6哈爾濱工程大學 岳峰.pdf

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1、基于電渦流阻尼器的駁船式風機減振控制岳峰、張建華、岳飛虎 哈爾濱工程大學2024.08.17陜西 西安01研究背景研究思路研究內容研究結論CONTENTS目 錄020304Part.1研究背景研究背景研究思路研究內容1.1 研究背景2023 年，全球風電新增裝機116.6GW，較2022年增長50%。其中，全球陸上風電新增裝機容量首次突破100GW，達到105.8GW。全球海上風電新增裝機10.8GW，同比增長24%，僅次于2021年。這主要得益于中國海上風電市場的發展勢頭強勁（同比增長25%）。中國近些年積極探索漂浮式風電技術，2023年底中國漂浮式風電累計裝機容量達到22.95MW，占全球

2、浮式風電總裝機容量的10%研究結論隨著對能源發展的需求，大力發展漂浮式風機已成為一種必然趨勢GWEC2024研究背景研究思路1.2 研究意義A.B.漂浮式風機平臺運動可以分解為六個自由度：縱蕩（surge）、橫蕩（sway）、垂蕩（heave）、橫搖（roll）、縱搖（pitch）和艏搖（yaw）相比于固定式風機，浮式風機的平臺運動響應更加復雜。研究內容研究結論漂浮式風機振動導致的問題：1.結構安全性（共振、失穩、倒塌）2.風機的發電效率設計浮式風機的振動控制裝置及抑制浮式風機的振動具有重要的工程及實用意義。研究背景研究思路1.2 研究意義C.D.傳統調諧質量阻尼器（TMD）主要由：質量塊、彈

3、簧、阻尼結構構成缺點：機械摩擦、損耗壽命；頻率固定不可調整，頻帶寬度窄，適用范圍小電渦流阻尼器（ECD）：主要由質量塊、永磁體、導體組成優點：無接觸、無能量輸入、全金屬結構，也不存在液漏和老化問題，耐久性好；頻率易于調整，啟動靈敏度高，適用范圍廣。研究內容研究結論結構振動控制方法：主動控制、被動控制、半主動控制、混合控制水平板式電渦流阻尼器結構圖調諧質量阻尼器結構圖研究背景研究思路1.2 研究意義E.在電渦流阻尼器的基礎上設計了減振裝置。（一種風力機塔筒內擺式電渦流阻尼器減振裝置）因此提出基于電渦流阻尼器的海上浮式風機減振控制策略研究內容研究結論授權證書及受理通知書發明專利結構示意圖當風機塔筒

4、在承受外界激勵時，斜拉索懸掛的質量塊自由擺動，帶動永磁體切割磁感線運動，產生阻尼力，從而實現全方位的減振控制。此發明可以通過調整磁體與導體間距、導體厚度以及放置密度改變阻尼力，調整斜拉索長度改變阻尼器頻率，以適應不同風電機組的要求。Part.2研究思路緒論背景研究思路2.1 技術路線第1部分 ECD模擬分析參數化分析公式擬合理論模型建立研究內容研究結論第2部分 Barge式風機振動控制Barge模型機艙ECD優化控制效果分析ECD位置優化對比不同工況下控制方案ABC控制效果對比分析Part.3研究內容研究思路3.1 電渦流阻尼器模擬分析 當導體板在強度為 B 的均勻磁場中以速度v來切割磁感線時

5、，導體板內會產生密度為J的電渦流并受到電磁力F。通過調整磁導間距d、銅板厚度、導磁鋼板厚度z探究電渦流阻尼器性能。電渦流阻尼器原理示意圖水平板式電渦流阻尼器結構圖n 原理介紹研究內容研究結論研究背景研究思路3.1 電渦流阻尼器模擬分析 在COMSOL中建模，進行參數分析。質量塊的尺寸為1.5m1.5m1.5m，永磁體布置16塊，相鄰永磁體間N極和S極相互交錯布置，永磁體之間的間距為0.2m，永磁體的長寬高為0.2m0.2m0.02m，布置方式如圖?？偞呕砻娣e為0.64m2，銅板的尺寸為2m2m0.05m，在銅板底部設置導磁鋼板增強永磁體之間的磁場強度，限制電渦流的擴散范圍，減少電渦流的能量損

