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风浪作用下的Spar型海上垂直轴风机运动响应含3张CAD图
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风浪作用下的Spar型海上垂直轴风机运动响应摘 要能源问题已经成为了国内外关注的重点，而风能作为一种永久性的清洁的能源，成为了国内外学者的研究对象。为进一步地开发海上的风力资源，现大多数国家已将靠岸的风电场推向更远的海域或深海，从经济上看在海面上要求使用浮动支撑结构是可持续的。所以本文以风能作为变量，以海面作为生态环境，以风机作为研究对象来展开论文的研究。本文某一风机为基础设计了Spar型海上垂直轴风机，通过对Spar型海上垂直轴风机的研究进行了方案的设计，并且进行了相关参数的优化，利用相关的软件进行了模型的设计和建模。传统水平轴风力发电机的简明比较并简要介绍了这些技术的优缺点。最后对此进行详细的研究和处理。通过对于Spar型海上垂直轴风机的研究所得到的结果显示载荷对于Spar 型垂直轴浮式风力发电机的纵荡、纵摇响应影响较大，对垂荡影响较小；波浪载荷对各自由度的运动响应均有较大影响。关键词：风浪；spar型；垂直轴；风机；运动响应IIIMotion response of Spar vertical shaft fan under wind and wave actionAbstractEnergy problem has become the focus of attention at home and abroad, and wind energy as a kind of permanent clean energy, has become the research object of domestic and foreign scholars. In order to further develop the offshore wind resources, most countries have pushed the landing wind farm to the farther sea area or the deep sea. From the economic point of view, it is sustainable to use floating support structure on the sea surface. So this paper takes wind energy as variable, sea level as ecological environment and fan as research object. On the basis of a certain fan, this paper designs Spar type marine vertical shaft fan. Through the research of Spar type marine vertical shaft fan, the scheme is designed, and the related parameters are optimized. The model is designed and modeled by using related software. The advantages and disadvantages of the traditional horizontal axis wind turbine are briefly introduced. Finally, the detailed research and treatment are carried out. The results obtained from the study of Spar type offshore vertical shaft fan show that the load has a great influence on the vertical