（流体力学专业论文）海上浮式风力发电机组载荷及结构性能研究.pdf

c a n d i d a t e ：h u a n gj u n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gl i a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ： f l u i dm e c h a n i c s d a t eo fs u b m i s s i o n ： j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i ， ( 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：搿陟 日期：沙fo 年专月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 倒在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：多、 妒导师( 签字) ：琴包b 日期： 沙卜年弓月 日2 研。年弓月7 日 f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 海上风电由浅水走向深水是国际风电发展的新领域，在深水海域建立浮 式风电场成为未来的一种趋势。国外在这方面相关技术的研究和装备的研制 已经取得很多成果，而我国尚处于起步阶段。本文设计了3 m w 海上浮式垂直 轴风力机以及其支撑平台，其中风机的空气动力学性能、结构强度以及平台 水动力性能为重点研究对象，具体开展了以下研究工作： 1 、基于动量定理的流管模型理论，预报垂直轴风机叶轮的气动载荷并总 结了变化规律，再根据风机功率设计要求，依次确定风机叶轮的基本参数和 工况设计参数，以及拉索长度和浮体结构形式。 2 、拉索是保证垂直轴风机运行的重要组成部分，拉索的参数、频率、强 度以及刚度直接关系到风机的安全。本文利用拉索的相关理论进行设计，使 拉索满足设计要求。频率和应力是设计拉索的两个主要因素，本文计算了拉 索在不同预应力下的频率和分析了风机在最危险情况下的受力，并对拉索刚 度进行分析。 3 、进行风机结构模型的动力分析，得出风机叶片和转子系统的固有频率， 使风机在运行中避免产生共振。计算风机关键结构的强度，使它们所受的应 力和应变在许用范围内。 4 、利用h y d r o s t a r 软件计算浮式风机平台的水动力性能，然后在a r i a n e 软 件中导入水动力数据，根据浮式风机浮体的特点布置锚链，对整个系泊系统 进行时域耦合分析，使海上浮式风机的六自由度运动响应和锚链强度满足风 机安全要求。 本文提出的浮式风机概念及其系统的性能设计和研究工作，为以后浮式 风机的设计及研究提供了参考价值 关键词：浮式；垂直轴风机；气动载荷；拉索；锚泊 ， 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a b s t r a c t o f f s h o r ew i n df a r mf r o ms h a l l o ww a t e rt od e e pw a t e ri saf r o n t i e ri nt h e n a t i o n a ld e v e l o p m e n to ft h e 丽1 1 df a r m ，a n di nt h ed e e pw a t e rb u i l d i n gf l o a t i n g w i n df a r mb e c o m e san e wt r e n d t h ed e v e l o p m e n to fi t s e q u i p m e n t sh a v e s u c c e e di nt h er e s e a r c hr e l a t e dt ot h i st e c h n o l o g yo fo f f s h o r ew i n dt u r b i n e s ( o w t ) i nf o r e i g nc o u t r i e s ，w h i l ec h i n ai sj u s to nt h et h r e s h o l di nt h i sa s p e c t t h es u r p o r t i n gp l a n t ，a e r o d y n a m i cl o a d s ，s t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dh y d r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e so ff l