6、耗，提高電渦流阻尼器的能量轉換效率，尺寸2m2m0.05m。電渦流阻尼器有限元模型永磁體布置圖（單位：m）電渦流阻尼器網格劃分圖n 有限元模型建立研究內容研究結論研究背景研究思路3.1 電渦流阻尼器模擬分析 調整磁導間距，從5mm至30mm步長間距為1mm，模擬得到銅板受到的洛倫茲力，計算得到電渦流阻尼系數。n 磁導間距影響(a)磁導間距5mm(b)磁導間距10mm(c)磁導間距15mm(d)磁導間距20mm(e)磁導間距25mm(f)磁導間距30mm研究內容研究結論研究背景 在保證導體板與永磁體不接觸的情況下，減小磁導間距可以提升ECD的工作效率。研究思路研究內容3.1 電渦流阻尼器模擬分析

7、n 磁導間距影響 調整磁導間距，從5mm至30mm步長間距為1mm，模擬得到銅板受到的洛倫茲力，計算得到電渦流阻尼系數。磁導間距d/(mm)洛倫茲力FECD/(N)電渦流阻尼器系數c1/(Ns/m)55500.311000.6104035.28070.41531286256202462.94925.8252038.74077.4301697.93395.8電渦流阻尼系數隨磁導間距變化關系表電渦流阻尼器阻尼系數隨磁導間距的變化關系4543212.0636 100.03121.894461.48101231.82415844.0918cddddd 研究結論研究背景研究思路3.1 電渦流阻尼器模擬分

8、析 調整銅板厚度，從5mm至30mm步長間距為1mm，模擬得到銅板受到的洛倫茲力，計算得到電渦流阻尼系數(a)銅板厚度5mm(b)銅板厚度10mm(c)銅板厚度15mm(d)銅板厚度20mm(e)銅板厚度25mm(f)銅板厚度30mmn 銅板厚度影響研究內容研究結論研究背景研究思路3.1 電渦流阻尼器模擬分析n 銅板厚度影響 調整銅板厚度，從5mm至30mm步長間距為1mm，模擬得到銅板受到的洛倫茲力，計算得到電渦流阻尼系數。銅板厚度/(mm)洛倫茲力FECD/(N)電渦流阻尼器系數c1/(Ns/m)55500.311000.6107866.615733.215894317886.020934

9、7.418694.8259370.918741.830920118402.0電渦流阻尼系數隨銅板厚度變化關系表電渦流阻尼器阻尼系數隨銅板厚度的變化關系543210.00120.12826.0939166.88772597.99001482.8557c研究內容研究結論研究背景研究思路3.1 電渦流阻尼器模擬分析n 鋼板厚度影響 調整鋼板厚度，從5mm至30mm步長間距為1mm，模擬得到銅板受到的洛倫茲力，計算得到電渦流阻尼系數(a)鋼板厚度5mm(b)鋼板厚度10mm(c)鋼板厚度15mm(d)鋼板厚度20mm(e)鋼板厚度25mm(f)鋼板厚度30mm研究內容研究結論研究背景研究思路3.1 電

10、渦流阻尼器模擬分析n 鋼板厚度影響 調整鋼板厚度，從5mm至30mm步長間距為1mm，模擬得到銅板受到的洛倫茲力，計算得到電渦流阻尼系數。鋼板厚度z/(mm)洛倫茲力FECD/(N)電渦流阻尼器系數c1/(Ns/m)55500.311000.6105889.311778.6156137.51227520626212524256328.112656.2306437.112874.2電渦流阻尼系數隨鋼板厚度變化關系表阻尼系數隨鋼板厚度的變化關系543216.62650.06022.17722.177241.85749305.9980zczzzz研究內容研究結論研究背景研究思路3.2 Barge式風