swing response of the Spar vertical axis floating wind turbine, but has little effect on the heave. The wave load has great influence on the motion response of each degree of freedom.Key words: wind and wave; spar,;vertical axis; fan, motion response目录摘 要IIAbstractIII1 绪论11.1研究背景11.2海上风机浮式基础发展21.3浮式风力机31.4本文主要内容42 垂直轴风机结构设计52.1风机总体设计方案52.2风机类型的选取52.3 Spar平台的选取62.4 发电机的选用93 运动响应分析103.1运动参数103.2计算域建立113.3 网格划分113.4计算参数设置123.5算例与分析123.6 纵荡运动对能量利用率影响143.7 纵荡运动对叶片推力系数的影响144 结 论16参考文献17致谢191 绪论1.1研究背景随着科学技术的不断发展，以及社会文明的不断进步，能源的掌控对于国家的发展起到了不可忽视的问题。而传统的能源在国家发展的过程中在不断的消耗，作为不可再生能源的石油和煤炭的储量也在不断的减少，并且在传统能源消耗的过程中会对人类的生活环境造成很大的影响，所以在这种情况下，可再生的能源成为了科学研究者关注的对象。在21世纪的今天，在科学研究者的不断努力下，发现了很多可再生的清洁能源，例如太阳能，水利势能，等等。在迫切需要大量可再生清洁能源的情况下，科学家们发现了一种历史悠久的并且符合我国国情的清洁能源风能。首先风作为一种自然现象，是长久不衰的，在不同的地域都会存在着不同类型的风的自然现状，所以是可再生，并且用之不竭，取之不尽。其次中国的国土面积广阔，而且作为世界上最大的内陆国，其地形地貌有着千差万别的现状。对于风的形成有着很显著的影响。最后是中国的人口众多，对于能源的消耗也是很庞大的数字，所以对于可以持续大量的产生清洁的能源对于中国的反正有着不可忽视的作用。近几年来，有许多计划大规模开发海上风能，海域面积也很大。与历史悠久的陆地风电相比，海上风电在多个方面具有较大的优势1。由于需要提高可再生能源在全球能源生产中的份额并开发海上风能资源，风力发电场正在越来越远的海域进入更深的海域。在水深超过50米的地方，海底风力涡轮机的底部安装（即固定）支撑结构不是最经济可行的选择2Error! Reference source not found.。如图1-1所示，其所隐藏的能量是巨大的，并且随着水深的增加和离岸距离的增加，风能的含量就会增大。并且从图中可以看出，在水深不一样的情况下海上风机的情况3。从固定支撑结构到浮动支撑结构的过渡对深海海上风电场在不久的将来变得经济可行是至关重要的4。图1-1 海上风能分布1.2海上风机浮式基础发展 1994年英国的Garrad Hassan等人是最早对在Spar平台上采用悬链线系泊设置单涡轮风电机组进行详细研究。2006年以Spar为基础风电机组概念模型首次出现。2008年英国Blue H公司研制出首台海上浮式风机样机5。1.2.1浮式基础的类型现有三种浮式基础如图1-2所示，他们分别是Spar式、半潜式、以及TLP型式。然而这几个类型之间的有一定的区别。例如在一个基础上能否搭载多台机组6。图 1-2 三种浮式基础类半潜式基础：半潜式基础主要是由横梁，压板，支撑，立柱，系泊线和锚固基础组成。 该半潜式基础吃水少，运输安装稳定性好。 相应的成本比Spar和TLP要节省。TLP型式的基础：TLP型式基础主要是由圆柱形中心柱、矩形截面的浮筒和锚固基础组成。缺点是该系统结构复杂，安装成本高7。Spar型式的基础：通过压载舱，整个系统的重心降低到浮力以下，以确保整个风扇在水中的稳定性，然后通过辐射状排列的悬链线维持整个风扇的位置。Spar型基础吃水量大，垂直波的激振力小，起伏小。 因此，Spar形式的基础比半潜式基础具有更好的升沉性能。1.2.2浮式基础的环境载荷波浪载荷：波浪载荷也称为波浪力，是波浪对海洋结构的影响。 