o a t i n gv e r t i c a l a x i sw i l l dt u r b i n eo f3 m wa r et h ei m p o r t a n t e l e m e n t sw h i c hw e r es t u d i e di nt h ep a p e r t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa s f o l l o w i n g ： 1 t h ea e r o d y n a m i cl o a d sw e r ep r e d i c t e da n dt h em o v e m e n tl a ww a s s u m m a r i z e db ys t r e a m t u b em o d e lt h e o r yb a s e do nm o m e n t u mt h e o r e m t h e nf o l l o w i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ew i n dt u r b i n ep o w e r ，t h e b a s i cp a r a m e t e r so ft h ew i n dt u r b i n ei m p e l l e ra n dt h ed e s i g np a r a m e t e r s o fw o r kc o n d i t i o n , a sw e l la sc a b l el e n g t ha n df l o a t i n g b o d ys t r u c t u r e ， w e r ed e t e r m i n e d 2 c a b l e s ，w h i c he n s u r et h ev e r t i c a lt u r b i n ew o r kw e l l ，i sa ni m p o r t a n tp a r t o f 晰n dt u r b i n e p a r a m e t e r s ，f r e q u e n c y ，s t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fc a b l e d i r e c t l ya f f e c tt h es a f e t yo fw i n dt u r b i n e b yt h eu s eo fr e l e v a n tt h e o r i e s ， c a b l e sw e r ed e s i g n e dt om e e tr e q u i r e m e n t si nt h ep a p e r i nt h ep r o c e s so f d e s i g n i n gc a b l e ，f r e q u e n c ya n ds t r e s sa r et h et w om a i nf a c t o r s t h i st e x t n o to n l yc a l c u l a t e df r e q u e n c i e sa td i f f e r e n ti n t i a ls t r e s sa n da n a l i z e dt h e t u r b i n ef o r c eu n d e rt h em o s td a n g e r o u ss t a t e ，c a b l es t i f f n e s sa l s ow a s s t u d i e d 3 n a t u r a lf r e q u e n c i e so fw i l l dt u r b i n eb l a d e sa n dr o t o rs y s t e mw e r eg a i n e d b yd y n a m i ca n a l y s i so fs t r u c t u r a lm o d e l s ，s ot h a tr e s o n a n c ev i b r a t i o nc a n b ea v o i d e dw h e nw i n dt u r b i n ei sw o r k i n g t h ek e ys t r u c t u r a ls t r e n g t hw a s c a l c u l a t e di no r d e rt om a k et h ef o r c ea n ds t r e s si nt h ea l l o w a b l er a n g e ， _ 