11、機振動控制NREL 5MW Barge式平臺參數Barge式風力發電機組示意圖項目參數長寬/mm4040吃水深度/m4平臺排水量/m6000平臺總質量/kg5452000橫搖慣量/(kgm-3)726900000縱搖慣量/(kgm-3)726900000艏搖慣量/(kgm-3)1454000000錨深度/m150錨長度/m473.3錨直徑/m0.0809纜索拉伸剛度/N589000000項目參數額定功率/MW5葉片數3控制方式變速、集中式變漿風輪直徑/m126輪轂高度/m90切入、額定、切出風速/(m/s)3，11.4，25風輪質量/t110機艙質量/t240塔架質量/t347.5NREL 5

12、MW基準風機參數n 風機模型 FAST軟件由美國國家可再生能源實驗室（NREL）開發，可以模擬分析風力機和風電場的氣動-水動-伺服-彈性特性，是一種多物理、多保真度的風力機耦合動力響應仿真工具。研究內容研究結論研究背景研究思路3.2 Barge式風機振動控制n 自由衰減模擬 無風靜水環境下，通過調整質量比、阻尼比和頻率比來研究自由衰減工況下在機艙放置ECD對風機的振動控制效果，對ECD進行優化，從而確定出最優的質量比、阻尼比和頻率比。塔頂前后位移時域圖塔頂前后位移頻域圖ECD自由衰減位移時域圖研究內容研究結論研究背景研究思路3.2 Barge式風機振動控制n ECD參數優化研究內容研究結論工況

13、m1/kgk1/(N/m)B/T/mz/md/m(%)1(%)L12000050001.50.0050.0050.0253201L22500062501.50.0050.0050.0204201L33000075001.50.0050.0050.0165201L43500087501.50.0050.0050.0136201質量比不同工況m1/kgk1/(N/m)B/T/mz/md/m(%)1(%)L13000075001.50.0050.0050.0235151L23000075001.50.0050.0050.0165201L33000075001.50.0050.0050.0125251

14、L43000075001.50.0050.0050.0085301工況m1/kgk1/(N/m)B/T/mz/md/m(%)1(%)L13000070501.50.0050.0020.0125250.97L23000072001.50.0050.0030.0125250.98L33000073501.50.0050.0040.0125250.99L43000075001.50.0050.0050.0125251阻尼比不同頻率比不同通過調整質量比、阻尼比、頻率比，確定出最優的ECD參數，進行后續的Barge式風機抑振分析。研究背景研究思路3.2 Barge式風機振動控制n 仿真工況的選取工況風況

15、平均風速(m/s)有義波高(m)波周期(s)流(m/s)1NTM52.512.50.852NTM123.312.50.853NTM18412.514ETM18412.51風浪流載荷工況設計提取塔頂前后位移、塔底前后方向剪力和彎矩、縱搖角位移以及葉根彎矩分析抑振效果。采用標準差抑制率和最大振幅抑制率作為評價抑振效果的指標。應用Tubsim程序基于IEC標準進行風況模擬輪轂高度處18m/s NTM風速圖18m/s NTM全域風場圖輪轂高度處5m/s NTM風速圖5m/s NTM全域風場圖輪轂高度處12m/s NTM風速圖12m/s NTM全域風場圖為了充分探究ECD對于Barge式風機的振動控制效

16、果，考慮以下4種工況。分別采用三種控制方案進行模擬方案A（在機艙處設置ECD）；方案B（在平臺處設置ECD）；方案C（在機艙和平臺聯合設置ECD）研究內容研究結論研究背景研究思路3.2 Barge式風機振動控制n 工況1下方案A對風機響應的抑制分析（NTM風速5m/s）塔頂前后位移時域圖葉根彎矩時域圖塔頂前后位移頻域圖葉根彎矩頻域圖縱搖角位移時域圖縱搖角位移頻域圖研究內容研究結論研究背景標準差抑制率：30.1%最大振幅抑制率：24.8%標準差抑制率：41.7%最大振幅抑制率：42.0%標準差抑制率：27.7%最大振幅抑制率：30.0%切入風速正常湍流風研究思路3.2 Barge式風機振動控制n

