新型风力机

新型风力机（共6篇）

篇1：新型风力机

大型风力发电机的控制技术

Control Technology of Large Wind Turbine

付广振王维庆

新疆大学电气工程学院 新疆乌鲁木齐市延安路1230号 邮编 830047

摘要：本文分别介绍了在不同风速条件下小型、中型以及大型风力机的控制方法；此外，还分析定桨距控制方法与变桨距方法各自的优缺点。本文同时还介绍了在额定风速以内，以及超出额定风速后的控制方法，以及风机组控制中的一些其他的控制问题。

Abstract: This paper shows the control methods of small;middle and large sized wind power turbine under different wind speed , analyze the advantages and disadvantages of wind turbine with fixed blades and variable blades system.In the paper the other methods of control under the condition of limit and over limit of wind speed are also introduced.Keywords: wind turbine , wind speed ,fixed blades, variable blades

关键字：风力机，风速，定桨距，变桨距

0介绍

风力机是一种叶片式机械，风力发电是将风的动能转化为机械能，再带动发电机发电，今儿转化为电能。由于风力机从自然界中索取的能量是有限的，而且在能量转换中存在能量损失。所以存在一个风能利用系数Cp，又根据德国著名的贝兹极限理论得知，Cp<0.593[1]。风能利用系数的表达式如下所示：

CpPr

12(1)3vS

式中Pr风力机实际获得的轴功率，W；

ρ 空气密度；

ν 上游风速；

S风轮的扫风面积。

另外，叶片的力矩系数用Ct表示。它表示风力叶片从空气流中吸收的能量与转送到发电机轴上的能量之比。用以下公式表示：

CtCpvCpR(2)

其中R是桨叶的半径；

ω是桨叶的角速度；

λ 是叶尖速比

根据空气的动力学理论，Cp, Ct在风力机的能量转换，功率输出方面有着重要的理论意义[2]。图一是风能利用系数Cp与风速ν的关系曲线。

风

能

利

用

系

数

Cp

8风速(m/s)

图一

由图可知，在风速等接近8m/s的时候，风能利用系数最大。表明此时风力机吸收的功

率最大。当风速低于8m/s的时候，Cp仍有增大的空间，即风力的功率可以增加；但是当风速超过8m/s的时候，Cp反而变小。原因是叶片产生失速，从而限制了功率的增加。这个失速特性在风力控制和风机的动力学研究中有重要的意义。在变桨距中，桨距角的不同，上面的风能利用系数和风速的关系曲线也不同。对于风能利用系数Cp而言，它有两个工作点，一个是在低风速区域，另一个是在高风速区域。由于风力机的型号大小不一样，所以采取的控制策略也不尽相同。但是，保证风力机发电的稳定性和确保达到额定输出功率是风力发电系统的核心目标。

桨叶从自然风中获得实际功率

P1

2CpSv（3）

3由上式我们可以得知，功率与风速的三次方成正比关系。由此可以推断，如果风速有小

范围的变化，那么就会导致风轮吸收功率有大的变化，从而输入功率大的变化。这是我们不愿意看到的。风力机控制的目标就是即使风速在大的范围内有所变化，风机输出地功率依然要保持一定的稳定性。幸运的是在实际运行中，由于发电机功率传送器件和线路，叶片的机械强度以及机械齿轮的旋转都存在误差，叶片从自然风中吸收的功率不完全服从式[3]。在风力机的控制中，有三种情况必须予以考虑。一是在低风速时的运行；二是在额定风速时的运行；三是在高风速（超过额定风速）时的运行。这三种情况几乎涵盖了风力控制中所有的问题。此外，由于桨叶的设计形状不一样，它们的攻角也不一样。攻角不仅影响风能利用系数Cp，也影响系统的功率输出和稳定性。所以很有必要研究在不同攻角情况下桨叶的气动特性和控制策略。

1定桨距风力机

定桨距风力机主要应用于中小型的风力发电系统中。这些风力机叶片的尺寸相对都比较

小。由于桨叶与轮毂的连接是固定的，即使当风速发生变化时，桨叶的节距角不能随之变化。风能利用系数与桨叶的结构有着直接的关系。在低风速情况下，输出功率也低，这种运行情况在实际中是没有商业价值的。由于在风场的最初设计和选址中都已经考虑了区域的风资源情况，从而可以尽量避免上述情况。在额定风速下，定桨距风力可以达到最大风能利用系数。在风机设计中，我们总是把额定风速的范围设计的尽量大，以得到一个稳定的功率输出。在超过额定风速的时候，风机可以通过自带的齿轮箱来缓冲叶片与发电机轴的速度比。如果风速在短时间内变化频率过高，风速时而低时而超过风机额定风速，这时由于观测器和控制器无法快速有效的跟踪，所以风机应该停止运转。此时，空气动力刹车系统开始运行，一般是在桨叶的末端安装一个叶尖扰流器。由于风力机风轮巨大的转动惯量，如果风轮自身没有有效的制动能力，在高风速下要求停机是不可想象的。当风机正常运行时，在液压系统的作用下，叶尖扰流器和桨叶主体精密的合为一体组成完整的桨叶。当风力机需要停机时，在液压的作用下叶尖扰流器释放并旋转80°—90°形成阻尼板，这一过程称为桨叶空气动力刹车

[4]。空气动力刹车可以是主动式或者被动式。两者最大的区别在于是否能自动复位。被动式的需要人工复位，早期的风力发电机大都采用被动式空气动力刹车，而大型的风力发电机组大都采用主动式的。当风速达到一定值以后，就会产生叶片失速，从而限制了功率的增加。事实上，定桨距风力机还存在低风速运行时的效率问题。由于气流是不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化进行调整，就必然在使风轮在低风速时的效率降低，否则如果设计低风速时效率过高，会使桨叶过早进入失速状态。为了解决这一问题，定桨距风力发电机组一般采用双速发电机。低功率发电机工作在低风速条件下，而高功率发电机则工作在高风速条件下，已达到获得最佳风能利用系数Cp的目的。

定桨距风机的最大的优点在于它的经济性，它结构简单，部件少，价格便宜，且具有较

高的安全系数。本身的控制系统相对简单，维护成本也小。但由于桨叶不能调整，所以必须根据风机所在地区的风力资源情况设计相应的风机叶片，已达到获得佳风能利用系数的目的。但是桨叶本身结构较复杂，成型工艺难度也比较大；然而经最优设计好的桨叶经粉尘、冰霜的腐蚀慢慢的不具有最优性，甚至丧失。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力也增大，进而失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组上。2变桨距风力机

变桨距风力机的桨叶不是固定在轮毂上的，是可以旋转的。叶片的安装角可以随风速而

变化。安装角β，它是翼型弦线与风轮旋转面的夹角。随着节距角的增大，Cp反而会变小。图二所示是在不同节距角下，Cp与叶片的叶尖速比λ关系。在一定负载情况下，当风速超过其设计风速时，依然可以保持较高的Cp和较高的功率输出。在不同风速下，叶片在其额定转速下改变形状来捕捉合适的风能。同时在设计风机时，叶尖速比也是一个非常重要的因素。当风机运行在额定风速以下时，桨叶不发生变化，和定桨距控制一样；但当风速达到或超过额定风速时，桨距角改变，将发电机的输出功率限制在额定值附近。大型风力机的桨叶可以随风速的变化进行自动调整。