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 t h ep l a n t f o r m sh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff l o a t i n gv e r t i c a l a x i s w i n dt u r b i n ew a sc a l c u l a t e db yh y d r o s t a r ，a n dt h e nt h eh y d r o d y n a m i c d a t aw a si m p o r t e dt oa _ d a n e m o o r i n gl i n e sw e r ea r r a n g e da c c o r d i n gt o t h ef e a t u r eo ff l o a t i n g - b o d ys t r u c t u r e t h ee n t i r em o o r i n gs y s t e mw a s a n a l y s e db yt i m e d o m a i na n a l y s i s ，s ot h a tf l o a t i n gw i n dt u r b i n e s 6 - d o fm o t i o n r e s p o n s e a n d m o o r i n g l i n e sc o u l d s a t i s f ys a f e t y r e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r ，t h ec o n c e p to ft h ef l o a t i n gv e r t i c a l a x i sw i n dt u r b i n ei s p r o p o s e da n dt h er e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a c eo ft h es y s t e mw i l lp r o v i d ea s i g n i f i c a n tr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：f l o a t i n g ；v e r t i c a l a x i s w i n dt u r b i n e ；a e r o d r 7 n a m i cl o a d s ；c a b l e ； m o o r i n gs y s t e m f 2 3 4 撑杆”1 6 2 3 5 浮体形式1 6 2 3 6 拉索1 6 2 4 风机参数和工况18 2 5 本章小结”2 2 第3 章风机气动载荷2 3 3 1 风机叶轮的运动与受力”2 3 3 1 1 风机叶轮的运动”2 3 3 1 2 叶素理论”2 3 3 1 3 叶片受力一2 4 3 2 流管模型2 7 3 2 1 贝茨( b e t z ) 理论( 动量定理) 2 7 3 2 2 单盘面一多流管模型( s d m t ) 2 8 3 3 设计风机计算”3 0 f 3 第4 4 4 2 拉索所受载荷”3 8 4 3 拉索参数“3 9 4 4 拉索自由振动”4 0 4 4 1 拉索平面外振动”4 1 4 4 2 拉索平面内振动”4 2 4 4 3 拉索弦向振动”4 4 4 5 拉索风载荷”4 4 4 6 拉索方程式”4 5 4 6 1 拉索的非线性刚度方程“4 5 4 6 2 拉索节点水平载荷“4 6 4 6 3 三方拉索计算”4 7 4 7 拉索刚度计算“5 0 4 7 1 拉索弹性静力刚度一5 0 4 7 2 拉索弹性动力刚度”5 1 4 8 本章小结“5 3 第5 章结构强度分析“5 4 5 1 风机结构强度分析”5 5 5 1 1 叶片在重力作用下的受力分析一5 5 5 1 2 叶片在极限风速下的受力情况”5 6 5 1 3 塔架在极限风速下的受力情况“5 7 5 1 4 重力作用下的转子系统受力分析”5 9 5 1 5 转子系统在额定转速下的惯性力作用”5 9 5 1 6 风机转子系统在安装过程中的倾斜受力“6 0 5 1 7 拉索立柱 5 2 塔架的屈曲 5 3 本章小结6 5 第6 章风机模态分析6 6 6 1 固有模态分析”6 6 6 1 1 动力学系统方程”6 6 6 1 2 特征值问题”6 6 6 2 模态分析结果”6 9 6 2 1 叶片模态分析”6 9 6 3 振动动力特性7 8 6 4 本章小结“7 9 第7 章浮式风机水动力和锚泊系统8 0 7 1 势流理论”8 0 7 1 1 速度势的求解“8 0 7 1 2 速度势的分解与定解条件8 0 7 1 3 一阶水动力“8 