部件的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

1風(fēng)力機(jī)模型及坐標(biāo)系

陸上風(fēng)力機(jī)和漂浮式風(fēng)力機(jī)均選擇NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)，風(fēng)力機(jī)參數(shù)見表1[19].

TLP平臺(tái)是一種典型的深海風(fēng)電機(jī)組支撐平臺(tái)，其能夠在陸上安裝和調(diào)試，從而避免海上安裝的各種難題，最顯著的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)性能好，抵抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)且造價(jià)低.本文漂浮式平臺(tái)選擇MIT/NREL TLP，平臺(tái)參數(shù)見表2[20].

為方便計(jì)算，在風(fēng)力機(jī)及基礎(chǔ)(漂浮式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)為平臺(tái))上建立多個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系，分別為葉片坐標(biāo)系{O,X,Y,Z}、輪轂坐標(biāo)系{O′,X′,Y′,Z′}、塔架坐標(biāo)系{O″,X″,Y″,Z″}和基礎(chǔ)/平臺(tái)坐標(biāo)系{O?,X?,Y?,Z?}，各結(jié)構(gòu)部件坐標(biāo)系如圖1所示.

表1　風(fēng)力機(jī)參數(shù)

表2　TLP平臺(tái)參數(shù)

圖1　風(fēng)力機(jī)坐標(biāo)系

2風(fēng)場(chǎng)模型及氣動(dòng)理論

2.1風(fēng)場(chǎng)模型建立

風(fēng)場(chǎng)模型與風(fēng)載荷直接相關(guān)，風(fēng)場(chǎng)模型選擇的準(zhǔn)確性刻畫了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的真實(shí)環(huán)境.為真實(shí)模擬時(shí)域高風(fēng)速湍流風(fēng)況下風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，筆者選用由NWTC(National Wind Technology Center)建立的NWTCUP模型，該模型基于NWTC/LIST項(xiàng)目，由實(shí)測(cè)40 Hz時(shí)間序列數(shù)據(jù)構(gòu)成該湍流模型速度譜[21].根據(jù)風(fēng)輪參數(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)場(chǎng)覆蓋區(qū)域?yàn)?45 m×145 m(以輪轂中心為參考點(diǎn)).

通過冪律風(fēng)廓線形式描述風(fēng)剪切效應(yīng)，水平方向速度變化規(guī)律采用對(duì)數(shù)風(fēng)廓線表示：

(1)

式中：u(z)為垂直方向速度分布；u(zhub)為輪轂處垂直方向風(fēng)速；z為計(jì)算節(jié)點(diǎn)高度；zhub為輪轂高度；u(y)為水平方向速度分布；u(yhub)為輪轂處水平方向風(fēng)速；y為計(jì)算節(jié)點(diǎn)水平位置；yhub為輪轂水平位置；z0為地表粗糙度，其值取0.021；ψ為垂直穩(wěn)定度無量綱函數(shù).

在輪轂坐標(biāo)系{O′,X′,Y′,Z′}中，以輪轂高度處風(fēng)速12 m/s為參考風(fēng)速，建立湍流風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，輪轂高度處風(fēng)速時(shí)域分布如圖2所示.其中uX′，uY′和uZ′為湍流風(fēng)在X′、Y′和Z′方向的風(fēng)速大小.

圖2　輪轂高度處風(fēng)速時(shí)域分布

由圖2可知，來流風(fēng)X′方向風(fēng)速波動(dòng)范圍為6.52~16.2 m/s，平均風(fēng)速為11.7 m/s；Y′方向風(fēng)速波動(dòng)范圍為-4.92~4.58 m/s，平均風(fēng)速為0 m/s；Z′方向風(fēng)速波動(dòng)范圍為-4.22~3.91 m/s，平均風(fēng)速約為0 m/s，瞬時(shí)風(fēng)速的大小主要取決于X′方向風(fēng)速.

2.2動(dòng)態(tài)入流理論

風(fēng)輪氣動(dòng)計(jì)算的本質(zhì)就是利用流體力學(xué)控制方程求解流場(chǎng)壓力和速度分布規(guī)律，基于加速度勢(shì)的動(dòng)態(tài)入流理論，利用分離變量的方法求解Laplace方程表達(dá)的壓力分布，然后通過Euler方程求解速度分布，結(jié)合BEM(Blade Element Moment)理論模型求解風(fēng)輪氣動(dòng)力.