图二

此外，变桨距风力发电机根据变桨距系统所起的作用可以分为三种运行状态，即启动状态、欠功率状态和额定功率状态。桨叶静止时，节距角为90°，当风速达到启动风速时，桨距角转向0°，直到攻角足够大，风轮开始启动。这与定桨距风机相比，省去了专门的启动装置。至于欠功率状态，为了改善低风速时的桨叶气动性能，以Vestas为代表的新型变浆风机采用了Optitip技术。此技术就是根据风速的大小调节发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶速比,以达到优化功率输出的目的[3]。

但是变桨距控制本身也有缺点。由前面公式知道，桨叶获得的功率与风速的三次方成正

比关系，和定桨距风机类似，桨距的调节响应速度会赶不上风的变化速度。此外，变桨距调节的能力有很有限，这是由于受到桨叶的材料强度的限制以及大风的情况。

3变桨距风力机的其他控制方法

现在风机存在朝大型化发展的趋势，风电在电网中的比例也在逐步提高。风力发电对整

个电网的影响也在增大，合适的控制方式可以减少风机对电网的影响[4]。在大型风力发电机组中，为了获得一个合适的Cp单靠变桨距控制还是不够的。发电机选择以及运行控制方式也至关重要。目前市场上的采用的大都是异步发电机，恒速运行。优点是风机控制简单，可靠性高；不足之处是由于转速基本恒定，而风速经常变化。因此风力机经常工作在较低的风能利用系数上。为了弥补以上的不足，研制了变速运行的风力发电机组，它一般采用双馈异步发电机或者多级同步发电机。随着电力电子技术的发展，而后又采用变速恒频的控制方式

[5]，它具有效率高，控制灵活的特点，且可以较好的调节系统的有功功率以及无功功率，但是控制系统较为复杂，成本较高。

4结论

风力机理论上应该设计运行在额定的Cp点上。在不同的风速和地域条件下，风机别希

望工作在最佳的Cp。同时为了得到稳定可靠的输出功率，风机控制系统的响应速度必须足够快和准确。随着风力机逐步大型化的趋势，桨叶的尺寸也不断增大，控制方式也从基本单

一的定桨距失速控制朝着变桨距和变速恒频控制的方向发展，甚至向智能控制发展[6]。

参考文献

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[2] 屠大燕.流体力学和流体机械[M].北京：中国建筑工业出版社，1994

[3] 霍志红, 郑源，等.风力发电机组的控制技术 中国水利水电出版社，2010

[4] Pedro Rosas.Dynamic Influences of Wind Power on the Power System 2003

[5] 卞松江.变速恒频风力发电关键技术研究[D].浙江大学博士论文 2003

[6] 黄星星.风力发电机组变桨距控制关键技术的研究[M]，中国农业大学硕士论文 2007

篇2：新型风力机

随着现代风电技术的发展与日趋成熟，风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。上世纪末，风电机组主力机型是750kW。到2002年前后，主力机型已经达到1.5MW以上。1997年兆瓦级机组占当年世界新增风电装机容量的9.7%，而2001年和2003年分别占到52.3%和71.4%。海上风电场的建设要求单机容量更大的机组，欧洲已批量安装 3.6MW机组，5MW机组也已安装运行。

叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。在兆瓦级风电机组中，叶片更是技术关键。如1.5MW主力机型风力机叶片长 34～37m，每片重6t，设计制造难度很高。在国外叶片集中在几家专业公司生产。最著名的叶片公司是丹麦的LM公司，是世界上唯一一家全球叶片生产商。目前在全世界正在运行的风机叶片中1/3以上都是LM的产品。至2000年LM已生产6万片叶片，当年生产7200片叶片，占居世界市场的45%，近来一些著名的风力机制造商也开始自己生产叶片。大型风力机的复合材料叶片技术 2.1 材 料

目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料(GRP)。长度大于40m叶片可以采用碳/玻混杂复合材料，但由于碳纤维的价格，未能推广应用。GRP叶片有以下特点： ①可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲荷载比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可减轻 叶片的重量。②翼型容易成型，并达到最大气动效率。为了达到最佳气动效果，叶片具有复杂的气动外形。在风轮的不同半径处，叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金属制造十分困难。GRP叶片可实现批量生产。

③叶片使用20a，要经受108次以上疲劳交变，因此材料的疲劳性能要好。GRP疲劳强度较高，缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好，是制作叶片的理想材料。

④GRP耐腐蚀性好。风力机安装在户外，近年来又大力发展离岸风电场，风力机安装在海上，风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响。它应具有耐酸、碱、水汽的性能。

2.2 气动设计

风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展而来。19世纪20年代一些著名气动学家对机翼理论做出了贡献。Betz、Glauert、Wilson等在此基础上发展了风轮气动理论。我国的气动学家对风轮气动理论也做出过贡献。

Betz采用一元定常流动的动量定理，研究理论状态下风轮的最大风能利用系数。理论假定，风轮没有锥角;风轮旋转时没有摩擦阻力;风轮流动模型可简化为一元流管;风轮前后气流静压相等;作用在风轮上推力均匀。应用动量方程，Betz推导出风能利用系数： Cpmax=16/27≈0.59

3这就是著名的Betz极限。叶片的外形设计包括决定风轮直径、叶片数、叶片剖面弦长、厚度、扭角及选取叶片剖面的翼型。运用Betz理论可建立简易叶片外形设计方法，但目前不常用。Glauert优化设计方法是考虑了风轮尾流的叶素理论。但该方法忽略了翼型阻力和叶尖损失的影响。这两点对叶片外形设计影响较小，但对风轮气动性能影响较大。Glauert方法是目前常用方法之一。它注重外形的理论设计，根据结构要求应进行修正和气动性能的计算，以达到优化。Wilson气动优化设计理论是目前常用的方法。该理论对Glauert设计方法进行了改进。研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性能。为使风轮Cp值最大，须使每个叶素dCP值最大。理论建立了dCP与气动参数的关系式，从而得到最佳气动参数和气动外形。确定气动外形后计算气动性能，主要包括轴向推力、转矩、功率及相对应的系数。上述气动理论有其局限性，理论设计须结合风场运行验证更精确的理论应考虑3D效应及动态失速影响。

2.3 风力机复合材料叶片构造设计

设计GRP叶片的构造时主要考虑叶片根端连接与叶片剖面形式。叶片与轮箍连接使叶片成悬臂梁形式。作用在叶片上的荷载通过叶片根端连接传到轮毂上，因此叶根的荷载最大。根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度，与金属的胶结强度也要足够高。上述强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根端设计应予以重视。大型风力机的GRP叶片根端形式主要有金属法兰(法兰与叶根螺栓连接或胶结)、预埋金属杆及T型螺栓。金属法兰与叶根柱壳胶结，而不是传统的螺栓连接，这可减轻根部的重量。大型风力机的GRP叶片剖面采用蒙皮与主梁构造形式。蒙皮的功能主要提供叶片的气动外形同时承担部分弯曲荷载和大部的剪切荷载。蒙皮由双向玻纤织物增强，以提高蒙皮的剪切强度。蒙皮的后缘部分采用夹层结构，以提高后缘空腹结构的抗屈曲失稳能力。主梁为主要承力结构，承载叶片的大部弯曲荷载，它采用单向程度较高的玻纤织物增强，以提高主梁的强度及刚度。

