半潜式海上风力机流固耦合特性分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22026

摘要/Abstract

摘要：

根据美国国家可再生能源实验室给出的风力机数据，利用Pro E软件建立5 MW半潜式海上风力机模型，通过仿真软件进行双向流固耦合模拟，探究基于双向流固耦合半潜式风力机风轮在耦合作用时产生的形变及等效应力应变情况。通过分析风力机自存状态以及不同风浪条件下风力机的运行情况可知：作为风力机最重要的部分，风力机叶轮随着转速增大，产生的形变增大，同时形变峰值会越早出现；风轮最大等效应力出现于运行初始阶段，随着时间的推移，应力最终稳定在一定范围内；风力机的形变程度随风速的增大而增大；在风力机运行过程中系泊缆随浮筒一起做周期性运动。研究结果可为海上半潜式风力机安全稳定运行提供参考，同时为设计海上半潜式风力机提供借鉴。

关键词: 海上风电, 半潜式浮式风力机, 流固耦合, 形变, 等效应力

Abstract:

Based on the wind turbine data provided by the American National Renewable Energy Laboratory (NREL), the manuscript was used ProE to establish a 5 MW offshore semi-submersible wind turbine model. A two-way fluid-structure coupling simulation through simulation software was conducted. The research was based on the deformation and equivalent stress of the two-way fluid-structure coupling semi-submersible wind turbine blade during the coupling action. The shutdown state of the wind turbine and the operation of the wind turbine under different wind and wave conditions were analyzed. The analysis shows that the blade is the most important part of the wind turbine. As the speed of impeller increases, the deformation increases, and the peak value shifts to the left. The maximum equivalent stress of the wind wheel appears in the initial stage of operation. As time goes by, the stress finally stabilizes within a certain range. The degree of deformation of the blade increases with the increase of wind speed. During the operation of the wind turbine, the mooring line moves periodically with the float foundation. This research provides a reference for the safe and stable operation of offshore semi-submersible wind turbines, and at the same time provides a reference for the design of offshore semi-submersible wind turbines.

Key words: offshore wind power, semi-submersible floating wind turbine, fluid-structure coupling, deformation, equivalent stress

中图分类号:

TK 83

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图/表 16

表1 风力机结构参数

Tab. 1 Wind turbine structure parameters

参数	数值
风轮直径/m 叶片长度/m 轮毂直径/m	126 61.5 5
额定风速/(m_·s^-1)	11.4
切入风速/(m_·s^-1)	3
切出风速/(m_·s^-1)	25
额定转速/(rad_·s^-1)	12.1
额定功率/MW	5
塔筒高度/m	90
半潜式浮式平台整体外廓/(m×m)	50×50
平台中心圆筒过渡段/m	D：1.6， H：22.8
浮筒外廓/m 浮筒斜撑尺寸/m 浮筒上下圆筒横梁尺寸/m 系泊缆尺寸/m	D：12， H：36 D：1.6， H：33.8 D：1.6， H：40 D：0.16， H：50

图1 半潜式浮式风力机结构模型

Fig. 1 Semi-submersible floating wind turbine structure model

图2 计算域整体模型

Fig. 2 Overall model of computational domain

图3 流固耦合流程图

Fig. 3 Fluid-structure coupling flow chart

图4 风力机固体域网格

Fig. 4 Wind turbine structural domain grid

图5 流体域网格

Fig. 5 Fluid domain grid

图6 输出功率验证

Fig. 6 Computational domain model

图7 计算域模型图

Fig. 7 Computational domain model

表2 不同风速下风力机转速

Tab. 2 Wind turbine speed at different wind speeds

风速/(m_·s^-1)	转速/(rad_·min^-1)	角速度/(rad_·s^-1)
4	7.18	0.752
5	7.38	0.773
6	7.94	0.831
7	8.46	0.886
8	9.16	0.959
9	10.33	1.082
10	11.43	1.197
11.4	12.10	1.267

图8 不同转速下叶片最大变形量对比

Fig. 8 Comparison of maximum blade deformation at different speeds

图9 风轮最大等效应力随时间变化图

Fig. 9 Maximum equivalent stress of the wind wheel changes with time

图10 风力机浮筒位移图

Fig. 10 Displacement cloud diagram of wind turbine foundation

图11 浮筒及系泊缆位移随时间变化曲线图

Fig. 11 Float foundation and mooring line displacement curve diagram with time

图12 风力机风轮附近速度矢量图

Fig. 12 Velocity vector diagram around wind turbine wheel

图13 流体域速度矢量图

Fig. 13 Velocity vector diagram of fluid domain

图14 风力机流线图

Fig. 14 Wind turbine streamline diagram

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