波浪荷载是由波浪水质点和结构之间的相对运动引起的。 波浪是一种难以用数学描述的随机运动。 常用的特征波法和谱分析法来确定8Error! Reference source not found.。风载荷:风荷载也称为风动压力，即工程结构上气流的压力。 风荷载与基本风压，地形，地面粗糙度，地面高度和建筑物大小有关。系泊系统回复力:我们知道在海面上建立平台进行风力发电，因为海面是一个不稳固的平台，所以需要系泊系统回复力来进行相关力学性能的加工，而在本文中所采用的是链-缆-链的系泊方式。1.3浮式风力机陆上风力发电行业已经达到相对成熟的水平，大部分大型风力发电机共用相同的配置：水平旋转轴，三叶片，逆风，变速和叶片变桨距（具有羽化能力）。 这已经是几十年研究和开发的结果，并且最初考虑了几种配置，其中包括具有不同叶片数量的横轴风力涡轮机（HAWT）以及垂直轴风力涡轮机（VAWT）配置。 实际上，Hywind和WindFloat这两个浮动式风力涡轮机原型机采用了2-2.3MW HAWT机器设计用于固定海上和海上基础9。Shires10指出，现代陆上VAWT是在随后几年中发展起来的。1973年的石油危机。这些设计是基于1922年法国工程师Georges Darrieus的专利，带有直的或弯曲的叶片围绕垂直轴旋转。如图2-1所示图1.3 垂直轴风力涡轮机1.3.1垂直轴涡轮式风力发电机的结构该发电机由控制系统，组合式钢架，多台发电机组，双层机房，垂直轴，联轴器，可转换集风和整流板，模块化风室，组合式风腔、垂直风轮、水平桨叶、支撑组合架、轴承。1.4本文主要内容本文一共分为章节进行相关课题的论述。第一章主要是绪论部分，在这个部分主要讲述了本课题的研究背景，并且针对查阅文献所得出的资料进行整理得出了本文的研究目的和意义所在。第二章主要讲述了spar型风力发电机的机械结构的设计方案，整体上分为三部分进行相应的机械设计。第三章主要讲述了运动响应分析。第四章是全文的总结。202 垂直轴风机结构设计2.1风机总体设计方案 关于垂直轴风机结构则是分为几个部分，第一个部分是风机部分，其次是接近海平面的spar平台部分，最后是所选取的电机以及风机安装环境的选取。2.2风机类型的选取最早的垂直轴风力发电机是一种圆弧形双叶片的结构（型或称为达里厄），但是型相对于后来两种的类型，受风面积要小，并且其相应的启动风速较高，一直未得到大力发展。近几年来，我国对型风机一直做了相关的实验和尝试，其结果并不令人满意。在计算机还没有高速发展的年代，型和H型风机的理念都是同时存在的，但是由于H型垂直轴风机的设计需要非常大量的空气动力学计算以及数字模拟计算，在缺乏类似于现代计算机的帮助下，采用人工计算的方法，计算一次所要花费的时间至少需要几年，而且这种方法得出的结果并不一定是正确的，所以在那个年代，人们根本无法完成这一设想。而如今到了数字化的现代，H型垂直轴风机相对于型垂直轴风机，H型的结构可多样化设计，设计起来比较复杂。结构比较单一，叶片只能承受张力，其本身没有离心载荷，导致风机自身的弯曲应力小。而两者所需的空间都比较大，自启性能差。最后是区别于前面两种的s型垂直轴风机，其自身的优点则是风力机的叶尖速比较慢，结构比较简单，自动启动的性能好，所占的空间比较小，随之带来的成本就比较低。本文选取类型则是这种s型垂直轴风机。三种类型如下图2.1所示。图2.1三种垂直轴风机2.2.1风机的设计方案本论文所采用的s型风机是由三个部分组成，分别为风轮、塔柱、机舱。其简单的示意图如下图2.2所示：图2.2 风机结构示意图通过查阅文献可以得知相关的技术参数。首先是这个机械结构的塔柱的高度，其数值为96m，而这个塔柱的直径设计数值为3.4m，在设计的过程中，所采用的风轮的直径其数值为15.36m，这样的设计尺寸就可以满足当前的设计环境，还有根据所处的环境，确定所使用的风轮的叶面的曲线类型为抛物线型，这样可以使得接触风流的面积可以达到741平方米，而所采用的电机的额定转速为5.5rpm,通过科学可靠的测试方式得到了在当地的额定风速为12m/s。