2.4 结构设计

叶片结构设计主要考虑制订荷载规范、荷载计算、极限强度及疲劳强度验算、变形计算、固有频率计算和屈曲稳定计算。作用在叶片上的荷载主要有惯性力和重力、气动力、运行荷载。荷载工况要考虑正常设计工况和正常外部条件、正常设计工况和极端外部条件、故障设计工况和允许的外部条件、运输安装和维修设计工况等组合工况。对每种荷载工况要区分极限荷载与疲劳荷载。对于极限荷载，至少要计算50a一遇的极端风速，要求叶片在极限荷载

下满足强度、变形、稳定条件。叶片的疲劳荷载较复杂，规范提供了简化疲劳荷载谱。根据叶片材料的S N曲线，应用Palmgren

miner线性累积损伤准则进行叶片的疲劳强度计算。

风力机叶片的固有频率是重要的动态性能参数。作用在叶片上的气动荷载是动荷载，其频率为风轮转速的整数倍。对于3叶片风力机组，频率为转速3倍的动荷载分量最大。为避免叶片共振或产生较大的动应力，规范要求叶片的一阶频率高于3倍转速频率的20%。通过复合材料铺层设计及气动外形的优化使叶片的频率满足动态性能要求。叶片的频率计算较复杂。叶片是变截面的，各截面的扭角是不同的。振动时各个截面可分解为两个方向的位移，产生了两个方向互相耦合的弯曲振动，计算时应考虑耦合影响。叶片的弯曲耦合振动方程：

(EIyu″+EIxyv″)″-mw2u=0

(EIxyu″+EIxv″)″-mw2v=0

上述方程可采用数值方法求解。大型风力机叶片采用空腔结构形式，在气动荷载作用下叶片局部受压区域可能发生突然损坏，称为曲屈失稳现象。叶片后缘空腔较宽，易发生失稳。为此本设计采用夹层结构。芯层和面层的厚度可采用复合材料夹层结构稳定理论进行计算。复合材料叶片的设计计算可采用经典的层合梁理论，叶片简化为悬臂梁。初步设计计算可满足工程要求，但优化设计应采用有限元方法。有限元强大的建模和结构分析功能适于叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳及叶根强度的分析。叶片的构造较复杂，由外壳、主梁、夹层等构件组成，模型建立较困难。目前有叶片专用前处理软件，简化了叶片的结构分析。2.5 工艺制造

大型风力机叶片大多采用组装方式制造。在两个阴模上分别成型叶片蒙皮，主梁及其他GRP部件分别在专用模具上成型，然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起，合模加压固化后制成整体叶片。胶粘剂是叶片的重要结构材料。它应具有较高的强度和韧性以及良好的操作工艺性，如不坍落、易泵输及室温固化特性等。

早期国外的叶片成型工艺为手糊工艺，目前已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。真空辅助灌注成型工艺是最近几年发展起来的一种改进的RTM工艺。真空辅助灌注技术是应用薄膜包覆敞口模具，应用真空泵抽真空，借助于铺在结构层表面的高渗透率的介质引导，将树脂注入到结构铺层中。它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品，在国外已用于成型大型的GRP叶片。

我国GRP叶片的制造厂家由于受市场、技术、材料及资金等方面的影响，大多采用湿法手糊工艺，常温固化。工艺相对简单，不需要加温加压装置。但对于大型的兆瓦级风力机叶片，由于叶片体形庞大，最宽处达300cm左右，最高处大于200cm，传统的手糊成型工艺已不适用。况且手糊成型具有生产效率低、劳动强度大、劳动卫生条件差、产品质量不易控制、性能稳定性不高、产品力学性能较低的缺点。真空辅助灌注技术是解决这一难题的一种新的成型工艺。本文通过多次试验摸索，解决了一系列技术问题，如布管方式、真空度控制、树脂选择、层板皱折等，取得了很好的效果。为国内的叶片成型工艺技术水平的提高和今后兆瓦级风力机叶片的产业化奠定了技术基础。2.6 产品认证

风力机及部件的用户自己很难评估机械部件的质量和安全性，须经权威机构检验和认证，如德国 GL、丹麦的RISOE、中国船级社等。商业化风力机机组的安全等级评估是认证的最重要的内容，对风力机的结构设计和安全性进行评估，确认是否符合IEC 标准或其他相关标准。考虑不同的气象和地理环境，标准将风力机的安全等级按50a一遇的极端风速及年平均风速分类，对一些特殊情况规定了S级。S级风力机组的设计值由设计者确定。

我国风力机标准委员会组织制订了一系列标准，其中关于大型风力机叶片的标准为“风力机组风轮叶片”。该标准基本上参照了IEC标准与德国劳埃德船级社规范。标准对复合材料叶片的材料选择、制造工艺、结构设计等方面均作出规定。中国船级社组织制订了风力机认证规范。国家标准及认证规范的颁布实施使国内生产厂家可按与国际标准等效的技术要求进行整机及部件的设计、生产与质量控制。风力机复合材料叶片发展趋势

风电技术发展的一个重要标志是单机容量的增加。在欧洲，尤其是德国、丹麦、西班牙，自 1997年以来，风力机组的平均单机容量已经增加了一倍多目前世界平均单机容量为1MW，主力机型是1.5～3MW。海上风电是风电发展的新领域。欧洲有十多个国家计划在近海增加装机容量2000万kW以上。我国也将进行海上风电的开发。第一个海上风电项目的装机容量为2万kW，采用8台2.5MW机组。在近海建立风电场的主要原因是海上的风速相对较高，大部分海上风场的发电量会比陆上风场高20～40%，其次是减少风场对陆上景观的影响。为适应海上风电的需求，制造商已制造出单机容量为2～5MW的风力机组，与其配套的复合材料叶片长40～60m。在未来10年，还有可能出现大于5MW机组用的更长的叶片。丹麦RISOE实验室新筹建的叶片试验中心能进行长度100m的叶片结构试验，为今后风电技术发展做准备。

叶片长度增加势必增加叶片的重量。对10--60m长度的叶片进行了统计研究，发现叶片重量按长度的三次方增加。

叶片重量对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行，重力产生交变荷载，使叶片本身及机组产生疲劳。叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架等结构的重量。

对于大型叶片，刚度成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强。碳纤维复合材料的弹性模量是GRP的2～3倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。据分析，采用碳/玻混杂增强方案，叶片可减重20～30%。目前世界上最大碳/玻混杂风力机叶片是Nodex公司为海上风电5MW机组配套研制的，叶片长56m。Nodex公司还开发了43m(9.6t)碳/玻叶片，可用于陆上2.5MW机组。Enercon公司开发了4.5MW风力机组用碳纤维增强叶片。对于大型叶片是否需用碳纤维增强，目前还有争议。LM公司开发的60m叶片是GRP的。目前大多数人认为这应有一个临界尺度，大于此尺度的叶片须使用碳纤维增强。