Pitt-Peters動(dòng)態(tài)入流理論模型通過3個(gè)參數(shù)描述風(fēng)輪平面誘導(dǎo)速度的變化規(guī)律，通過求解誘導(dǎo)速度來獲知風(fēng)輪平面壓力分布.式(2)為風(fēng)輪平面由于擾動(dòng)引起的誘導(dǎo)速度非均勻分布的一階Fourier級(jí)數(shù)表達(dá)式.

(2)

氣動(dòng)力變化和誘導(dǎo)速度的關(guān)系為：

(3)

式中：M為風(fēng)輪動(dòng)態(tài)入流的質(zhì)量矩陣，反映了入流動(dòng)態(tài)特性；V為質(zhì)量流量參數(shù)矩陣；L為入流增益矩陣；CFT、CMy、CMz分別為風(fēng)輪推力系數(shù)、偏航系數(shù)和俯仰系數(shù).具體表達(dá)式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

通過求解微分方程式(3)得到風(fēng)輪平面誘導(dǎo)速度場(chǎng)，結(jié)合相應(yīng)的翼型空氣動(dòng)力學(xué)特性，求解風(fēng)輪氣動(dòng)力.

3波浪譜及輻射/繞射理論

3.1波浪譜

海浪可視為是由無限多個(gè)振幅不同、頻率不同、方向不同、位相雜亂的簡(jiǎn)單余弦波組成的.波浪譜是隨機(jī)海浪的一個(gè)重要統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，它不僅包含著海浪的二階信息，而且還直接給出海浪組成波能量相對(duì)于頻率和方向的分布.波浪譜描述海浪能量相對(duì)于組成波的分布，故又名“能量譜”、“功率譜”和“方向譜”.常用的波浪譜形式有P-M譜、JONSWAP譜、勞曼譜和布氏譜等[22].筆者采用JONSWAP譜：

(8)

設(shè)定波浪高度為5 m，波浪周期為9 s，波浪高度時(shí)域分布如圖3所示.

圖3　波浪高度時(shí)域分布

3.2輻射/繞射理論[23]

海洋工程水動(dòng)力計(jì)算使用的Morison方程是依據(jù)結(jié)構(gòu)物的存在對(duì)入射波動(dòng)場(chǎng)無顯著影響這一基本假定建立的，即當(dāng)結(jié)構(gòu)物特征長(zhǎng)度大于0.2倍的波長(zhǎng)時(shí)，繞射問題就會(huì)發(fā)生.TLP平臺(tái)的截面直徑大于入射波波長(zhǎng)，因此計(jì)算平臺(tái)的波浪力時(shí)，Morison方程不再適用.

設(shè)定入射波為微幅波，因此漂浮式平臺(tái)動(dòng)力學(xué)問題可分解成3個(gè)部分來分析計(jì)算：繞射作用、輻射作用和水靜力學(xué)作用.

繞射作用是假定平臺(tái)固定在某個(gè)位置時(shí)，被平臺(tái)分散的入射波作用在平臺(tái)上而產(chǎn)生的載荷.波浪繞射作用力為：

(9)

式中：W(ω)為高斯白噪聲時(shí)序的傅里葉變換；Xi(ω,β)為作用在浮式平臺(tái)上的單位波浪力，β為入射波的方向角.

平臺(tái)在不受任何波浪力作用的情況下所受浮力為：

(10)

(11)

式中：A0為平臺(tái)在靜水中的水線面面積；ZCOB為浮心的坐標(biāo).

輻射作用是假定不考慮入射波的影響，浮式平臺(tái)在自由面上以不同運(yùn)動(dòng)模式振蕩時(shí)，產(chǎn)生從四周輻射出去的波浪，該輻射波浪對(duì)浮式平臺(tái)產(chǎn)生的作用力為：

(12)

將式(9)、式(10)和式(12)相加，可得浮式平臺(tái)所受的水動(dòng)力為：

(13)

4多體動(dòng)力學(xué)模型

基于Kane方法[24]建立的多體動(dòng)力學(xué)模型將風(fēng)力機(jī)視為具有N個(gè)自由度的剛體和柔體結(jié)構(gòu)系統(tǒng).