2 7 1 4 一阶运动响应”8 2 7 1 5 二阶定常力“8 2 7 2 浮式风机主要参数”8 3 7 3 浮式风机的水动力计算8 3 7 3 1 附加质量和阻尼系数”8 3 7 3 2 浮式风机的一阶波浪力和一阶运动响应”8 6 7 3 3 浮式风机的二阶波浪力”8 9 7 4 锚泊系统设计分析”9 0 7 4 1 锚泊系统的布置”9 0 7 4 2 锚泊系统的力学分析”9 1 7 4 3 浮体运动模型”9 2 7 4 4 锚泊浮体运动模型9 2 7 4 5 锚链浮体系统耦合分析方法“9 2 7 4 5 环境参数”9 3 丝扣 ，一 哈尔滨工程大学硕七学位论文 7 4 6 单风机模块计算结果分析9 3 7 5 本章小结”9 5 结论。9 6 参考文献9 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 0 1 致谢1 0 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去的2 0 0 多年，建立了煤炭、 石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。 然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模 使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了 不少国与国之间，地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。因此，为了 满足人类对能源的需求，在大量消费煤炭、石油、天然气等不可再生能源的 同时，积极开发可再生能源已是人类一项十分重要的任务。 我国经济正在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的 环境保护要求的严峻挑战。依靠科技进步，开发利用新能源和可再生能源等 是我国长期的能源发展战略，也是我国建立可持续能源系统最主要的政策措 施。 风能是最清结、无污染的可再生能源之一。风力被称为“蓝天白煤”， 是取之不尽的清洁能源。风力发电技术成熟，在可再生能源中成本相对较低， 有着广阔的发展前景。当今世界上风力发电正以3 0 的年增长率速度发展。 我国拥有十分丰富的近海风资源，近海1 0 米水深的风能资源约1 亿千瓦，近 海2 0 米水深的风能资源约3 亿千瓦，近海3 0 米水深的风能资源约4 9 亿千 瓦，我国海上风能的量值是陆上风能的3 倍，具有广阔的开发应用前景。中 国是目前世界上增长最快的风力发电市场。中国最近出台的一些法律和政策 鼓励发展风力发电和其他清洁能源。目前中国8 0 的能源需求都来自煤炭， 风力发电在中国能源消耗中所占的比例还不足o 4 。 漂浮式海上风力发电机可以把海上丰富的风力资源转化为“绿色的低 成本的电能。这种电能的成本比火电厂的电能成本更低。通过把低成本的漂 浮式风力发电机安置在海边的强风区域，利用低成本、无方向性的漂浮式垂 直轴风力发电机来发电。 l i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一旦在全世界的强风区域都充分发展和建立这种漂浮式海上风电场，那 么海上风能将可替代火力发电成为主要的电力来源。同时，由于风能取之不 尽及对环境不造成污染，大量的交通工具可利用风电而放弃汽油，这将是能 源界的巨大进步。随着石油用量的降低，大气污染、气候变化等问题也将随 之缓解，地球环境将更加清洁、安全、适宜居住。 在世界上许多地区，海上的平均风速超过l o m s ，而风力与风速的3 次 方成正比。因此当风速增加4 4 3 时，风力将增加3 倍以上。以江苏东台为 例，黄海岸边的平均风速是7 m s ，被认为是建造风电场的好地方，中国国家 发改委已经计划在黄海沿岸选址建造一座总装机容量为1 2 5 0 m w 的风电场。 若风速达到1 0 1 m s ，那么风力将是黄海沿岸的3 倍，但是强风往往出现在海 上，且是离岸较远的深海。因此必须研发一种用于深海的漂浮式垂直轴风力 机。 海上风电场是国际风电发展的新领域，其最大的优势就在于海上风速更 高且更易预测，此外，海上没有障碍物，风力资源可以得到充分利用。已有 欧洲公司在海上进行了将近3 0 年的风速测量试验，他们了解到海上的平均风 速要高于陆地，这为未来充分开发海上风能资源莫定了非常重要的科学基 础。在风力发电应用比较成熟的欧洲，北部海域6 0 米高度的平均风速超过8 米每秒，预计比沿海好的陆地风场的发电量高2 0 4 0 。海上风能的利用， 对于那些陆地国土面积很小，却拥有良好海洋条件的能源匾乏的国家来说， 是非常合适的。