自升式海上風電安裝船的模型試驗分析研究

劉建峰

(南通中遠船務工程有限公司, 江蘇 南通 226005)

自升式海上風電安裝船的模型試驗分析研究

劉建峰

(南通中遠船務工程有限公司, 江蘇 南通 226005)

主要闡述了具備自航能力的自升式海上風電安裝船在船型設計階段的模型試驗和計算分析，為相似船型和類似海洋工程裝備的設計研究提供了參考。

風電安裝船 模型試驗 航速 阻力 推進 流型

1 前言

為應對未來的能源危機和氣候變化，以及保護環境，發展可再生能源是目前的大勢所趨。風能與太陽能、生物質能等相比，其產業化基礎和經濟性方面優勢明顯，而且對環境的負面影響極小，是可預見時期內，最有可能大規模發展且具備商業化特質的能源。風能的最典型開發應用是海上風力發電，其具有資源豐富、風速穩定、開發利益牽扯面狹窄、使用空間和海域面積很小不影響其他項目的發展、可以大規模開發等優勢，是世界上公認的將可再生能源商業化應用的綠色技術，是最具大規模推廣可再生能源應用發展的重點。

具備自航能力的自升式海上風電安裝船兼具自升式平臺和浮式自航船舶的優點，具有將風機和基礎一起運送至風電場的能力，并配備適合各種場景下安裝的起重設備和定位設備，有效克服了風機安裝的大型化和離岸化的限制，是當前發展海上風電場的首選裝備。

2 簡介

“SEA CHALLENGER”是為丹麥船東建造的新一代海上風電安裝船，其船長133.25 m、寬39 m、型深9 m、設計吃水5.8 m，作業水深達45 m，裝備有4條圓形樁腿結構液壓提升裝置系統和環繞樁腿的900 t旋轉海洋起重機，如圖1所示。艏部配備兩個側推和一個可伸縮式全回轉推進器，艉部配備3個電力推進的VOITH櫓槳，在淺水海域機動性能出眾，并配有先進的DP2動態定位系統。具有3 000 m2以上的甲板重載貨區域，甲板重載貨區載荷達到15 t/m2，局部線性載荷達40 t/m，提升甲板載荷達到5 000 t。其每次可裝載10套風車構件進行海上安裝作業。設計符合DNV CLEAN綠色環保要求，并滿足DNV船級社對自升式海洋工程裝備和遠洋自航貨輪的雙重規范要求，同時還符合丹麥的海事標準。

這種典型的具備自航能力的自升式海上風電安裝船，能夠為下一代海上風電場在最大水深45 m的海域提供基本的安裝和維護功能。本文主要闡述了這類具備自航能力的自升式海上風電安裝船在船型設計階段的模型試驗和計算分析。

圖1 側視總圖

3 模型試驗

3.1 試驗水池主參數

試驗水池主參數為：長180 m，寬10 m，深5 m，最大試驗速度7.5 m/s。

3.2 模型與實船的參數比較

木制模型按照與實船1∶18的比例根據線型圖制作，船體線型如圖2所示，木制模型實體如圖3所示。木制模型裝備了一個推進馬達和功率計，艉部裝配3個由Voith Schneider Propulsor(VSP)推進單元組成的推進布置，以模擬實船運動和測試收集試驗數據。具體模型參數如表1所示。

圖2 船體線型

圖3 木制模型實體

實船參數模型參數型長Lpp121.68m6.67m型寬B39m2.17m中部吃水TM5.30m0.29m艏部吃水TF5.30m0.29m艉部吃水TA5.30m0.29m浸水面長度LOS133.25m7.40m排水量體積V22284m33.82m3排水量D22863t3.82t浸水面積S5982m218.46m2方形系數CBPP0.8984方形系數CBOS0.8091

3.3 試驗數據和計算

模型試驗在靜水池中進行，本文主要對常用工作狀態5.3 m吃水狀態的試驗進行探討研究。具體數據見表2、表3。

表2 模擬實船5.3 m吃水、無縱橫傾，航速分別為9、10、11、12、13 kn狀態下的阻力試驗

表3 模擬實船5.3 m吃水、無縱橫傾，航速分別為9、10、11、12、13 kn狀態下的推進試驗

如圖4分析計算的圖表所示，在實船5.3 m吃水狀態下11 400 kW有效軸功率時，預測實船航速可達12.3 kn。

圖4 試驗計算

4 試驗分析研究

4.1 試驗中的推進器

試驗過程中，在做阻力和推進試驗時，模型的艏部側推進器處的管隧封閉，這是一種依據試驗水池通常經驗，采用經驗的修正系數對實船進行推算的方法。模型中顯示的推進器管隧表面僅為示意表達，尺寸并不嚴格按實際設計，如圖5所示。

圖5 船模球鼻艏

圖6 船模艉部推進器

實船的管隧邊緣要比模型中示意的更為平滑。根據長久的試驗經驗，模型中這些示意造型的不精確性在整體的流型和阻力分析研究方面的影響很微弱，可以被接受。

在推進試驗中，艉部推進器VSP安裝在模型中，如圖6所示。VSP是由Voith提供的直徑200 mm的槳葉旋轉軌道模型推進器。所有的VSP被一個單獨的馬達驅動，確保所有VSP具有同樣的轉速。每個VSP被單獨地測量軸的扭矩。但與裝備標準推進器的模型試驗不同的是VSP提供的推力無法測量。在阻力試驗中，艉部的VSP推進器被拆除，模型船體上的開孔被塞子封住。

