海上风电培训5

海上风机的载荷海上风机的载荷 Offshore wind turbine loading 载荷的来源和载荷工况载荷的来源和载荷工况Sources of loading & load cases: 设计标准及外部条件设计标准及外部条件Design standards & external conditions 建模技术建模技术Modelling techniques: 疲劳载荷疲劳载荷Fatigue loading 载荷工况分组和尾流效应载荷工况分组和尾流效应Lumping of load cases & wake effects 极限载荷极限载荷Extreme loading 合适的波浪模型合适的波浪模型Appropriate wave models 风和波浪载荷的综合模型风和波浪载荷的综合模型Integrated modelling of wind & wave loads 目录目录 Contents 载荷来源和载荷工况载荷来源和载荷工况 Sources of loading & load cases 载荷来源载荷来源 Sources of loading 惯性和重力载荷惯性和重力载荷 Inertial & gravitational loads 空气动力载荷空气动力载荷 Aerodynamic loads 运行载荷运行载荷 Operational loads 流体动力载荷流体动力载荷 Hydrodynamic loads 海冰载荷海冰载荷 Sea ice loads 船舶冲击载荷船舶冲击载荷 Boat impact loads 海上和岸上载荷环境不同？海上和岸上载荷环境不同？ How does the offshore loading environment differ from onshore? 风特性不同风特性不同Wind properties are different: 更高的年平均风速更高的年平均风速Higher AMWS 更低的湍流更低的湍流Lower turbulence 更低的风剪切更低的风剪切Lower shear 低层喷流影响？低层喷流影响？Low-level jets? 额外的载荷来源：额外的载荷来源：Additional sources of loading: 波浪和海流波浪和海流Waves & currents 冰载冰载Ice 船舶冲击载荷船舶冲击载荷Boat impact 海上风机载荷和其他海上建筑有何不同？海上风机载荷和其他海上建筑有何不同？ How does offshore turbine loading differ from other offshore structures? 更大的风载贡献更大的风载贡献 Greater loading contribution from wind 更多的动态响应更多的动态响应 More dynamic response 更高的非直线响应更高的非直线响应 Greater non-linearity of response 深度浅深度浅 Shallower depths 疲劳载荷支配设计疲劳载荷支配设计 Design driven by fatigue 无人管理，无污染的危害，无人管理，无污染的危害， 可接受较低的安全系数可接受较低的安全系数 Un-manned, no pollution hazards lower safety factors acceptable? 不是一次性的不是一次性的 Not one offs! 设计情况和载荷工况设计情况和载荷工况 Design situations & load cases 出于设计目的，一个海上风机的寿命可由一组涵盖 风机可能经历的所有重要的 出于设计目的，一个海上风机的寿命可由一组涵盖 风机可能经历的所有重要的设计情况设计情况来描述的来描述的 For design purposes, the life of an offshore wind turbine can be represented by a set of design situations covering the most significant conditions which the offshore wind turbine may experience 特定设计情况包括：装配，安装，维修和运行方 式）和适当的外部条件的组合确定了载荷工况 特定设计情况包括：装配，安装，维修和运行方 式）和适当的外部条件的组合确定了载荷工况 Load cases are determined from the combination of specific design situations (assembly, erection, maintenance and operational modes) with appropriate external conditions 正常设计情况正常设计情况 Normal design situations 正常外部条件正常外部条件 Normal external conditions 正常设计情况正常设计情况 Normal design situations 适当的外部条件适当的外部条件 Appropriate external conditions 适当的外部条件适当的外部条件 Appropriate external conditions 极限外部条件极限外部条件 Extreme external conditions 故障设计情况故障设计情况 Fault