篇3：垂直轴风力机概述

能源与人类的生产和生活息息相关, 是人类生存和发展的重要物质保障。随着社会的发展, 人类对能源的需求不断增加。目前能源利用仍以常规的煤、石油、天然气为主, 而这些燃料燃烧所产生的二氧化碳、二氧化硫等有害气体会对环境造成严重的污染, 这就给能源和环境带来了双重的压力。在遵循可持续发展的条件下, 开发和利用新能源已成为国际社会共同关注的问题。风能具有储存量大、无污染、可再生、易于转化等优点而备受重视。因此, 风力发电迅速成为各国的重点研究领域。

我国是一个风力资源丰富的国家, 全国约有2/3的地带为多风带, 风能总储量为32.26亿kW, 其中实际可开发的风能资源为2.53亿kW, 全国平均风能密度为100W/m2, 为可再生能源和新能源利用技术提供了强有力的资源保证。

2 垂直轴风力机的发展

垂直轴风车很早就被应用于人类的生活领域。在几千年以前, 垂直轴风车就被人们用于提水。但是, 垂直轴风力发电机开始时没有受到人们的重视, 它的发展水平也远远落后于水平轴风力机, 直到20世纪20年代才开始出现S型风轮 (1924年) 和达里厄型风轮 (1931年) 。

之前, 绝大多数人认为垂直轴风力机的风能利用率低于水平轴风力发电机的风能利用率;尖速比也不可能大于1;而且在进行垂直轴风力发电机的叶片设计时没有专门系统的理论, 以前也是按叶素—动量理论来进行设计。然而垂直轴风力机的流场比水平轴风力机更加复杂, 是非常典型的大分离非定常流动, 不适合用叶素理论进行分析与设计, 所以这也是垂直轴风力发电机长期以来没有受到重视的原因。但是随着科学技术的发展, 人们通过研究发现在众多的垂直轴风力机中, 尖速比不能大于1也仅限于S型风轮。对于升力型风力机 (达里厄式风轮) 的尖速比甚至可以达到6, 并且其风能利用率也不低于水平轴风力机。人们通过认真比较垂直轴风力机和水平轴风力机的优缺点认识到, 它具有很大的发展潜力, 越来越多的学者开始研究垂直轴风力发电机, 并取得了很大的进步[1]。

法国工程师Darrieus首先提出了现代升力型垂直轴风力机的设计思想, 20世纪20~30年代是垂直轴风力机研究的第一个高峰期, 这期间出现了多种类型的垂直轴风力机, 主要有萨渥纽斯型、马达拉斯型和达里厄型。由于马达拉斯型风力机结构复杂、旋转圆柱的圆周速度过低, 它的空气动力特性不是很好, 并且在大轨道负荷时会产生较大的摩擦损失、发电损失等原因, 因而没有得到大规模的发展而终告一段落。经过30多年的发展, 英、美等国对垂直轴风力机的研究日渐成熟, 此时便出现了各种形状的垂直轴风力机[2]。20世纪70~80年代是垂直轴风力机发展的第二个高峰期, 这个时期的研究地点主要集中在北美地区。加拿大国立研究委员会和美国圣地亚国立实验室对垂直轴风力机进行了大量的理论和实验研究, 同时, 这两个国家的风力机制造公司也在不断研发达里厄型的垂直轴风力机。80年代中期, DOE公司开始关注在Sandia进行的有关垂直轴风力机降低造价以及提高其可靠性方面的研究, 并且给予了资金方面的支持。至此, 垂直轴风力机的研究主要集中于以下几个方面:空气动力学, 结构动力学, 疲劳及可靠性, 系统工程等方面[3]。

进入21世纪以来, 垂直轴风力机在中小型风力机市场中逐渐占有一席之地。欧洲、北美等国家和地区对达里厄型风力机和直线翼垂直轴风力机的研究和应用日渐成熟。比如芬兰的Windside公司推出的WS系列风力机可以在极端恶劣的气候环境中运行, 美国和加拿大推出了可安装在屋顶的垂直轴风力机系统, 可以说, 目前垂直轴风力机的第三次发展契机正在出现。

3 垂直轴风力机的类型

按照风力机风轮转轴与其旋转平面的相对位置关系, 风力机可分为两类:水平轴风力机和垂直轴风力机 (图1、图2) 。风力机的风轮转轴与其旋转平面垂直的风力机称为水平轴风力机, 风力机风轮转轴与其旋转平面平行 (大多数与地面垂直) 的风力机为垂直轴风力机。表1是水平轴风力机与垂直轴风力机的一些性能的比较, 从表格中我们可以得出, 如果将垂直轴风力机的一些特性适度利用, 它将成为一个更好的选择。

根据对风轮推动方式的不同, 垂直轴风力机可分为两种主要类型:一类是利用叶片产生的升力驱动叶轮转动的升力型风机, 一类是利用叶片产生的阻力驱动叶轮转动的阻力型风机。

3.1 升力型风力机

升力型风力机是利用风轮的升力驱动叶轮转动, Darrieus型风力机是最典型的升力型风力机, 于1931年获得专利。该风力机的风能利用系数相对于阻力型来说要高很多。根据叶片的形状, 达里厄风力发电机可分为以Φ型达里厄风力机为代表的曲线形达里厄风力机和以H型达里厄风力机为代表的直线型达里厄风力机 (图3) 。

曲线形风机的叶片由于产生了形变而承受了张力作用, 其叶片制造复杂。直线型风力机一般都采用支撑杆和拉索固定, 以达到稳定效果, 防止旋转过程中的离心力引起的弯曲应力, 而且直线型风机的叶片比较简单, 容易加工制作, 气动噪音比较小。

3.2 阻力型风力机

阻力型垂直轴风力发电机利用空气动力的阻力驱动叶轮转动。典型的阻力型垂直轴风力发电机组是萨窝纽斯 (Savonius) 风力发电机, 其中最典型的结构是S型风轮, S型风轮主要有螺旋形和半圆形两种形式, 螺旋形的S型风力机的叶片有相对的扭角, 半圆形的S型风力机的叶片是半圆柱型的 (图4) 。

Savonius风机优点是因为叶片有聚风作用, 以使转矩增大, 缺点是由于风轮旋转时会产生不对称的气流, 两侧受力不平衡, 存在一个侧向推力作用。而且其转速低, 风能利用率低, 无法实现气动限速功能、抗台风能力弱。该类风力机适用场合较少。

3.3 其他结构形式

为了利用升力和阻力的优点, 人们设计了混合型风力机, 如图所示。上部属于直线翼型, 下部为S型, 它可以克服升力型与阻力型各自存在的一些缺点, 利用其较大的升力系数和较大的阻力扭矩, 获得较高的风能利用率。分段型风力机, 如图5所示。此种类型的风力机适用于容量要求大的场合。由于大容量风力机往往具有大的叶片高度, 加工起来较难, 且成本高, 因此一些学者将风力机分为几段, 然后再将他们串联起来。这样, 既保证了对于功率输出的要求, 又简化了风力机叶片的加工过程, 降低了制造成本。