17、 工況1下方案B對風機響應的抑制分析（NTM風速5m/s）塔頂前后位移時域圖葉根彎矩時域圖塔頂前后位移頻域圖葉根彎矩頻域圖縱搖角位移時域圖縱搖角位移頻域圖 標準差抑制率分別為25.9%、26.8%、26.7%、29.1%、17.7%；最大振幅抑制率分別為24.8%、26.9%、25.4%、42.0%、30.0%。研究內容研究結論研究背景研究思路3.2 Barge式風機振動控制n 工況1下方案C對風機響應的抑制分析（NTM風速5m/s）塔頂前后位移時域圖葉根彎矩時域圖塔頂前后位移頻域圖葉根彎矩頻域圖縱搖角位移時域圖縱搖角位移頻域圖 標準差抑制率分別為25.9%、29.5%、27.4%、33.3%

18、、20.8%；最大振幅抑制率分別為11.9%、16.1%、13.5%、34.8%、23.3%。研究內容研究結論研究背景研究思路3.2 Barge式風機振動控制n 分析匯總不同環境工況下方案A、B、C標準差抑制率和最大振幅抑制率標準差抑制率%最大振幅抑制率%工況塔頂前后位移塔底前后方向剪力塔底前后方向彎矩縱搖角位移葉根彎矩塔頂前后位移塔底前后方向剪力塔底前后方向彎矩縱搖角位移葉根彎矩方案A130.137.335.641.727.724.826.925.442.030.0212.115.613.322.210.714.320.018.123.125.437.4011.49.1013.711.316

19、.718.016.423.027.647.7011.79.4013.59.5016.616.716.323.827.2方案B125.926.826.729.117.713.010.910.822.59.1023.003.303.405.504.80-9.50-11.812.0-9.30-1.10312.88.809.0030.010.0-4.10-5.50-5.80-10.31.7045.105.905.802.5010.04.203.803.700.9011.6方案C125.929.527.433.320.811.916.113.534.823.3212.217.114.222.311.11

20、4.319.316.827.833.2315.918.416.941.519.216.618.616.423.332.147.7011.48.9013.29.808.3012.810.917.131.8研究內容研究結論研究背景研究思路研究結論3.2 Barge式風機振動控制n 分析對比 工況1標準差抑制率柱狀對比圖 工況1最大振幅抑制率柱狀對比圖 工況4標準差抑制率柱狀對比圖工況4最大振幅抑制率柱狀對比圖研究內容研究背景 工況3標準差抑制率柱狀對比圖 工況3最大振幅抑制率柱狀對比圖Part.4研究結論研究思路研究結論ECD系數相關因素電渦流阻尼系數隨著磁導間距的增大而減小，但是衰減幅度逐漸變緩

21、。隨著銅板厚度的增加，電渦流阻尼系數呈現先增加后減小的趨勢，存在最優銅板厚度。隨著鋼板厚度的不斷增加，電渦流阻尼系數逐漸變大，趨勢逐漸變緩，改變導磁鋼板的厚度對電渦流阻尼系數的影響相較于前兩者變化幅度較小。通過擬合公式得出三個參數和電渦流阻尼系數的關系表達式。01不同ECD布置方案評價對Barge式風機ECD的不同設置方案進行比較，發現從總體來看，方案B的控制效果弱于方案A和方案C。在正常湍流風低風速工況下，方案A的振動控制效果最佳。在正常湍流風高風速工況下，方案C控制效果最好。在極端湍流風工況下，方案A的控制效果與方案C的控制效果接近，但從最大振幅抑制率的角度看，方案C的控制效果稍弱。024.1 研究結論研究內容研究背景請各位專家批評指正匯報人：岳峰哈爾濱工程大學聯系電話：15331990716郵 箱：