近年来,对可再生能源的开发和利用,已经成为世界各国能源发展的重要战略。风能是一种储量丰富并具有大规模开发利用前景的可再生能源。由于噪音和视觉污染、场地空间不足等因素,陆上风能开发受到了一定的限制,海洋风能开发已逐渐成为学术界和工业界关注的焦点,且呈现出由近海向远海发展的趋势。浮式风力机是开发远海深水风能的新装备,其中单柱型浮式风力机因其具有优良的运动性能和自浮稳性以及结构相对简单等优点得到了快速的发展。多兆瓦级单柱型浮式风力机一般适用于水深大于200m的深海海域,而对于100m左右的中等水深海域,尚缺少适用的单柱型浮式风力机方案,需要有针对性地开展概念设计与耦合动力性能研究,从而为将来实际应用提供丰富的技术储备。在国家重点基础研究发展(973计划)项目的支持下,本文探讨了适于工作在100m水深的6MW单柱型浮式风力机的设计准则,完成了该浮式风力机的概念设计,开展了浮式风力机水池模型试验方法研究,进行了随机风浪流水池模型试验,研究了该浮式风力机的耦合动力特性,探讨了适用于单柱型浮式风力机的叶片桨距角控制系统主要参数的计算方法。主要研究内容以及研究成果如下:(1)提出了一型适用于100m水深的6MW单柱型浮式风力机概念,为本文的研究提供了一个明确的研究对象。根据设计基本依据,开展了6MW单柱型浮式风力机概念设计研究,提炼了一套较为完整的概念设计流程。具体内容包括:设计了适用于海上6MW浮式风力机的塔筒结构和单柱型支撑平台,其中单柱型支撑平台型深89m,吃水76m,具有小水线面、较优的自浮稳性等优点。采用了Delta-line形式的系泊系统,有效地增大了单柱型浮式风力机的艏摇刚度,有利于减小艏摇运动响应。(2)开展了6MW单柱型浮式风力机水池模型试验方法与模型设计研究,建立了相似准则,设计了一型缩尺比为1:65.3的模型风力机,确保了水池模型试验的顺利开展。具体内容包括:提出了一套完整的风力机模型叶片设计方法和流程,设计了一型与6MW原型叶片推力性能相似的模型叶片;设计了两型试验用模型机舱,一型模型机舱用于风力机空气动力学性能校准试验,一型模型机舱用于进行水池模型试验。通过风力机模型设计研究,解决了水池模型试验中模型叶片的尺度效应及机舱超重等难题,使得水池模型试验结果能够准确地反映原型风力机的性能。(3)开展了多工况下的水池模型试验研究,为单柱型浮式风力机的数值模型和理论计算验证提供了可靠的数据。为了研究不同环境载荷对浮式风力机动态响应的影响,开展了规则波工况、风单独作用工况、波浪单独作用工况、风浪流联合作用工况以及极限海况下的水池模型试验研究。试验中采用了自主开发的阵列式变频驱动造风装置,该造风装置能够根据要求生成均匀风和湍流风。在工作工况下,风力机的纵荡、纵摇以及垂荡运动响应主要受到风载荷的影响;在极限工况下,主要受到波浪载荷的影响,其运动响应在极限波浪载荷作用下达到最大值。水池模型试验研究揭示了环境参数对风力机运动特性影响的规律,验证了本文提出的单柱型浮式风力机概念。(4)建立了全耦合的6MW单柱型浮式风力机数值计算模型,系统研究了风力机在风浪流联合作用下的耦合动力特性。上部风力机工作载荷对单柱型浮式支撑平台运动响应以及系泊系统载荷的影响较大,单柱型浮式支撑平台运动对风力机的平均输出功率影响较小,但是对塔底弯矩影响较大;在工作工况下,风载荷主要影响运动响应的平均值,风载荷对叶片的位移响应、平台纵摇响应以及系泊系统受力响应影响较大,波浪和海流载荷主要影响运动响应、机舱纵向加速度以及塔筒底部弯矩的波动程度;在极限海况下,二阶波浪力对垂荡运动的影响非常显著,并且会激发较大的纵摇运动响应,运动极值增幅达19%,在单柱型浮式风力机的设计中应重点关注二阶波浪力的影响。(5)研究了叶片桨距角控制策略对浮式风力机动力性能的影响,研究结果可为进一步精确分析风力机的耦合动力特性提供有力支撑。基于对现有风力机控制系统的研究,提炼出了相比于陆上风力机具有大幅度运动性能的浮式风力机的控制系统主要参数的计算方法,并采用该计算方法,基于PI控制策略,计算得到了6MW单柱型浮式风力机的叶片桨距角控制系统的主要参数,进一步开展了桨距角控制的影响研究。研究发现,桨距角控制对风力机运动性能的影响较大,尤其是对风力机纵摇响应的影响显著,此外能够降低锚泊线出缆处的受力最大值以及波动程度,有助于提高系泊系统的安全性以及使用寿命。本文总结的单柱型浮式风力机设计准则,为风力机的设计提供了指导,完成了适于工作在100m水深的6MW单柱型浮式风力机的概念设计,扩展了兆瓦级单柱型浮式风力机适用的水深范围,形成了完整的模型风力机设计方法和流程,风力机水池模型试验、数值研究以及桨距角控制研究的开展,对于科学认识理解单柱型浮式风力机的“耦合动力特性”问题及其机理具有重要的学术意义,为研究者们掌握单柱型浮式风力机设计的关键技术提供了理论支撑和技术支持。