4 垂直轴风力机的研究现状

从上述介绍中可以知道, 升力型风力机比阻力型风力机的应用更为广泛。升力型垂直轴风力机叶片一般具有固定的安装角, 此时风力机结构相对简单, 但难以实现气动超速控制, 为了扩大风速利用范围, 达到超速控制的目的, 绝大部分小型升力型垂直轴风力机都通过采用卸载电阻或短路方式进行超速控制, 但大量风洞实验表明, 利用卸载电阻和短路方式仅适合应用于风速变化很小的范围和百瓦级垂直轴风力机。

针对上述问题, 人们研发了一款有限可变安装角的小型垂直轴风力机[4]。所谓“有限可变安装角”是指叶片安装角在一定的设计范围内可受控变化。有限可变安装角类似于水平轴风力机的变浆距功能, 它仅能实现超速控制, 不能提高垂直轴风力机的效率。这项技术的应用扩大了垂直轴风力机的风速范围, 适合于千瓦级垂直轴风力机的超速控制, 为千瓦级垂直轴风力机的商业化奠定了基础。

尽管各类垂直轴风力机的叶片翼型不同, 但目前学者们主要针对叶片的安装角、叶片的阻力、升力、升阻比以及叶片涡轮增效装置展开了研究。国外一些科研人员运用FLUENT软件模拟了风速分别为7.2m/s、8.0m/s、9.0m/s、10.5m/s下, 叶片安装角分别为4.12°、5.28°、6.66°、8.76°时垂直轴风力机获得的最大输出功率。瑞典科研人员建立了NACA0015、NACA1515、NACA1215、NACA1715翼型的二维非定常分析模型, 采用共形映射技术得出了最大空气动力。加拿大科研人员采用了不同的控制策略对发电机捕获最大风能的能力进行了研究, 他们把垂直轴风力发电机应用到海上, 利用海上潮汐能代替风力, 取得了预期的效果。日本某科学家在垂直轴风力机的叶片上加装了导风板, 明显提高了风力机的扭矩, 并指出导板在37.5°≤θ≤45°时, 风力机的整机效率达到了最大值。加拿大安大略省大学的一些科研人员设计了如图6所示前缘加小翼的Savonius型垂直轴风力机, 并对其进行了实验与2D和3D流场分析, 得出了前缘结构能显著提高Savonius型风力机的风能利用率, 并且模拟与实验结果也相吻合[5]。

我国对垂直轴风力机的研究起步虽然较晚, 但近些年也取得了一些新的进展。上海的一些科研人员通过改进垂直轴风力机叶片支持翼的结构, 使得当运行风速超过额定风速时风力机能够始终保持稳定的转速, 从而确保垂直轴风力发电机在允许的工况下工作, 提高了风力机的安全性与稳定性。中国农业大学的一些科研人员设计了具有3枚NACA0018翼型叶片的H型垂直轴风力机模型, 通过风洞试验测试了此风力机在不同风速下自启动性能与叶片迎风角度的关系, 并利用烟线法对风力机的静态流场进行了可视化试验, 获得了叶片在不同迎风角度下风力机周围流场的流迹线图, 为垂直轴风力机的空气动力学研究提供了可靠的方法。重庆某大学的一些科研人员利用叶素动量理论计算了风力机气动力学载荷, 并利用有限元软件对轮毂进行静强度分析、疲劳强度分析, 由此提出了风力机轮毂壁厚的优化设计, 大大减轻了轮毂的重量, 降低了风力机的加工成本[6]。

通过以上的介绍可以知道, 目前国内外对垂直轴风力机的研究取得了一些新的进展, 但是, 已经投用的大型垂直轴风力机发电系统主要集中在北美地区, 其他国家尚处于研发阶段, 大型并网的商用垂直轴风力发电机远没有小型垂直轴风力发电系统应用广泛。

5 小结与展望

风力发电作为全世界公认的可以缓解能源危机的一个方案, 得到包括中国在内的很多国家的高度重视, 结构简单、成本较低的垂直轴风力机也成为了国际风力发电的研究热点。采用优化的叶片翼型与结构, 可以提高垂直轴风力机的风能利用率。如采用组合形式的叶片结构、加装导风板等。国内的一些学者也在研究柔性叶片的垂直轴风力机, 采用这种形式的叶片, 可以最大限度地拓宽风力机的运行风速范围, 提高风能利用效率。如果将导风板与柔性叶片相结合, 能否进一步提高利用率, 这个问题还有待进一步的研究。另外垂直轴风力机由于叶轮垂直于地面, 所以在安装时保证其垂直度也是一个重要的问题, 从而可以在一定程度上提高风力机的整机稳定性。

摘要：指出了风力机分为水平轴风力机与垂直轴风力机, 随着对风能利用率要求的提高, 垂直轴风力机以其独特的优势逐渐成为风力研究的重点领域。介绍了垂直轴风力机的主要类型、简要的发展历程以及国内外学者目前的一些研究现状, 分析了垂直轴风力机发展所遇到的一些问题及今后可行的研究方向。

关键词：垂直轴风力机,发展,现状

参考文献

[1]李岩.垂直轴风力机技术讲座 (一) 垂直轴风力机及其发展概况[J].可再生能源, 2009 (1) .

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[3]严强.垂直轴风力机的现在和未来[J].产业, 2010 (5) .

[4]李文升.垂直轴风力机发展现状[J].生产建设, 2010 (9) .

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[7]谈宏飞.新型组合式垂直轴风力机的优化设计[D].杭州:浙江工业大学, 2012.

[8]徐艳飞.小型垂直轴风力机叶轮动力性能研究[D].宜昌:三峡大学, 2012.

[9]Nasir Hayat, Ahmed Uzair Farooq.Vertical axis wind turbine–A review of various configurationsanddesign techniques[J].Renewableand Sustainable Energy Reviews, 2012 (5) .

篇4：风力机叶片故障诊断方法研究

摘 要：风力机叶片是风电机组的最为关键部件之一，其作用是将风能转换为机械能，对整个风电机组安全运行起着关键作用。并且逐步朝着大尺寸、大功率发展，叶片结构也越复杂，在运行及维护方面出现的问题也越来越多。在运行中，叶片易出现表面磨损、腐蚀、脱落及裂纹等缺陷，更严重的会发生开裂甚至断裂事故。叶片成本比较高，其维修费用、部件费用占到风力机总收入的10～15%。风力机寿命在很大程度上取决于叶片的寿命。叶片故障诊断就是及时发现并加以消除安全隐患，确保叶片的良好运行，将叶片的危险降低到最低限度的一项重要工作。利用在线监测及故障诊断技术是提高风电机组企业经济效益的重要途径，也是降低发电成本的重要环节。