(14)

即每個(gè)廣義速率對(duì)應(yīng)的廣義主動(dòng)力和廣義慣性力之和等于零.其中，廣義主動(dòng)力Fr由各部件的重力、氣動(dòng)力、彈性力和水動(dòng)力組成：

(15)

(16)

將式(15)和式(16)代入式(14)中，可得風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：

(17)

(18)

通過4階Adams-Bashforth預(yù)測(cè)-校正方法求解式(17)和式(18)，前4個(gè)時(shí)間步通過Runge-Kutta法求解.

5結(jié)果與分析

5.1漂浮式平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

漂浮式平臺(tái)最直觀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是在外界環(huán)境載荷作用下的位置變化，即平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)角.平臺(tái)坐標(biāo)系{O?,X?,Y?,Z?}中，漂浮式風(fēng)力機(jī)TLP平臺(tái)六自由度上的運(yùn)動(dòng)包括沿X?軸、Y?軸和Z?軸的平動(dòng)及繞各軸的轉(zhuǎn)動(dòng).平動(dòng)包括縱蕩(Surge)、橫蕩(Sway)和垂蕩(Heave)，其大小由長(zhǎng)度單位表示；轉(zhuǎn)動(dòng)包括橫搖(Roll)、縱搖(Pitch)和首搖(Yaw)，其強(qiáng)弱由角度單位表示.圖4為TLP平臺(tái)在湍流風(fēng)和波浪聯(lián)合作用下的六自由度動(dòng)態(tài)響應(yīng).

由圖4可知，TLP平臺(tái)在湍流風(fēng)和波浪聯(lián)合作用下不論平動(dòng)方向抑或轉(zhuǎn)動(dòng)方向均做非周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)；縱蕩方向，平臺(tái)自初始時(shí)刻起逐漸偏離初始位置，在40 s左右平動(dòng)位移達(dá)到最大值8 m，之后運(yùn)動(dòng)幅度減小且隨著時(shí)間在4 m左右呈現(xiàn)出往復(fù)增大減小的趨勢(shì)；與縱蕩方向相比，垂蕩和橫蕩方向位移幾乎為0不變.平臺(tái)偏轉(zhuǎn)劇烈程度，首搖>縱搖>橫搖，橫搖方向角度幾乎為0，縱搖方向角度為-0.4°~0.8°，首搖方向角度為-1°~2°.

(a) 平動(dòng)位移

(b) 轉(zhuǎn)動(dòng)角

5.2風(fēng)力機(jī)柔性部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)

風(fēng)力機(jī)的柔性部件主要為葉片、塔架和低速傳動(dòng)軸，與葉片和塔架相比，低速傳動(dòng)軸剛度較大、位移較小.葉尖受力過大會(huì)撞擊塔架，葉根受力過大會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)破壞，塔架受力過大會(huì)誘發(fā)其大幅震動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致失穩(wěn)，因此柔性部件研究重點(diǎn)為葉片和塔架.

圖5為湍流風(fēng)和波浪聯(lián)合作用下陸上風(fēng)力機(jī)與TLP平臺(tái)漂浮式風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪功率的時(shí)域動(dòng)態(tài)特性及對(duì)比.由圖5可知，由于來流風(fēng)為風(fēng)速時(shí)刻變化的湍流風(fēng)，且風(fēng)力機(jī)因采用變速變槳控制策略，因此功率時(shí)刻變化，對(duì)比輪轂高度時(shí)域風(fēng)速可知，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)功率與風(fēng)速變化一致，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)功率穩(wěn)定在額定功率附近.

圖5　風(fēng)力機(jī)功率

因漂浮式風(fēng)力機(jī)處在不規(guī)則波作用的海洋環(huán)境中，功率波動(dòng)相對(duì)于陸上風(fēng)力機(jī)更為劇烈，從而說明計(jì)算結(jié)果的可靠性.

圖6為陸上風(fēng)力機(jī)和漂浮式風(fēng)力機(jī)葉根所受載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及對(duì)比.在葉片坐標(biāo)系{O,X,Y,Z}中，X方向?yàn)榭v向，Y方向?yàn)闄M向；葉片在XOZ平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)為揮舞，在YOZ平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)為擺振.