在欧洲近海区域，风能资源相当丰富，可供开发的潜力巨大， 加之欧洲国家大部分陆地风力资源好的地区，风能已经基本得到开发，在陆 地上安装风力机受到场地限制的矛盾也日益突出，因此，从2 0 世纪9 0 年代 开始，这些国家开始在近海区域尝试建造海上风力发电场。随着欧洲风力发 电工业的迅速发展和风力发电机组单机容量的逐步加大，海上风力发电场的 发展越来越快，规模也逐步增大，已成为未来风能利用的必然趋势。 1 2 海上风电的特点 2 广 哈尔滨工程大学硕士学位论文 世界各国开始选择建造海上风电场，主要是受到需要可再生能源以满足 国家和全球对气候变化、可持续性、清洁能源及多种能源供应的迫切要求； 许多可再生能源在经济上不成熟( 例如太阳能、波浪、潮汐) ；虽然陆上风 电受到公众认可，但是存在土地使用限制的问题。海上风电场具有自己独特 的优势： 1 、与陆地相比，海上风速较高，约高出2 0 - - - 1 0 0 ，发电功率约为陆 地的1 7 1 8 倍。 2 、陆地因地面高低不平，对风力、风向、风量均有影响，有时还会引起 紊流，对风轮叶片会产生破坏力，引发振动和疲劳断裂。而海洋风情稳定， 海面平坦，不会引发功率的异常变动和对叶轮的破坏。在开阔、平坦、稳定 度正常的地区其风速比约为1 7 。风能的大小与风速的立方成正比，显而易见， 在高空捕获的风能远比地面为大。但是在海面上由于粗糙度低，大气稳定， 风速较高。 3 、海面上空高度上的风速变化不大，因而支撑风轮机的塔柱不必太高， 可以降低造价，减少安装和维护费用。 4 、环境条件要求较宽，不必担心电磁波、噪声等对居民的影响，甚至可 以实施高速运行。 5 、由于现场施工条件比陆地上困难，以及需敷设长距离的海底电缆，所 以造价约比陆地上高6 0 。但发电量可比陆地上增加5 0 以上，而且年利用 时数也高一些，所以总的来说，海上风电场的建设还是经济的。陆地风电场 的年利用时数为2 0 0 0 h ，最高也不过2 6 0 0 h ，而海上风电场可达3 0 0 0 h 。 海上风电的上述好处，促使人们将大型风电转向海洋。当今世界风电机 组的大型化发展很快，风电产业也以大型为主，产品的平均功率各国竞争攀 升。大型化的含义有3 种：尺寸大、单机容量大、装机容量大。 虽然海上建立风场有这么多优势，但与陆上风电场相比，海上风电场技 术难度更大。工程开始之前需要在海上竖立测风塔，并对海底地形及其运动、 工程地质等基本情况进行实地观测；其次，海上风电场面对风和波浪的双重 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 负荷的考验，对风电机组支撑结构( 包括塔架、基础和连接等) 要求很高； 海上风电机组的单机容量更大，制造技术变得复杂，对风电机组防腐蚀等要 求更为严格；另外，海上气候环境恶劣，天气、海浪、潮汛等因素复杂多变， 风电机组的吊装、项目建设施工及运行难度更大。在维护方面，与陆地环境 不同，海洋风电设备特别是暴风雨天气的维护检修难度很大，费用很高，直 接影响电力成本。有时需用直升机，应尽量减少这类费用。风能是可再生能 源，风力不存在资源枯竭的问题，因此具有相当大的发展潜力，风能具有间 歇性，风力发电必须和一定的其它形式能源或储能方式结合。风能的能量密 度低，空气的密度约为水的密度的1 8 0 0 ，因此，同样单机容量下，风力发 电设备的体积大、造价高，单机最大容量也受到限制。由风能转换成机械能 的最大效率为6 0 ，实际上一般在4 0 左右，最大不超过5 0 ，而由风 能转换成电能的总效率大约为1 5 - 3 0 。 目前中国的火电价格平均在每千瓦时o 3 元左右，而按照其成本核算， 风电价格应该在每千瓦时0 6 元左右，其中海上风电的价格又要比陆上风电 高，一种推测是约高出6 到7 成。据悉，目前江苏沿海兴建的两处陆上风电 场电价已经确定，一度电为0 4 8 7 7 元。 图1 1 海上风电资金成本图 上图为海上风电资金细目分类数据， 有代表性的5 0 0 m w 海上风电项目导出， 4 、一嚣”船嘲 是利用g h 成本分析模型为一个具 成本的高低取决于距海岸的距离、 水深和安装市场。 过去p a s t 图1 2 风能总体经济效益走势图 图中可以清楚的知道，在建造海上风电场需要经过两个风能成本峰值， 才能逐渐减小海上风能成本，在陆上风电技术已经基本成熟后，在向海上风 电进军时，两者的资金成本构成有很大的不同，只有技术的不断完善，才能 使海上风电蓬勃发展。 1 3 海上风电的形式和基础类型的比较 水深是决定风机基础类型选择的重要因素。人们根据多年来海洋平台的 使用和研究，可以按水深确定最佳的基础类型，水深划分为以下几个区间范 围：o - - - 2 0 m ，2 0 1 2 0 m ，1 2 0 - - 2 0 0 m ，2 0 0 , - 一- 3 5 0 m ，3 5 0 - 6 0 0 m ，6 0 0 m 以上。基础类型主要有以下几种： 单桩基础：是最简单的基础结构，单桩基础通过侧面土地的压力传输风 机负载，单桩基础的深度与土壤强度有关。