关键词：风力发电机；叶片；故障诊断

一、诊断方法及失效机理分析

（一）故障诊断方法。在国家政策的支持下，风力机叶片故障诊断方法得到飞速发展，其主要技术有应变测量、振动测量、激光超声技术、红外热成像技术、视觉技术、声发射技术、光纤技术和摄影技术。比较先进的是视觉技术、声发射技术、光纤技术和摄影技术。光纤技术和摄影技术成本高，应变测量成本低。摄影技术精度极高，视觉技术、光纤技术和声发射技术精度较高。激光超声技术和光纤技术适用于远距离监测。光学应变测量（光学三维测试技术、激光散斑图干涉技术、DIC技术）适合三维监测，并且激光散斑图干涉技术和DIC技术互补，可以无限制量程监测。视觉技术可以监测最小尺寸缺陷。振动测量特别适合检测叶片裂纹。

（二）失效模式。风力机叶片损伤机理及识别方法的探索对风力机叶片故障诊断尤为重要。表1为叶片失效机理。

表1 叶片失效机理

二、状态监测及故障诊断

（一）传感器。传感器是将反映设备状态的各种物理量的信息监测出来的部件，是状态监测和故障诊断的第一步，也是很重要的一步。她直接影响着监测技术的发展。

对传感器的基本要求是：①监测出来的状态特征量信号有良好的静态特性和动态特性；②对被测设备无影响或影响很微弱，吸收待测系统的能量很小，能和后续单元很好的匹配；③可靠性好，寿命长。

在风力机叶片在线监测与故障诊断中，传感器占有重要地位。用于叶片监测的主要有压电陶瓷传感器、光纤光栅传感器、应力应变传感器、光纤视觉传感器、声波（AE）传感器、脉冲传感器和振动传感器等。

通过分析相关文献，可以得出结论：

1、 经济性：从低到高依次为电阻应变测量、振动测量、激光超声测量、声发射测量、光学应变测量、光纤测量、视觉技术测量、红外成像测量、摄影测量。

2、 安全可靠性：主要以精度为参考量，从高到低依次为摄影测量、视觉技术测量、光学应变测量、光纤测量、激光超声测量、声发射测量、电阻应变测量、振动测量、红外成像测量。

3、 适用性：

（1） 叶片裂纹：振动测量、光学应变测量（三维裂纹、夹层结构裂纹）、声发射测量（特别是微型）、摄影技术。

（2） 叶片开裂：振动测量、摄影测量（三维开裂）。

（3） 叶片断裂：声发射测量、光纤测量、摄影测量。

（4） 叶片覆冰：振动测量、激光超声测量、光纤测量。

（5） 雷击：光纤测量。

（6） 叶片变形：视觉技术测量、光学应变测。

（7） 结构分层：激光超声测量、红外成像测量、光纤测量。

（8） 叶片腐蚀：声发射测量。

（9） 叶片碳化：摄影技术。

（10） 局部应力集中：电阻应变测量、光纤测量。

三、结论

本文以风力机叶片为研究对象，其主要结论如下：

（1）风力机叶片损伤类型和损伤机理的分析，为故障诊断奠定了理论基础，有利于快速有效的诊断出故障原因。

篇5：风力机叶片气动特性数值模拟

风能是一种无污染的可再生能源, 与传统能源相比, 风力发电具有发电成本稳定, 无碳排放以及可利用风能分布广泛等优点。近年来, 世界各国对风能利用开发越来越重视, 这也促进了风力发电技术的迅速发展。风力机叶片是风力发电机组的核心部件之一, 其设计制造质量直接影响着机组内部的其它部件, 而叶片翼型的空气动力学特性又是叶片设计的关键[1,2]。在叶片设计的过程中, 由于实验条件的限制, 要想获得翼型的气动数据比较困难, 这时就需要对翼型进行数值计算和仿真模拟。本文采用FLUENT软件研究NACA4412翼型在不同攻角下的气动性能。

1 湍流模型的选择

湍流模型的数值模拟有很多方法, 而在航空航天领域中, S-A模型因其主要着眼于壁面边界流动的研究而迅速发展。该模型是一种有效的低雷诺数湍流模型, 并且能够对边界层受黏性影响的区域进行恰当求解。对动态流场进行计算时, 由于流动复杂并且计算量大, 若采用双方程模型, 计算复杂且不易收敛, 若采用零方程模型, 计算精度又会受到影响, 而S-A单方程模型相较于双方程模型和零方程模型具有易收敛、求解快等优点, 所以本文选择S-A单方程模型作为湍流模型。

为求解湍流黏度S-A模型给出如下形式的输运方程[3]:

2 计算模型的建立

本文选择相对厚度较小、气动性能较好的翼型NACA4412作为研究对象。在GAMBIT中对翼型周围流场进行网格划分, 网格质量对计算结果及计算效率均有影响, 因此应合理布置网格点。由于翼型周围空气流动变化及前后缘处梯度变化均较大, 网格应密集, 而远场边界处流场梯度接近于0, 所以当逐渐接近远场边界时网格应稀疏。综合考虑计算精度及计算时间, 在翼型上共布置150个节点, 其中尾流方向布置60个节点, 翼型表面法向布置90个节点, 最终得到整个计算物理域长度为32.5倍翼型弦长, 宽度为25倍翼型弦长。

选择S-A湍流模型, 关闭能量方程, 空气密度设为1.225 kg/m3, 边界条件设置上、下及左半圆边界为速度进口, 右边界为压力出口, 并且根据前方来流速度及攻角设置x方向和y方向的速度。

3 翼型二维仿真计算结果及分析

翼型确定以后, 要选择合理的设计点, 使其在该点附近有较大升力及较小阻力。因此, 翼型数据应该选升阻比最大的点所对应的攻角、升力系数、阻力系数等参数值。

设定雷诺数Re=106, 来流风速为12 m/s, 模拟NACA4412翼型攻角为0°~20°下的二维流场, 得到以同攻角的表面压力分布, 速度分布, 升力、阻力系数, 升阻比。

图1是攻角为0°、5.5°、10°时叶片附近压力云图。图2是攻角为0°、5.5°、10°时叶片附近速度矢量图。通过叶片附近压力云图可以看出叶片下表面压力高于上表面压力, 两者的压力差为叶片提供了升力。将压力云图和速度云图进行对比可以看出, 流场压力高的地方气流速度较小, 流场压力低的地方气流速度较大。并且从图中可以看出攻角为5.5°时叶片上下表面的压力差最大, 即升阻比最高。

图3是升力系数、阻力系数随攻角变化曲线。FLUENT软件采用数值模拟的方法对翼型气动特性进行仿真, 而Profili软件根据儒可夫斯基升力定理对其进行解析计算。经验证, 两种计算方法得到的升、阻力系数随攻角变化趋势基本一致。

通过升、阻力系数可以分别计算出各对应攻角下的升阻比。升阻比随攻角变化曲线如图4所示。从图中可以看出当攻角为5.5°时对应的升阻比最大, 所以最佳攻角为5.5°。

4 结语

1) 通过FLUENT软件在定雷诺数和定风速的情况下, 对NACA4412翼型在不同攻角下进行气动特性数值模拟, 得到攻角为0°、5.5°和10°的叶片附近压力云图和速度矢量图, 为后续叶片的气动设计提供参考。

2) 在定雷诺数和定风速的情况下, 得到不同攻角下的升、阻力系数。通过升、阻力系数计算升阻比, 并根据最大升阻比确定了最佳攻角。

参考文献

[1]牛山泉.风能技术[M].北京:科学出版社, 2009.q

[2]赵振宙, 郑源, 高玉琴.风力机原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2011.