4.2 試驗中的流型

試驗觀察研究了分別在9 kn和12 kn航速狀態下5.3 m吃水推進試驗時的流型。在球鼻艏上部連接艏部的過渡區域附近興起較為明顯的湍流，湍流向船艏部過渡傳遞，湍流波浪穿過船前部舷側兩肩位置，逐漸延續至艉部的波浪相對平緩；伴隨著航行速度的增大，湍流和前部兩舷側的波浪呈現逐漸增大的趨勢。球鼻艏上方的水面，水流形態較為平靜。

由試驗觀察可見當拖曳速度變大時，沿球鼻艏處的水流增加。水流的傳遞在球鼻艏至聯接的艏部區域由以水平為主的水流衍變成包含更大更多垂直成分的水流。在艏部區域，可以觀察到相對緩和的由球鼻艏推動的水流向上而行至艏部區域傾斜面的頂部和邊側，水流從球鼻艏處分離，加速流向船艏區域的傾斜面。當水流沖擊和碰撞艏部時，產生高壓力水域，一部分的水流向船體前部的兩舷側做更進一步地流動；一部分在船體的下面分流，另一部分沿著艏部向后朝向球鼻艏和艏部船體連接處分流，如圖7所示。

圖7 艏部流型

在前部雙肩兩側，波浪穿過明顯，波浪由于前部肩側相對較小的曲率半徑產生。

總的來看試驗時的流型，靠近艏部產生湍流，波浪穿過船舷前部雙肩兩側，艉部有相對較小波浪。

4.3 阻力試驗分析

試驗計算分析應用了以下的假設：

(1) 形狀系數(1+k)等于1.00。

這是一個保守的假設，實際上，阻力的更大一部分取決于雷諾系數而并非單一的摩擦阻力。例如，假設形狀系數取1.15，實船阻力因此受到的影響變化將小于3%。然而，為了要從模型試驗中確定這個形狀系數，將需要做很多低拖曳速度的試驗來進行分析，且得到的數值也很可能不夠精確。

(2) 附加阻力系數Ca等于0.00011。

這是一個依據實船經驗的關聯系數。這個系數定義了大約為實船阻力2%的附加阻力。考慮到這種船型的創新性和獨特性，船體底部樁靴端部突出部位的特殊細節在實船上和試驗模型中有差異，如圖8、圖9所示。由于這些差異對于阻力的影響不確定。因此，增加的阻力因素未知。

圖8 船模底部樁靴端部

圖9 船體底部樁靴端部三維設計視圖

4.4 推進試驗

4.4.1 方法

在模型和實尺之間，計算使用了比例系數修正雷諾效應。采用這種方法的基礎是設想VSP推進器在試驗模型和實船上工作時具有同樣的進程比。在開闊水面有效的VSP功效為了雷諾效應的結果被修正，實際上實船的推進器效率更高。

實船推進器的效率和增長速率的計算需要考慮到風阻力的影響。風阻力的增加使得推進器的負載增大和有效速率增長的降低，導致同樣在開放水域中實船的推進效率低于沒有風阻的模型試驗。

4.4.2 計算中的假設

使用試驗中的測量和得出的計算去推斷相對實船的狀況，一些假設如下：

(1) 實船的推減因子t和伴流系數w假定與模型測量值一致。實際上實船較小邊界層的結果可以預測到較低的伴流系數，這將使實船的船體效率低于模型測量值，并可能因此對需求功率產生負面影響。

(2) 計算中采用的受風面積為2 928 m2(采用系數Cs=1.0)，相對于整個載貨甲板滿載風機部件的狀態。假設附加蒲福風力兩級逆風2.45 m/s。沒有更進一步的余量或修正應用到速度預測的計算中。

5 試驗結論分析

在球鼻艏上部連接艏部的過渡區域附近興起較為明顯的湍流，湍流向船艏部過渡傳遞，湍流波浪穿過船前部舷側兩肩位置，逐漸延續至艉部的波浪相對平緩。模型試驗中的阻力測量和使用CFD方法預測的阻力一致。由于船型的創新性和特有的船底樁靴端部凸出的細節對于附加阻力的影響不確定，因此實船的阻力預測未知。此外，基于試驗方法和計算應用中的假設，在11 400 kW的有效軸功率和5.3 m吃水狀態下，預測實船可達到12.3 kn的航速。由于推進試驗是在試驗水池的開放平靜水域中進行，與實船相比還存在試驗模型比例推進器的機械效率方面的差異，模型的推進器功率和負載相對穩定，因此基于試驗的計算和分析對實船的狀態評估和速度預測方面，還是存在不確定性。

6 結束語

本文中的海上風電安裝船的船型試驗開創了國內同類海工產品從船型設計到建造的先河，為今后研究和設計建造同類型和相似類型的海工產品積累了寶貴的經驗，對我國船舶與海洋工程產品設計制造能力的進一步自主創新提供了有益的參考。

Analysis and Research of Hull Model Test for Offshore Jack-up Wind Turbine Installation Vessel

LIU Jian-feng

(COSCO Nantong Shipyard, Nantong Jiangsu 226005, China)

This article mainly expounds the models test and relevant calculation & analysis of the wind turbine installation vessel with self-propelled & jack-up ability at the hull design stage, and provides reference experience and assistance for the design & research of similar vessels & marine engineering equipments.

Wind turbine installation vessel Model test Velocity Resistance Propulsion Flow pattern

劉建峰(1978-)，男，工程師。

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