单桩基础由焊接钢管组成，根据 安装方式不同，桩和塔架之间的连接可以是焊接法兰连接，也可以是套管法 兰连接。单桩基础可以由液压锤撞击入海床，或者在海床上钻孔，二者在桩 的直径的选择上有一些区别。液压锤撞击入海床的方法，桩的直径要小一些， 海床上钻孔的方法，桩的直径可以大一些，但壁厚要适当减小。如图1 3 ( a ) 所示。 三脚架基础：采用标准的三腿支撑结构，由圆柱钢管构成，在海洋油气 工业中常见。这种概念由单塔架结构简化演变而来，同时增强了周围结构的 o y本嘲 曦mf黧 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 刚度和强度。三脚架的中心轴提供风力机塔架的基本支撑，类似单桩结构， 三脚架可以采用垂直或倾斜管套。如图3 ( b ) 所示。 导管架基础：典型的导管架式基础为三腿或四腿结构，由圆柱钢管构成。 如图3 ( c ) 所示。 重力基础：重力基础从结构上看，相当于一个塔架固定安放在重力基础 上，主要设计考虑是避免重力基础和海床间的浮力，这点通过施加足够的压 载物达到，所以重力基础在几种基础结构中重量较大。有时考虑到减少冰载 荷，可以采用锥形形状。如图3 ( d ) 所示。 负压桶基：是一种新的基础结构概念，所谓负压是指用来安装桶基时用 的方法，目的是负压效应可以部分地承担动态峰值负载。这种方法是传统桩 基和重力基础的结合，如图3 ( e ) 所示。 浮动平台结构：浮动平台结构，如张力腿平台( t e n s i o nl e g pl a t f o r m s ) 、 s p a r 、半潜式平台和锚链固定平台都是海洋油气工业常用的结构形式，但它 们在海上风电行业的应用还是首次，安装水深可达到1 0 0 0 m 以上，如图3 ( 0 所示。 圈一廖 园8 圈 l 订级堰锻驻 醐i o 辩 1 u e k c ol o 搬力糍；神p 蠹t 蛾i n 彗l ，弦， 图1 3 风机基础类型 不同的基础类型各自有自己的优缺点，海上风机在确定安装海域后，可 以根据三个方面来决定基础的类型，包括应用范围和自身的优点和缺点。 6 表1 1 基础类型的比较 基础类型应用范围优点缺点 多种条件，最好是浅简单，轻，通用，安装尺寸大而昂贵，可能需 单桩 水，地质软。最深3 5 m在岩石上钻孔，移动困难 多种条件，最好是不 刚性非常强，而且制造和吊装非常困难，不便 多桩深的软地质，适合的 通用 于移动 水深为3 0 米以上 重力地基所有土壤条件都可以漂浮式安装由于重量大而昂贵 较混凝土轻；运输在防止海水腐蚀方面有昂 所有土壤条件都可和安装方便，可以贵费用，需要安装阴极防护 钢重力地基 以，较混凝土式水深使用陆地吊装用系统，比浅水中的混凝土式 起重机，费用低地基昂贵 安装便宜，便于移 单吸引式沉箱沙土，软粘土安装的地质材料受限 动 安装便宜，便于移 安装的地质材料受限，建造 多吸引式沉箱沙土，软粘土，深水 动费用较高 建造地基的费用停泊和平台费用高。避开航 浮式水深较深 低，对水深不敏感 海和人角的海域 1 4 海上风力发电场的现状 国家发改委提出新的风电发展目标，预计到2 0 2 0 年全国将达到2 0 g w 的风电装机容量。要实现这个目标，以及考虑到今后的发展，还得着手海上 风电和近海风电场的研究和开发。 哈尔滨工程大学船舶工程学院张亮教授和王晓天教授带领的科技团队受 中国海洋石油总公司渤海石油安装公司委托，于2 0 0 7 年1 0 月1 2 日至1 1 月 2 日，对风力发电系统做了数项主要技术服务。地处渤海辽东湾的中国首座 海上风力发电站已经投入运营。这为今后中国海上风电发展提供了技术，积 累了经验，标志着中国海上风电发展取得突破。 目前，上海东海大桥千米之外的大海中，一座亚洲第一的大型海上风电 场正在建立。国家发改委确定的第一个风电场示范项目，已经完成了首台 3 0 0 0 千瓦的风机安装，而围绕着这个高为8 0 米，直径为9 2 米的风机周围， 更多的风能电站也正在规划之中。中国海洋石油总公司将在山东省威海市海 域建设总装机容量11 0 万千瓦的全球最大海上风电项目。 中船重工( 重庆) 海装风电设备有限公司已启动国内首款5 兆千瓦时海上 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 风力发电机组的研发，即将进军全球海上风电装备市场，该公司承担的5 兆 千瓦时双馈式变速恒频近海风电机组整机设计、集成及示范项目，正式列入 国家科技支撑计划。 表1 2 我国正在筹建的海上风电场 地点l ，“东南澳l 上海l 浙江岱山i 江苏如东i 江苏东台l 山东威海i 河北黄骚 图1 4 东海大桥海上风电场 美国工程院院士、国际风电先驱鲍亦和发明了陆地上的垂直轴式风力发 电机后，逐步探索、改造，计划将它移到了大海上。