design situations 运输、安装及维护设计情况运输、安装及维护设计情况 Transportation, installation & maintenance design situations 载荷工况的标准载荷工况的标准 Load cases are specified by standards: IEC/TC88 61400-3 版本 1: 海上风机安全要求IEC/TC88 61400-3 版本 1: 海上风机安全要求 IEC/TC88 61400-3 Edition 1: Safety requirements for offshore wind turbines Germanischer Lloyd, 海上风机认证标准指南 2005.Germanischer Lloyd, 海上风机认证标准指南 2005. Germanischer Lloyd, Guideline for the certification of offshore wind turbines, 2005. DNV-OS-J101, 海上风机结构设计, 2004.DNV-OS-J101, 海上风机结构设计, 2004. DNV-OS-J101, Design of offshore wind turbine structures, 2004. ISO 19900-19909,正在发展中海上风机结构ISO 19900-19909,正在发展中海上风机结构 ISO 19900-19909, Offshore Structures - under development 建模条件建模条件 Modelling requirements 随机的非线性风载荷随机的非线性风载荷 Stochastic, non-linear wind loading 非线性控制作用非线性控制作用 Non-linear control actions 结构动态响应结构动态响应 Flexible, dynamic structure 随机的非线性的波浪载荷随机的非线性的波浪载荷 Stochastic, non-linear wave loading 综合的时域模型综合的时域模型 Integrated time-domain model 风机设计的软件风机设计的软件 Software for wind turbine design 商业和研究用软件：商业和研究用软件： Commercial & Research codes: GH-Bladed, Flex 5, HAWC, FAST GH Bladed 成立于1984年GH Bladed 成立于1984年 GH Bladed developed since 1984 直观的用户界面直观的用户界面 Intuitive user-interface 提供综合模型提供综合模型 Provides integrated modelling: 空气动力载荷空气动力载荷 Aerodynamic loads 流体动力载荷流体动力载荷 Hydrodynamic loads 控制系统作用控制系统作用 Control system actions 动力响应动力响应 Dynamic response 多重支撑结构多重支撑结构 Multiple-member support structures GH Bladed软件GH Bladed软件 Bladed:（示意性的）（示意性的）(schematic) 时域风场时域风场 Time domain wind field 随机的或者 规则的波浪 随机的或者 规则的波浪 Random or regular waves 传动链及 控制系统 传动链及 控制系统 Power train & control system 结构特性结构特性 Structural properties 波浪时间序列波浪时间序列 Wave load histories 风载时间序列风载时间序列 Wind load histories 流体动力学模型流体动力学模型 Hydrodynamics 空气动力学模型空气动力学模型 Aerodynamics 结构动力学 模型 结构动力学 模型 Structural dynamics 响应时间序列响应时间序列 Response histories 时间序列分析时间序列分析 Time series analysis 疲劳载荷疲劳载荷 Fatigue loads 极限载荷极限载荷 Extreme loads 12345678 与与Blyth海上风机疲劳载荷进行比较海上风机疲劳载荷进行比较 Comparison with Blyth offshore turbine fatigue loads 100% 102% 104% 106% 108% 110% 112% 98% 泥水线泥水线 Mudline 支撑高度支撑高度1 Pile depth 1 支撑高度支撑高度2 Pile depth 2 平均水面高度平均水面高度 MSL 塔筒底塔筒底 Tower base 塔筒顶塔筒顶 Tower top 挥舞挥舞 Flap 摆振摆振 Edge 0 4 8 12 16 1.E+001.E+021.E+041.E+061.E+081.E+10 Measured Bladed 累计循环数累计循环数 Cumulative cycles 泥水线周期范围（泥水线周期范围（MNm） Mudline moment cycle range (MNm) （442仿真仿真/测量）测量） (442 simulations / campaigns) Bladed Validation软件验证Bladed Validation软件验证 Bladed Validation软件验证Bladed Validation软件验证 WEG MS-1, UK, 1991 Howden HWP300 and HWP330, USA, 1993 ECN 25m HAT, Netherlands, 1993 Newinco 500kW, Netherlands, 1993 Nordex 26m, Denmark, 1993 Nibe A, Denmark, 1993 Holec WPS30, Netherlands, 1993 Riva Calzoni M30, Italy, 1993 Nordtank 300kW, Denmark, 1993 WindMaster 750kW, Netherlands, 1994 Tjaerbourg 2MW, Denmark, 1994 Zond Z-40, USA, 1994 Nordtank 500kW, UK, 1995 Vestas V27, Greece, 1995 Danwin 200kW, Sweden, 1995 Carter 300kW, UK, 1995 NedWind 50, Netherlands, 1996 Zond Z40M, USA, 1997 DESA 300kW, Spain, 1998 WEST MEDIT, Italy, 1998 Nordex 1.3MW, Germany 1999 WTC 350kW, USA, 2000 WEG MS4 400kW, UK, 2000 EHN 1.3MW, Spain, 2001 Lagerwey 750kW, Netherlands, 2001 Vergnet 200, France, 2001 Vestas 2MW, UK, 2002 波浪模型：疲劳载荷波浪模型：疲劳载荷 Wave modelling: Fatigue Loading 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 00.10.20.30.40.50.6 Frequency (Hz) Spectral Density = 1.0 = 1.5 = 2.0 Tp 1 Hs 4 std.dev JONSWAP / Pierson Moskowitz spectra Wave Spectra 频谱 谱密度 频谱 谱密度 依据依据Airy理论计算水颗粒运动理论计算水颗粒运动 Water particle kinematics calculated using Airy theory 依据依据Morisons 公式进行结构载荷计算公式进行结构载荷计算 Structural loads calculated using Morisons equation 0 0 频率频率(Hz) Frequency 谱密度谱密度 Spectral Density -2 0 时间时间 Time 水面高度水面高度 Surface elevation etc -5 0 时间时间 Time 载荷载荷 Loading 15 m 近表面海流近表面海流 Near-Surface Current 水下海流水下海流 Sub-Surface Current 近岸海流近岸海流 Near-Shore Current 海流类型选择海流类型选择 Current Profile Options 在Bladed内的设置在Bladed内的设置As implemented in Bladed 波浪模型：极限载荷波浪模型：极限载荷 Wave modelling: extreme loading 波浪理论的选择波浪理论的选择 Choice of wave theory -6 -4 -2 0 2 4 6 8 051015202530 Time (s) Surface elevation (m) 线性模型：线性模型：Airy理论理论 Linear model: Airy wave theory 非线性模型：流线方程 12 阶非线性模型：流线方程 12 阶 Non-linear model: stream function order 12 达到达到77的破碎波高度的破碎波高度 Wave is 77% of breaking height 水面高度 极限波浪模型：规则波浪极限波浪模型：规则波浪 Extreme wave modelling: regular waves Time Surface elevation 极限波浪模拟：规则波浪极限波浪模拟：规则波浪 Extreme wave modelling: regular waves 不规则的线性背景海状不规则的线性背景海状 Irregular linear background sea-state 受约束的流线方程波浪模型能提供在极限波浪时准确的水颗 粒运动描述 受约束的流线方程波浪模型能提供在极限波浪时准确的水颗 粒运动描述 Constrained stream-function wave provides accurate water particle kinematics associated with the extreme wave 破碎波类型破碎波类型 Types of breaking wave (Kjeldsen et al, 1995) Pile surface pressure 卷跃破碎波会造成很大的载荷卷跃破碎波会造成很大的载荷 Plunging breakers can lead to very high loads! 