通过对上述数据的统计和分析可以了解风机的工作过程和原理，首选是当风流作用于风轮上面的时候，因为风流会给风轮一个里的作用，这个作用力的大小和风速的大小以及接触面的大小有关，这个作用力会使得风轮按照力的方向上转动，通过转动把风能转换为动能，在把动能转换为电能。随着风流速度发生不同的变化，而风轮的速度也会发生不同的变化，并最终传递给风机的转速。2.3 Spar平台的选取受近岸用地日益紧张影响和对海上高品质风资源开发需求的驱动下，浮式风力机的研发成为海上风力机发展的热点领域，以张力腿平台（TLP）11、单筒平台（Spar）12、半潜式平台（Semi-submersible）13为深水平台载体支撑水平轴风力机的研究工作已广泛开展。Spar型相对于其他种类来讲有着很多优点，首先是对于水的波动有着很好的性能，其次具有较深的吃水性，而且在风浪作用下的摇摆周期有一个很好的把握。这个类型的底部浮式基础从1997年开始出现经过20多年的研究和发展经历了很多改变。从Classic Spar到Truss Spar，其机械性能和对材料的把握都有了很大的改变。目前,Spar已发展为3种比较成熟的平台型式14即传统式平台(传统式Spar台)、桁架式平台(Truss Spar)和多柱式平台(Cell Spar)。下面的图片展示了Spar型平台的变迁过程和机械结构，如下图2.3所示：图2.3 Spar型平台结构示意图2.3.1传统式Spar平台(Classic Spar)传统式Spar平台如图2.3.1,其主体是一个大直径、大吃水的具有规则外形的浮式柱状结构, 主体中一种是硬舱, 位于壳体的上部, 用来提供平台的浮力; 中间部分是储存舱, 在平台建造时, 底部为平衡稳定舱, 当平台已经系泊并准备开始生产时, 这些舱则转化为固定压载舱, 主要用来降低重心高度; 还有一些压载舱, 用于吃水控制。中部由系泊索呈悬链线状锚泊于海底。系泊索由海底桩链, 锚链和钢缆组成。锚所承受的上拔载荷由打桩或负压法安装的吸力锚来承担。导缆孔通常位于硬舱的下部15。图2.3.1 传统式Spar平台2.3.2 桁架式Spar平台(Truss Spar)根据第一代传统式Spar平台，运用桁架结构来替代其柱体的中部结构，以此得到一种新的Spar平台，叫做桁架式平台(Truss Spar)。如下图2.3.2所示。桁架式Spar平台由无内倾立腿、水平撑杆、斜杆和垂荡板组成。与第一代传统式Spar平台相比，第二代桁架式Spar平台可以节省50%的钢材，从而大大的节省建造的费用。并且由于其开放式架构设计，大大的减小了主体的受力面积, 进而减小了平台在相应方向上的运动响应;本文采用桁架式平台的结构形式设计浮式基础。图2.3.2 桁架式Spar平台2.4 发电机的选用本文所采用的是永磁直驱型风力发电机，与双馈式风力发电机成为国内现阶段主要使用的两种风机16。相比于双馈式电机，永磁直驱风机的优点则有：（1）结构简单紧凑，机组的可靠性和可利用率大幅的提高，进而发电量也提高。（2）传动效率高，传动链短，机组的无励磁损耗，提高了运行效率，且在此提高发电量。（3）运行成本低，机组无薄弱环节，故障率有明显的下降，减少了维修的费用。（4）低转速，机组整体没有高速转动的部件，降低了运行时发出的噪音，提高了使用的寿命。此外，我国领土靠海区域广，特别是我国东南部近海地带，风能资源非常地丰富，其密度超过300W每平方米。在5米到25或50米水深，高50或70米处，所产生的能源能达到200到500GW，因此有很大的发展前景。并且在三类风区中，低风速占了其中的全部风能资源的50%左右，永磁直驱式风力发电机在此条件下能发挥很好的作用。发电机如下图2.4所示。图2.4 永磁直驱发电机3 运动响应分析3.1运动参数 美国可再生能源实验室设计的5 MW水平轴风力机11是目前海上浮式风力机研究热点之一，为了匹配单机5 MW额定功率，首先需要对直叶片垂直轴风力机几何尺寸进行设计。设垂直轴风力机在自由来流速度V下以恒定角速度转动，为了分析方便定义如下无量纲参数式中， R风力机半径； 叶尖速比；轮机密实度；轮机能量利用率系数；轮机转矩系数；叶片对轴转矩；单个叶片推力；单个叶片推力系数；当地空气密度。