这种垂直轴式浮海风力 发电机高1 0 0 米左右，由一根长柱和两片弓形的页片组成，它底端固定在浮 箱上，并用锚链将浮箱拉在水下一定位置，比较重的蓄电设备都集中在长柱 下端。下面重，上面轻，就像不倒翁的原理一样，发电机即使没有海底桩， 也不会倒。省了很多材料成本，也节省了安装、维修费用。 在欧洲近海区域，风能资源相当丰富，可供开发的潜力巨大，加之欧洲 国家大部分陆地风力资源好的地区，风能已经基本得到开发，在陆地上安装 风力机受到场地限制的矛盾也日益突出，因此，从2 0 世纪9 0 年代开始。这 些国家开始在近海区域尝试建造海上风力发电场。随着欧洲风力发电工业的 迅速发展和风力发电机组单机容量的逐步加大，海上风力发电场的发展越来 越快。规模也逐步增大，己成为未来风能利用的必然趋势。 迄今为止，欧洲已经建成1 4 个海上风电场，主要在丹麦、瑞典、英国和 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 德国，并且这些国家都制定了不同阶段的海上风电发展计划，如丹麦计划到 2 0 3 0 年达到4 5 0 万千瓦的海上风电装机能力：瑞典计划到2 0 0 8 年在南部和 中部海岸建设5 6 万千瓦风电场；德国计划到2 0 2 0 年在北海和波罗的海实现 2 0 4 0 万千瓦风电装机；英国也制定了开发7 2 0 万千瓦海上风电的计划。 表1 3 国外海上风电场概况 建成风机 离岸距离水深 轮毂高度基础 地点 年份 ( 容量) ( k m )( m ) ( m ) 类型 丹麦 1 9 9 1 1 lb o n u s 1 5 32 5 53 7 5 混凝土 v i n d e b y( 5 m w )沉箱式 瑞士 1 9 9 0 、矾n dw b r l d2 5 n o g e r s u n d 2 2 0 k w 3 5 063 7 5 三角架 荷兰 1 9 9 4 4 n e d w i n d 4 0 5 0 0 l e l yi j s s e l m e e r 2m w 直线排列 8 0 04 53 9 单桩 丹麦 1 9 9 5 l ov e s t a s v 3 9 63 54 0 5 混凝土 t u n o k n o b ( 5 m w )沉箱式 瑞典 1 9 9 8 5w i n dw o r l d3 7 46 单桩 b o c k s t i g e nf 2 8 m w ) 瑞典 2 0 0 0 7 e n r o n w i n d7 0 1 27 1 0 单桩 u t g r u n d o n( 1 0 5 m w ) 英国 2 0 0 0 2v e s t a s v 6 6 l65 8 单桩 b l y t h ( 4m w ) 丹麦 2 0 0 1 2 0b o n u s7 6 2 32 66 0 混凝土 m i d d e l g r u n d e n ( 4 0 m 、g )沉箱 瑞典 2 0 0 1 5n e g m i c o n7 2 586 0 单桩 y t t r es t e n g r u n d ( 1 0m w ) 丹麦 2 0 0 2 8 0v e s t a s v 8 0 1 4 2 06 1 47 0 单桩 h o r n sr e v( 1 6 0 m w ) 丹麦 2 0 0 3 1 0b o n u s8 2 3 5 1 1 1 86 1单桩 s a m s o ( 2 3m w ) 丹麦 2 0 0 3 7 2b o n u s8 2 96 1 0 7 0重力式 n y s t e d( 1 6 5 6m w ) 爱尔兰 2 0 0 3 7g e3 6 7 1 2 57 4 单桩 a r k l o wb a n k ( 2 5m w ) 英国 2 0 0 3 3 0v e s t a s v 8 0 7 81 26 7 单桩 n o r t hh o y l e ( 6 0m w ) 英国 2 0 0 4 3 0v e s t a sv 8 0 2 3 单桩 s c r o b ys a n d s ( 6 0m w ) 2 0 0 6 年在德国汉堡举行的第2 5 届海洋力学与北极工程国际会议上，发 表了一篇关于在墨西哥湾风暴情况下深水海上风力发电机组的动态建模，模 9 拟 机 油气产业的解决方案，开创先例地令风电场建造于意大利的海洋深水位置， 远离海岸 图1 7 浮式风电机组h y w i n d 2 0 0 9 年，挪威在斯塔万格新建了世界上第一台浮在海面上的风力发电机 组“h y w i n d ( 见图1 7 ) 。那就意味着，也许未来它可为深海的轮船或潜 艇提供能源。h y w i n d 风机与陆地上的风机用的材质大致相同；不同的是，其 在海水下的部分被安装在一个1 0 0 多米的浮标上，并通过三根锚索固定在海 下1 2 0 米到7 0 0 米深处，以便它随风浪移动，迎风发电。这种风机的发电机 叶片直径为8 0 米，高出海平面约6 5 米。