篇6：新型风力机

摘 要：分别针对MIT/NREL TLP和UmaineHywind Spar两种海上风力机浮式平台主体的水动力特性进行研究，旨在分析两者的系泊稳定性.基于海洋水动力学和结构动力学理论，建立了平台/缆索系统耦合模型，在水深和外界载荷激励相同的情况下，利用有限元分析ANSYS软件中的水动力学计算模块进行时域、频域响应分析，研究了两种平台在海风、海流和随机波联合作用下的动态响应，并分析了两种平台随波浪频率的响应变化.结果表明：MIT/NREL TLP平台的动态响应较大，而UmaineHywind Spar平台动态响应较小；两平台均在低频波浪作用下产生响应峰值.

关键词：海上风力机； 漂浮式平台； 时域； 频域； 动态特性

中图分类号： TK 83 文献标志码： A

海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点.我国已建成了东海大桥海上风电场，计划建设的近海浅水区域风电场有10多个[1].除渤海外，我国黄海、东海和南海平均水深均在40 m以上，浅水区域有限，非常适合漂浮式风力机系统的开发.海上漂浮式风力机的最大特点是克服了在海床底部安装基础结构时受水深影响的缺点，使海上风电场的建设可向深水区发展[2].在海上风力机平台和开发深海油气的平台中，张力腿平台（TLP）和浮柱式平台（Spar）是公认的优秀平台形式[3].TLP是一种典型的深水平台，以其半固定、半顺应的运动特征在深水海洋工程中广为应用，其最重要的特点是平台的竖向运动很小[4-5].Spar平台属于顺应式平台的范畴，凭借其优良的性能和相对较低的造价，成为世界深海风力机和油气开采的主力平台类型之一[6].近年来，我国风电产业发展迅猛，海上石油开发业从近海走向深海[7]，为适应深海平台开发的需要，有关深海平台的相关理论和技术的研究得到了蓬勃发展.

浮式平台的动态特性能够反映平台在外界载荷作用下的响应特性和稳定性，对整个漂浮式风力机系统的稳定性和安全性有重大影响.本文分别选取设计水深相同的MIT/NREL TLP平台和UmaineHywind Spar平台，借助有限元分析ANSYS软件中的水动力计算模块进行时域、频域响应分析计算，分析两种平台在相同风、浪、流作用下的位移动态响应以及平台响应随波浪频率的变化.

1 基本环境载荷

环境载荷指直接或间接由环境作用引起的载荷，包括由环境载荷引起的所有外力，如系泊力、运动惯性力、液舱晃荡力等.漂浮式风力机所受到的环境载荷主要来自风、浪、流，还有内波、地震和海冰（大块浮冰或冰山）.本文仅考虑前三种载荷.

1.1 风载荷

海风对海洋结构物的工作影响很大，通常作用在结构上的风载荷是动态的，但一些结构对风载荷的反应几乎为静态形式.在实际工程中常用设计风速法得到结构所受到的海风载荷.根据我国海上移动平台入级规范可计算作用于构件上的风力F，并应确定合力作用点的垂直高度[8]，即

式中：S为平台在正浮或倾斜状态时受风构件的正投影面积；Ch、Cs分别为受风构件的高度系数和形状系数；P为风压；V为设计风速.

1.2 波浪载荷

波浪载荷是漂浮式风力机平台所受到的主要环境载荷，且较风载荷更为复杂，这也是与陆上风力机最大不同之处.作用在漂浮式平台上的水动力包括波浪激振力、由结构运动产生的辐射力和考虑波浪高阶效应的漂移力.其中：波浪激振力包括由入射波形成的不稳定压力所引起的F-K力（佛汝德-克雷洛夫力）和由于结构存在影响波浪密度分布产生压差而引起的绕射力；辐射力包括附加质量力和辐射阻尼力.对于大尺度结构，一般采用绕射理论对作用于物体表面上的整个水动压力进行积分计算波浪载荷.在绕射理论中，流场用速度势函数描述，该速度势在流体各处应满足拉普拉斯方程，并满足物体表面、自由表面、海底及无穷远处的边界条件.通常总速度势由入射势、绕射势（假定物体固定）和运动着的物体在静水中产生的辐射势组成，从而得到结构物的运动与作用力.描述波浪运动的理论有许多，根据不同要素可分为线性和非线性、有旋和无旋、规则和不规则、单向和多向、浅水和深水等.漂浮式风力机平台一般远离海岸，局部水深几乎不变；与波长相比，水深相对较大.通常用无旋模型描述一个波浪在其生成区域外的传播或在水池内造波机产生的波浪传播.理想流体和无旋流动的假设可使问题大大简化，其方法是引入速度势函数Φ（x，y，z，t），利用速度势给出速度场V（x，y，z，t）=

Φ（x，y，z，t），于是流动的无旋性自动得到保证.在流域内质量守恒（对于不可压缩流体，divV=0）可表示为速度势函数的拉普拉斯方程[9]，即

通过伯努利拉格朗日关系式可得到流域内的压力

式中： p0为参考压力，即大气压力；ρw为海水密度；g为重力加速度.

波浪理论的分类与3个几何参数（波高H、波长L、水深h）有关.浅水理论与深水（或中等水深）理论之间的区别取决于厄塞尔参数Ur，有

式中：A为波幅；k=2π/L；非线性参数ε=A/h；色散参数μ=kh.

当Ur<1，意味着色散效应较非线性效应占优势，用参数kA≡ε对势函数Φ进行展开，可实现对问题的求解，即

式中，（i）为势函数的i阶导数.

这就是所谓的斯托克斯方法，由此可得到斯托克斯规则波模型.相反，当Ur>1，h/L为小参数，从而得到椭圆余弦波模型和孤立波模型.在大部分海洋工程模型中，水深足够大，故可应用斯托克斯模型[10].

小尺度海洋结构上的波浪力Fw通常采用Morison方程计算，由拖曳力和惯性力组成，即

式中：CD、CM分别为曳力系数和惯性力系数；u为垂直于构件轴线水质点的速度分量；D为直立圆柱的直径.

1.3 海流载荷

海流载荷是由海流作用在海洋工程结构物上所产生的载荷.海流力是作用在海洋结构物上的一种流动阻力.根据水下结构物上的阻力是流体动能函数的原理，可按照稳定流动条件下阻力的数学表达式得到海流力，其计算需合理确定海平面以下某深度的海流速度、阻力系数和惯性力系数.其中，海流设计流速应取为在平台作业海区范围内可能出现的最大流速值，包括潮流流速、风暴涌流速和风成流流速，还应考虑作业海区流速的垂向分布.当波浪存在时，还应对无波浪时的流速垂向分布进行修正，以使瞬时波面处的流速保持不变.

当只考虑海流作用时，作用在平台水下部分构件的海流载荷为式中，Vw为设计海流流速.