若要达到同样的功率P，要求风轮迎风面积S满足式（6）中，下标“h”、“v”分别代表水平轴风力机和垂直轴风力机。假设垂直轴风力机的直径和5 MW水平轴风力机相同，可以得到叶片高度H，接着估计叶片雷诺数值确定能量利用率较大的密实度范围，根据密实度计算得到弦长 ，叶片数取30，风力机主要属性见表3。表3 风力机主要参数Table 3 Wind turbine properties参数名称符号值单位风轮直径D126m叶片高度H136m叶片数Z3叶片翼型NACA0018叶片弦长C5.25m密实度0.253.2计算域建立整个计算域尺寸为950250270 m，如图3.2所示。计算需要同时模拟风力机的旋转、平台的纵荡运动，因此将整个计算域分为旋转域、运动域和静止域。叶片的运动通过叠加域旋转技术实现，即在三个叶片外包一个圆环柱体令其旋转，为旋转域；运动域用于实现风力机和平台的运动。计算域除去旋转域和运动域为静止域。图3.2计算域构成及表面网格3.3 网格划分在采取数值方法求解控制方程的时候，可以通过控制方程在空间区域中进行离散来求解方程组，而在空间域上想离散控制方程就一定要使用网格，因为网格划分是定义这一系列离散点坐标的技术方法。在二维问题上，网格单元常用的是三角形和四边形的形状，在三维问题上，常用的是三棱体、四面体和六面体的形式。在计算域整体区域内，网格是通过节点来进行连接的。理论上来说，立轴式风力机的运动是在无限大的区域上，在数值模拟的边界也需要尽可能的大。由于本文所对比的是实验值，所以根据立轴式风力机模型的几何参数来建立计算域，在创建简单几何时选择方形计算区域。按照网点间的邻接关系，可以将网格分为结构化网格、非结构化网格与混合网格（即结构网格与非结构网格相结合）。以上所有网格划分方式都需要通过流场的结构来决定网格的密度；在流场变化较大的地方（如边界层内部或分离线附近）进行网格划分时，需要增加网格的密度；相反，在流场变化小的地方划分网格可以适量减小网格密度。综上所述，在网格划分的时候，在近壁面区域采用结构化网格，其他的区域部分采用非结构化网格，并且叶片的表面附近进行网格加密。整个计算域网格划分采用非结构化网格方式，网格模型具体为六面体模型和边界层网格模型，半潜平台和叶片表面网格如图3.3所示。边界层总厚度0.06 m，边界层网格增长率为1.5，一共10层网格，第一层网格厚度为0.8 mm，网格总数量约为600万。图3.3半潜平台网格和叶片处网格3.4计算参数设置进口边界设定为速度进口，出口边界采用压力出口边界条件；流体设定为自由滑动墙面；旋转域给定恒定转速。计算模型中选取了分离流模型、欧拉多相流模型、VOF波模型、SST k-Omega湍流模型；求解器采用了隐式非定常方法，对流项采用了二阶迎风格式离散，时间步长为0.02 s。锚链在计算时简化为悬链线，平台的运动由锚链力、VOF波浪力和气动力结合6自由度求解器(6-DOF)得到。3.5算例与分析参照Jonkman计算水平轴半潜式浮式风力机的工况11，额定风速V=11.2 m/s，波浪周期T=7.5 s，波高0.96 m。取风力机转速 为0.711、1.156、1.267 rad/s，对应工作速比为4、6.5、7.12，分别代表低速比、中等速比、高速比工况0。3.5.1 纵荡运动响应规律图3.4给出在这三种速比下平台纵荡响应（Surge RAO）随时间的变化规律，可以看出平台纵荡频率随风力机速比增大而增大，纵荡幅值随速比增大而减小，但纵荡均值随速比增大而增大，说明相对于低速比运动，高速比运动时平台在一个较大的位置高频小幅振荡。图3.4不同速比下转矩与纵荡时历曲线3.5.2 纵荡运动对叶轮转矩的影响图3.5（a）、图3.5（b）分别给出了速比为4和6.5下风力机瞬时转矩系数 和纵荡运动随时间的变化曲线。可见风力机瞬时转矩的峰值出现在平台受锚链力作用做回复运动时刻附近，如图3.5（b）中t为25、73、122 s时。平台运动速度和自由来流速度的叠加构成叶片的迎流速度，当平台纵荡运动与风向、浪向同向时，叶片迎流速度小于自由来流速度；反之，叶片迎流速度大于自由来流速度，由式（3）知转矩正比于风速的立方，因此纵荡沿浪向运动的风力机平均转矩（Q+）小于回复运动的转矩均值（Q-）。