垂直距离垂直距离 Vertical distance 支撑表面压力支撑表面压力 OWTES 项目项目Project Blyth, 英国英国UK 0 2 4 6 8 020406080100120140 Blyth的极限波浪Blyth的极限波浪 Extreme waves at Blyth 水面高度 (m LAT之上) 水面高度 (m LAT之上) Surface elevation (m above LAT) 时间(s)时间(s) Time 测量(MNm)测量(MNm) Measurement 计算(MNm)计算(MNm) Prediction 泥水线的倾覆力矩泥水线的倾覆力矩 Mudline overturning moment GH Bladed 中的极限波浪模型GH Bladed 中的极限波浪模型 Extreme wave modelling with GH Bladed - 4000 - 2000 0 2000 4000 6000 0 - 4000 - 2000 0 2000 4000 6000 0 0 0 6 6 -4 -4 50s 50s 海冰载荷一个难题！海冰载荷一个难题！ Sea Ice loading - a difficult problem! 冬天静态冰载（第一 年冰载） 冬天静态冰载（第一 年冰载） Static winter loading (first year ice) 冬天阻挡冰块冬天阻挡冰块 Winter-blocking 浮冰冲击动载浮冰冲击动载 Dynamic impact 建模方法：风和波浪的综合模型建模方法：风和波浪的综合模型 Modelling techniques: integrated modelling of wind & waves 疲劳载荷：风和波浪疲劳载荷：风和波浪 Fatigue loading: wind & waves 计算疲劳载荷的时候如何考虑风和波浪的耦 合作用？ 计算疲劳载荷的时候如何考虑风和波浪的耦 合作用？ When calculating fatigue damage how should wind and wave loads be combined? 两种各自载荷所造成疲劳破坏的简单叠加 是否准确？ 两种各自载荷所造成疲劳破坏的简单叠加 是否准确？ Is a simple summation of the damage caused by the two sources of loading accurate? 浪载运动响应引起的气动阻尼是否重要？浪载运动响应引起的气动阻尼是否重要？ How significant is aerodynamic damping of wave-induced motion? 实验例子实验例子Test case 非真实的1.5MW风机非真实的1.5MW风机 Artificial 1.5MW turbine - 3个叶片，直径70m- 3个叶片，直径70m 3 bladed rotor, 70m diameter - 轮毂高度64m ，海平面15m- 轮毂高度64m ，海平面15m 64m hub height, 15m mean sea level - 单桩式基础- 单桩式基础 monopile foundation 环境条件环境条件 Environmental conditions - 11m/s 平均风速，Iu=12%,随机波浪:Hs=1.5m,Tp=6s- 11m/s 平均风速，Iu=12%,随机波浪:Hs=1.5m,Tp=6s 11m/s mean wind speed, Iu = 12%, random wave train: Hs = 1.5m, Tp = 6s 风和波浪的单独作用和同时作用下的疲劳载荷计算风和波浪的单独作用和同时作用下的疲劳载荷计算 Separate and combined calculations of wind and wave fatigue loads 0 2 4 6 8 10 仅有风载 Iu = 12% 仅有风载 Iu = 12% Wind only 1P 等效疲劳载荷（MNm）1P 等效疲劳载荷（MNm） 1P Equivalent Loads (MNm) 等效疲劳载荷：塔基倾覆力矩等效疲劳载荷：塔基倾覆力矩 Equivalent loads: tower base moment 0 2 4 6 8 10 仅有风载 Iu = 12% 仅有风载 Iu = 12% Wind only 仅有浪载仅有浪载 Waves only 1P 等效疲劳载荷（MNm）1P 等效疲劳载荷（MNm） 1P Equivalent Loads (MNm) 等效疲劳载荷：塔基倾覆力矩等效疲劳载荷：塔基倾覆力矩 Equivalent loads: tower base moment 10 0 2 4 6 8 仅有风载 Iu = 12% 仅有风载 Iu = 12% Wind only 仅有浪载仅有浪载 Waves only 风载和浪载 同时作用 风载和浪载 同时作用 Wind & Waves 1P 等效疲劳载荷（MNm）1P 等效疲劳载荷（MNm） 1P Equivalent Loads (MNm) 等效疲劳载荷：塔基倾覆力矩等效疲劳载荷：塔基倾覆力矩 Equivalent loads: tower base moment 0 2 4 6 8 10 仅有风载