(a) 葉根揮舞力矩

(b) 葉根擺振力矩

(c) 葉根變槳力矩

(d) 葉根縱向剪力

(e) 葉根橫向剪力

風(fēng)力機(jī)葉片主要受到風(fēng)載荷作用，由圖6可知，無論基礎(chǔ)是否固定，風(fēng)速波動(dòng)時(shí)葉根載荷呈現(xiàn)出非周期性往復(fù)波動(dòng).陸上和漂浮式風(fēng)力機(jī)的葉根揮舞力矩、葉根變槳力矩和葉根橫向剪力變化趨勢(shì)、數(shù)值大小較為接近；雖葉根擺振力矩和葉根縱向剪力變化趨勢(shì)相同，但數(shù)值上漂浮式風(fēng)力機(jī)略大于陸上風(fēng)力機(jī).計(jì)算結(jié)果表明，平臺(tái)的存在對(duì)葉根載荷的影響主要體現(xiàn)在葉根擺振力矩和葉根縱向剪力上.

圖7為陸上風(fēng)力機(jī)和漂浮式風(fēng)力機(jī)塔尖所受載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及對(duì)比.在塔架坐標(biāo)系{O″,X″,Y″,Z″}中，X″方向?yàn)榭v向，Y″方向?yàn)闄M向.

(a) 塔尖橫搖力矩

(b) 塔尖俯仰力矩

(c) 塔尖偏航力矩

(d) 塔尖縱向剪力

(e) 塔尖橫向剪力

由圖7可知，風(fēng)力機(jī)塔尖載荷呈現(xiàn)出非周期性往復(fù)波動(dòng).風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)，2種類型風(fēng)力機(jī)塔尖載荷波動(dòng)十分劇烈，前20 s內(nèi)的波動(dòng)范圍為36.1~6 190 kN·m，穩(wěn)定之后的波動(dòng)范圍為2 970~4 770 kN·m，前20 s內(nèi)的波動(dòng)范圍為穩(wěn)定后的3倍.陸上塔尖俯仰力矩和塔尖偏航力矩變化趨勢(shì)和量級(jí)均與漂浮式較接近，但在數(shù)值上略小于漂浮式.風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)20 s后，陸上風(fēng)力機(jī)塔基縱向剪力波動(dòng)范圍為273~934 kN·m，漂浮式風(fēng)力機(jī)為-362~1 540 kN·m，為陸上風(fēng)力機(jī)的3倍.前150 s 2種風(fēng)力機(jī)的塔尖橫向剪力較為接近，但隨后漂浮式風(fēng)力機(jī)塔尖橫向剪力的波動(dòng)劇烈程度遠(yuǎn)大于陸上風(fēng)力機(jī).

圖8為陸上風(fēng)力機(jī)和漂浮式風(fēng)力機(jī)塔基載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及對(duì)比.由圖8可知，風(fēng)力機(jī)塔基載荷呈現(xiàn)出非周期性劇烈波動(dòng).陸上風(fēng)力機(jī)塔基橫搖力矩、偏航力矩和橫向剪力均與漂浮式較接近.風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)20 s之后，陸上風(fēng)力機(jī)塔基俯仰力矩波動(dòng)范圍為29 600~81 600 kN·m，漂浮式為-21 300~132 000 kN·m，為陸上風(fēng)力機(jī)的近3倍；陸上風(fēng)力機(jī)塔基縱向剪力波動(dòng)范圍為273~934 kN，漂浮式為-362~1 540 kN，為陸上風(fēng)力機(jī)的近3倍.

(a) 塔基橫搖力矩

(b) 塔基俯仰力矩

(c) 塔基偏航力矩

(d) 塔基縱向剪力

(e) 塔基橫向剪力

5.3振動(dòng)特性響應(yīng)對(duì)比

圖9為漂浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)加速度在湍流風(fēng)和波浪聯(lián)合作用下在縱蕩、橫蕩和垂蕩方向的動(dòng)態(tài)響應(yīng).由于陸上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)深埋底下，位移幾乎為0，故只分析漂浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)加速度.由圖9可知，平臺(tái)在橫蕩和垂蕩方向加速度幾乎為0，縱蕩方向加速度呈非周期性往復(fù)波動(dòng)，波動(dòng)范圍為-1.5~1.5 m/s2.