图3.6给出了速比4、6.5、7.12下这两者的比较，可以看出surge对转矩的影响随着速比增大而增大：在速比4时Q-比Q+提升1.28%，当速比7.12时Q-是Q+的2.76倍0。(a) 转矩系数和纵荡随时间变化(=4)(b) 转矩系数和纵荡随时间变化(=6.5)图3.5 不同速比下转矩与纵荡时历曲线图3.6 沿风浪向运动与回复运动转矩比较3.6 纵荡运动对能量利用率影响图3.7给出了相同速比下平台纵荡运动时风力机的能量利用率 和平台静止只有风力机旋转的能量利用率 的比较。与陆地风力机比较，受纵荡运动影响，海上浮式半潜垂直轴风力机在一个纵荡周期内的能量利用率在低速比时有所提高，在高速比时降低，能量利用率峰值提高约10%。图3.7纵荡运动能量利用率比较3.7 纵荡运动对叶片推力系数的影响单个叶片推力系数 在速比4和6.5下的变化规律如图7所示，可以看出推力系数的变化规律与转矩同频变化，在高速比时幅值较大且波动激烈，这对于叶片载荷是不利的，因此在设计时应当选取合适的锚链减少纵荡运动的幅度。(a) 推力系数随时间变化(=4)(b) 推力系数随时间变化(=6.5)图3.7 不同速比叶片推力系数变化4 结 论采用STAR-CCM+对5 Mw直叶片半潜型垂直轴风力机纵荡时的气动载荷进行了计算分析，研究结果表明：1) 平台纵荡的频率和幅值随着速比的增大而增大，在以该类风力机为主体布置海上风场的时候应该考虑纵荡运动的影响，图3给出的纵荡运动RAO响应规律可以作为参考；2) 叶轮转矩系数受纵荡运动影响在高速比下较为明显，总的说来当平台运动为纵荡正向时叶轮转矩减少，平台做回复运动时转矩增大，转矩的峰值在平台回复运动时刻附近，这个规律对于分析叶片疲劳较为重要；3) 一个纵荡周期内的同型海上垂直轴直叶片风力机的能量利用率在小速比下高于同型陆地风力机，在大速比下低于同型陆地风力机且峰值略高，这对于统计全年发电量有重要意义；4) 单个叶片的推力系数变化规律和叶轮转矩系数一致。参考文献1 邱雨. Spar型浮式垂直轴风力机系统的运动响应研究D.天津大学,2016.2 Jonkman, J. M. and Matha, D. (2013), Dynamics of offshore floating wind turbinesanalysis of three concepts, Wind Energy, vol. 14, no. 4, pp. 557-569.3 海上风机Spar型浮式基础的运动特性研究.李溢涵,20114 Modelling and analysis of a floating spar-type wind turbine drivetrain, Wind Energy.Yihan Xing,Madjid Karimirad,Torgeir Moan.20145 陈达编著. 海上风电机组基础结构. 北京：中国水利水电出版社, 2014.01.6 夏云峰. 浮式基础:海上风电规则改变者J. 风能, 2017(4):38-40.7 胡军,唐友刚,阮胜福. 海上风力发电浮式基础的研究进展及关键技术问题J. 船舶工程,2012,34(02):91-95.8 刘斌.波浪荷载作用下深水桥梁的振动控制D.西南交通大学,2013.9 Borg, M, Shires, A and Collu, M (2014) Offshore floating vertical axis wind turbines,dynamics modelling state of the art. Part I: Aerodynamics. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 39. 1214 - 1225. ISSN 1364-032110 Shires, A. (2013), Design optimisation of an offshore vertical axis wind turbine,Proc. Inst of Civil
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