应注意海流与波浪的相互作用.当采取Morison公式计算波浪载荷时，应将波浪水质点速度与海流速度矢量相加；当采用绕射理论计算波浪载荷时，海流载荷应按式（8）计算，并与波浪载荷矢量相加.

2 平台建模与计算

2.1 平台模型建立

本文研究对象为MIT/NREL TLP和UmaineHywind Spar平台.TLP平台由麻省理工学院设计的张力腿平台改进得到，以混凝土为压舱物，8根缆索分成4组构成4根筋腱，分别连接4根从底部水平延伸而出的辐条和位于海底的桩基，缆索由于预张力作用始终处于完全张紧状态；Spar平台是缅因大学根据国际能源署（IEA）研发的OC3Hywind Spar改变水深以便于试验比较而得来，主体为一深吃水的细长浮筒，周身附连3根悬链线缆索并通过三脚架连接，以增加平台系泊的抗偏刚度，相邻缆索夹角为120°，且在一定预张力作用下处于半张紧半松弛状态[11].

本文采用ANSYS软件中水动力计算模块进行模型导入和表面网格划分，分析中对系泊系统进行了适当简化，忽略了系泊系统的阻力.对UmaineHywind Spar作了去除三角形连接、缆索直接连在浮筒上的简化，这在静态分析中是合适的，但不适用于所有的动态条件[12].计算中没有对缆索进行线性简化.两平台参数如表1所示.图1分别为MIT/NREL TLP和UmaineHywind Spar平台几何模型.

2.2 响应算子与自由度

浮体波频运动6个自由度响应的稳态幅值称为幅值运动响应算子（response amplitude operator）.该算子是由波浪激励到船体或浮体运动的传递函数，为船体或浮体运动谱与波浪谱的比值，表征单位波幅的特征响应.对于平动，其幅值响应算子Y2yζ（ω）=Syζ（ω）/Sζ（ω）；对于转动，其幅值响应算子Y2θζ（ω）=Sθζ（ω）/Sζ（ω），其中：Syζ（ω）和Sθζ（ω）分别为海上结构物的平动和转动运动谱；Sζ（ω）为波浪谱；ω为入射波浪的频率.

随机波浪可视为无数个振幅、频率不等，初相位随机并沿与x轴成不同角度的方向传播的简单余弦波的叠加.通常把风浪和由此引起的摇荡运动都看成是具备各态历经性的平稳随机过程，平台对任一波浪成分的响应是该成分波波幅的线性函数并与它对其它波浪成分的响应无关.利用平台各自由度的运动幅值响应算子给出在每一个波浪频率下的平台响应并叠加求和，可得到在多个波浪作用下的平台运动方程[13].可用平台位置的幅值响应算子反映在外界环境载荷激励下平台在6个自由度上的运动情况，从而体现平台稳定性.6个自由度上的运动如图2所示.由于风、浪、流均为-180°入射，因此主要分析沿x轴的平动（纵荡）和绕y轴的转动（纵摇）位置幅值响应算子.

2.3 计算工况

在外界激励条件相同时对两种平台进行时域响应分析，风速恒定取为10 m·s-1，设定海流速度从海平面至海底由0.95 m·s-1线性减小至0 m·s-1，随机波谱选择P-M谱，外界海况条件参数如表2所示.利用表2的数据建立平台与缆索在风、浪、流联合作用下的耦合计算模型，分析时间为300 s，时间步长为0.01 s.

3 结果分析

3.1 MIT/NREL TLP平台

3.1.1 时域响应分析

图3（a）、（b）分别为MIT/NREL TLP平台纵荡和纵摇时域位移幅值响应算子，其中纵坐标分别表示对应单位波幅的位移和偏转角.从图3中可看出，平台在风、浪、流载荷作用下绕起始位置作往复运动，纵荡和纵摇运动均在约180 s后开始进入峰值，其中纵荡最大位置幅值响应算子约为5 m·m-1，纵摇最大位置幅值响应算子最大值约为17°·m-1.

3.1.2 频域响应分析

频域响应分析是研究平台随波浪频率变化的运动响应，考虑到载荷的作用方向与平台自身特点，此处分析纵荡、垂荡和纵摇的频域响应.图4（a）、（b）、（c）分别为MIT/NREL TLP平台纵

荡、垂荡和纵摇运动的频域响应算子.从图中可看

出，平台纵荡运动在0.07 rad·s-1左右的波浪频率下产生响应峰值，之后随着波浪频率增大响应急剧降低，约在0.4 ～0.7 rad·s-1之间上升，随后便呈下降趋势；垂荡运动约在波浪频率0.5 rad·s-1时

出现响应峰值，该值前后均为急升急降趋势；而纵摇运动的响应峰值出现在波浪频率0.8 rad·s-1左右；此外，TLP平台的垂荡和纵摇频域响应的峰值接近.

3.2 UmaineHywind Spar平台

3.2.1 时域响应分析

图5为UmaineHywind Spar平台在相同载荷作用下的纵荡和纵摇位置幅值响应算子，其中纵坐标分别表示对应单位波幅的位移和偏转角.从图中可看出，平台在风、浪、流载荷的作用下绕起始位置作往复运动，且比MIT/NREL TLP的运动更为规律.相比于TLP平台，其纵荡位移响应算子均为cm级，平动位移变化很小；由于平台自身结构特性，纵摇位置响应亦很小，最大值不到3°·m-1.

3.2.2 频域响应分析

图6为UmaineHywind Spar平台的纵荡、垂荡和纵摇运动的频域响应算子.由图6可知，

Spar平台纵荡运动在0.07 rad·s-1的波浪频率下即出现响应峰值，且除0.20～0.34 rad·s-1之间有小幅升高外，响应幅值呈下降趋势，且峰值略小于TLP平台的峰值；垂荡运动的响应峰值出现在频率小于0.5 rad·s-1处，峰值较TLP平台的小；纵摇运动的响应峰值出现在频率0.4 ～0.5 rad·s-1之间，

且与TLP平台相比峰值较小；Spar平台的垂荡响应峰值大于纵荡和纵摇的响应峰值.

以上分析说明，在外界风、浪、流载荷作用下：

（1） MIT/NREL TLP平台产生较大动态位移，并引发较大幅度的往复运动和摇摆运动；

（2） UmaineHywind Spar平台动态位移较小，考虑其重心远远低于浮心，稳定性较好；

（3） 两平台的纵荡、垂荡和纵摇运动响应对频率变化均较敏感，并在低频率时出现响应峰值.

4 结 语

本文在给定海况条件下，考虑风、浪、流联合作用，借助有限元分析ANSYS软件中的水动力模块计算分析了两种经典风力机平台的时域和频域响应.当然，由于在计算过程中尚未考虑平台主体与风力机正常运行下的耦合作用，因此实际耦合情况下的稳定性情况尚有待继续分析.若能在后续研究工作中加以解决，并能同时考虑平台与波浪之间的共振效应，则可对这两种经典平台的性能和实用性作出更具现实意义的对比，以期得到在不同海况条件下的最佳平台选择，或者通过对平台的改进以降低危险和建造成本.这将具有更大的实用价值，且将为我国深海漂浮式风力机的发展提供更多有益的参考.

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