建造它的时候，不是在陆地上组装 完再安装到海上的，而是通过轮船上的吊车在海上一点点搭建组装而成，并 根据实际情况及时调整。关键技术是尽可能地令其苗条，以在海上保持相对 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 平稳，并可提高发电能力，还要让其足够坚强，能经受住海上相当恶劣的天 气。另外，原来陆上发电机的机箱是在上部，现在要把机箱下移，这在技术 上增加了难度。 美国之所以一直没有进行海上风电的开发，一是因为陆上电力比较丰富， 二是因为美国近海海域较深，不能采用欧洲的近海风力发电技术，但随着海 上风电在欧洲的成功，使得美国也开始转向海上风电场的开发。全球海上风 电的发展正在日益高涨。 1 5 本文主要研究内容 通过了解国内外的海上风力发电的发展现状，建设海上风电场是一种必 然趋势，但是我国在风电技术基础研究方面，距离国外还有一定的差距。海 上风机大型化的趋势，给我国带来更大的挑战。本文通过结合小样机的实际 情况，并利用现有的风力发电机组规范和近海活动式平台规范，对3 m w 海 上浮式垂直轴风力发电机组进行设计，为进一步海上垂直轴风机的气动性能 和结构强度设计研究奠定基础。根据本文研究内容，整个研究和计算分析主 要包括以下部分： 1 、通过风机的安装海域环境，对3 m w 海上浮式垂直轴风机进行整体参 数设计，主要包括浮式风机的叶片、塔架、拉索、浮式结构； 2 、风机参数确定之后，利用流管模型在垂直轴风机叶轮气动力性能预报 中的应用，分析垂直轴风机叶片运动及受力特性，计算出叶轮的气动载荷； 3 、对风机拉索进行不断的选型，再计算其在不同预应力情况下的频率和 应力，选出合适的拉索； 4 、结合叶轮的气动性能，用有限元的方法对风机结构强度进行分析； 5 、通过分析风力叶片、塔架、转子系统静止和旋转时的频率和振型，使 风机运行时产生避免共振； 6 、在风浪流来联合作用情况下，对浮式风机的水动力性能进行分析，选 择出合适的锚链。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章浮式垂直轴风机的总体概念与参数设计 目前，虽然有许多国家在进行海上风机的研究，并获得了很大的突破， 但绝大部分海上风机仅仅局限于浅海区，并以单桩式的水平轴风机为主，对 于海上浮式垂直轴风机的研究还很少。因为海上相比陆地，风机组将承受浪 流的作用，而且将受到更大风载的作用，但是自然资源的吸引，建造海上浮 式风力发电是一种趋势。 垂直轴风力发电机组作为集合了空气动力学，结构动力学，机械工程和 电力控制工程等多门学科技术的大型机械设备，决定了其总体结构和各部件 结构的特殊性。不管对于总体的参数设计和部件设计都需综合考虑各方面因 素来进行反复验证和设计，以达到结构最优，效率最高，运行最稳定。在设 计制造中不仅叶轮的外形和结构设计对整个风机至关重要，拉索的选取和设 计也是涉及了很多相关专业的知识。 2 1 浮式垂直轴风力发电机组的独特优势 选择浮式垂直轴风力发电，主要考虑风力和海域问题，风速离岸距离有 关，距离越远，风速有增大的趋势。但是过分追求高风速，会导致造价的增 加，所以选择近海建造海上浮式风机。浮式垂直轴风力发电的独特优势主要 体现在： 1 、浮式结构水线面积小、波浪影响小、稳定性好、自持力强、工作水深 大，移动灵活； 2 、垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中的受力情况要比水平轴的好的多， 由于惯性力与重力的方向始终不变，所受的是一恒定载荷，因此疲劳寿命要 比水平轴的长： 3 、垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面，便于安装维护； 4 、垂直轴风轮的尖速比则要比水平轴的小的多，这样的低转速基本上不 产生气动噪音，完全达到了静音的效果； 1 2 轴风 的气 2 2 一个 平台 体下 分利 2 3 结构选型 2 3 1 叶轮形式 图2 2 小型海上浮式垂直轴风电场 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3t r o p o s k i e n 曲线 叶轮是风机设计中最主要的部分，是 从风中摄取能量的核心部件。设计选用 d a r r i e u s ( 达里厄) 型垂直轴风机叶片型线 m t r o p o s k i e n 曲线，因为这种曲线可以降 低达里厄风轮机叶片在离心力作用下的平 均应力，提高抗疲劳寿命。所谓“t r o p o s k i e n 掣 曲线”是这样定义的：均匀或非均匀截面的 完全柔性体结构的两个端点与某垂直轴的 上下相连，当垂直轴以某定值角速度旋转 时，柔性体在离心力作用下自然形成的一条没有平面弯曲应力的曲线。不考 虑重力影响时，在任何转速下曲线形状