【摘要】：風(fēng)能是最廉價(jià)、最清潔的能源之一,尤其近兩年,海上浮式風(fēng)機(jī)的研究得到了迅猛發(fā)展。由于海上較強(qiáng)的風(fēng)力和頻繁的波浪作用使得海上風(fēng)機(jī)可能遇到更為嚴(yán)重的問題,惡劣的環(huán)境條件導(dǎo)致海上浮式風(fēng)力機(jī)的生存性能有所下降,從而可能引發(fā)更多的故障問題。本文以NREL OC4半潛型浮式風(fēng)機(jī)為對象展開風(fēng)險(xiǎn)與可靠性評價(jià)研究。對海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)-塔柱系統(tǒng)、固定式風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、浮式風(fēng)機(jī)普通葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和壓電板殼葉片系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)展開了可靠性分析,具體如下:采用FAST軟件計(jì)算風(fēng)機(jī)運(yùn)動響應(yīng)與氣動載荷,將時(shí)域結(jié)果輸入ANSYS軟件進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與已有數(shù)據(jù)庫和相關(guān)文獻(xiàn)相結(jié)合,利用隨機(jī)載荷模型、雨流計(jì)數(shù)法和Dirlik公式計(jì)算結(jié)構(gòu)失效概率。利用MATLAB語言編寫時(shí)域動態(tài)FTA分析程序,對海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)-塔柱系統(tǒng)和葉片系統(tǒng)的全周期失效概率和底事件重要度做出全面估算。將海上浮式風(fēng)機(jī)分為四個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究,即基礎(chǔ)-塔柱系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)的工作環(huán)境條件和故障特性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),給出整機(jī)風(fēng)險(xiǎn)危害性矩陣,初步確定風(fēng)險(xiǎn)排序;考慮浮式風(fēng)機(jī)服役的深遠(yuǎn)海特點(diǎn),在原有RPN分析的基礎(chǔ)上考慮經(jīng)濟(jì)因素影響,計(jì)算RPN排序,采用失效模式和影響危害性分析(FMECA)方法,給出半潛型海上浮式風(fēng)機(jī)整機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析表。研究表明,海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)-塔柱系統(tǒng)失效概率整體較低,且定期維修對于延長風(fēng)機(jī)壽命的效果明顯,隨著服役時(shí)間的增長,結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)概率重要度不斷增大。對于葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng),浮式風(fēng)機(jī)的整體失效概率全面高于固定式風(fēng)機(jī);浮式風(fēng)機(jī)最危險(xiǎn)工況為切出風(fēng)速工況,而固定式風(fēng)機(jī)的最危險(xiǎn)工況為極限風(fēng)速工況;在采用壓電材料的情況下,葉根應(yīng)力、疲勞失效概率和應(yīng)力過載失效概率明顯下降,而隨著壓電材料彈性模量的升高,系統(tǒng)的安全性指標(biāo)與應(yīng)力水平下降幅度逐漸減小。從風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的結(jié)果來看,機(jī)械磨損問題、材料問題和電力控制問題是整個(gè)浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的主要風(fēng)險(xiǎn)源,而葉片系統(tǒng)故障的后果最為嚴(yán)重。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK83
【圖文】：

對比近海與遠(yuǎn)海的發(fā)展前景和能源利用情況，我國應(yīng)積極開發(fā)適應(yīng)深海特點(diǎn)的浮式風(fēng)電機(jī)組[5]，并積極進(jìn)行實(shí)證，以推動我國風(fēng)電事業(yè)發(fā)展。同立足當(dāng)前海洋工程裝備，盡快與國際先進(jìn)水平相融合，并在該過程中，自己的知識產(chǎn)權(quán)，提升我國在風(fēng)電領(lǐng)域的地位。 海上浮式風(fēng)機(jī)介紹風(fēng)力機(jī)根據(jù)風(fēng)輪傳動軸的轉(zhuǎn)動方向，可以分為兩種類型：水平軸風(fēng)力發(fā)直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其具體形式可見圖 1-4。其中，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的在于其工作狀態(tài)可以擺脫風(fēng)向產(chǎn)生的影響，不需要偏航系統(tǒng)作為輔助。主要機(jī)電部分通常位于基礎(chǔ)部分，更便于海上作業(yè)的維修。但是，大型力機(jī)通常存在穩(wěn)定性與動力問題，需要更多特殊的分析內(nèi)容，而且垂直電機(jī)由于受到葉片附加阻力等因素影響，其轉(zhuǎn)速和發(fā)電量往往不及水平，因此，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是較常用的大型浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

圖 2-1 可靠性指標(biāo)的相互關(guān)系通過上圖各可靠性指標(biāo)之間的相互關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，R(t)、F(t)、f(t)、λ(t)四個(gè)函數(shù)中知道任何一個(gè)，就可以根據(jù)箭頭方向確定其他的可靠性指標(biāo)。2.1.3 產(chǎn)品的壽命分布不同的產(chǎn)品根據(jù)其工作特點(diǎn)具有不同的壽命分布特點(diǎn)[26]。有些產(chǎn)品的壽命特點(diǎn)具有集中在中間、兩頭小的分布特點(diǎn)；而也有些具有前面較密，后面稀疏的分布特點(diǎn)。在可靠性實(shí)踐中，人們結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程實(shí)際，發(fā)現(xiàn)指數(shù)分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布及威布爾分布可用來表述產(chǎn)品的失效分布規(guī)律。指數(shù)分布：指數(shù)分布是可靠性實(shí)踐中最常見的分布之一，其概率密度函數(shù)可以表示為： ( ) = （2-18）式中，λ 表示失效概率。對于服從指數(shù)分布的產(chǎn)品，在其早期失效階段，失

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本文編號：2736610