圖9　平臺(tái)加速度

圖10為陸上風(fēng)力機(jī)和漂浮式風(fēng)力機(jī)葉尖位移加速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及對(duì)比.由圖10可知，葉尖位移加速度幾乎不受風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)是否固定的影響，陸上和漂浮式葉片葉尖揮舞加速度和葉尖擺振加速度變化趨勢(shì)、數(shù)值大小均接近.

(a) 葉尖揮舞加速度

(b) 葉尖擺振加速度

圖11為陸上風(fēng)力機(jī)和漂浮式風(fēng)力機(jī)塔尖加速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)及對(duì)比.由圖11可知，陸上風(fēng)力機(jī)塔尖加速度在縱蕩和垂蕩方向幾乎為0，橫蕩方向加速度波動(dòng)范圍為-0.2~0.2 m/s2，漂浮式風(fēng)力機(jī)塔尖加速度在縱蕩、橫蕩和垂蕩方向均呈現(xiàn)出高頻、跨度大的特點(diǎn)，其中縱蕩方向波動(dòng)范圍為-2~2 m/s2，橫蕩方向波動(dòng)范圍為-0.2~0.2 m/s2，垂蕩方向波動(dòng)范圍為-0.1~0.1 m/s2.

(a) 塔尖縱蕩加速度

(b) 塔尖橫蕩加速度

(c) 塔尖垂蕩加速度

6結(jié)論

(1) TLP平臺(tái)六自由度上的運(yùn)動(dòng)主要為縱蕩方向平動(dòng)和縱搖、首搖方向轉(zhuǎn)動(dòng)，縱蕩方向運(yùn)動(dòng)幅值為8 m左右，縱搖方向角度為-0.4°~0.8°，首搖方向角度為-1°~2°.

(2) 葉根擺振力矩、縱向剪力受平臺(tái)是否固定影響較大，數(shù)值上漂浮式基礎(chǔ)略大于陸上，而葉根揮舞力矩、變槳力矩和橫向剪力幾乎不受平臺(tái)不固定影響.

(3) 塔尖橫搖力矩、俯仰力矩、偏航力矩和塔基橫搖力矩、偏航力矩、橫向剪力受平臺(tái)是否固定影響較?。黄∈斤L(fēng)力機(jī)塔尖縱向剪力、塔基縱向剪力和塔基俯仰力矩波動(dòng)范圍均為陸上風(fēng)力機(jī)的近3倍.

(4) 葉尖揮舞加速度和葉尖擺振加速度受平臺(tái)是否固定影響較小，二者較為接近，陸上風(fēng)力機(jī)塔尖在縱蕩、橫蕩和垂蕩方向加速度幾乎為0，而漂浮式風(fēng)力機(jī)塔尖加速度均不為0，且均呈現(xiàn)出高頻、跨度大的特點(diǎn).

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Comparison of Dynamic Response Between Stationary and Floating Wind Turbines

DINGQinwei1,LIChun1,2,ZHOUGuolong1,YEZhou1,2

(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China)

Abstract：Considering wave loads, the dynamic responses of stationary and floating wind turbine platforms and relevant flexible components were studied by taking the measured data of NREL as the source of turbulent wind field and the NREL 5 MW wind turbine as a prototype. Results show that the movements of above platforms are mainly in surge, pitch and yaw directions; the in-plane moment and out-of-plane force at blade root of floating wind turbines are bigger than that of stationary wind turbines; for floating wind turbines, the shear force in surge direction of tower top and tower base and the pitching moment of tower base are three times as much as that of stationary wind turbines; the acceleration at tower top of floating wind turbines presents the characteristics of high frequency and large span.

Key words：wind turbine; turbulent wind; wave; dynamic response; force and moment

文章編號(hào)：1674-7607(2016)01-0065-09

中圖分類號(hào)：TK83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：480.60

作者簡(jiǎn)介：丁勤衛(wèi)(1990-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E51176129)；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新(重點(diǎn))資助項(xiàng)目(13ZZ120,13YZ066)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(博導(dǎo))資助項(xiàng)目(20123120110008);上海市科委資助項(xiàng)目(13DZ2260900)

收稿日期：2015-03-11

修訂日期：2015-04-24

李春(通信作者)，男，教授,博導(dǎo),電話(Tel.):18301928952;E-mail：Lichunusst@163.com.