Spar式風機基礎系統水動力性能研究

蒙宣伊，陽航

（湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411100）

Spar式風機基礎系統水動力性能研究

蒙宣伊，陽航

（湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411100）

本文基于三維水動力學軟件Aqwa進行了Spar式風機基礎系統的水動力性能研究。通過時域方法，研究系統在額定風速工況下的運動響應。計算時考慮風浪聯合作用的影響。最后通過傅里葉變換，得到升沉、縱搖、縱蕩和錨鏈拉力響應譜。

Spar式基礎；水動力性能；響應譜

海上風能被公認為是一種可以用來滿足能量增長需求的可再生能源。相比海洋中其它可再生能源，比如潮汐能和波浪能，風能的開發及相關技術被認為是成熟的，而且建設相當好。其中大部分已建成并運行的風場主要是以固定式基礎形式，而且水深比較淺。對于每個可能建成的風場來說，其取決于波浪和風特征、海床特性以及社會條件。在某一水深，選擇使用何種基礎時，主要考慮成本相關的問題。

相比傳統固定式基礎，漂浮式基礎整體系統的性能研究是十分必要的，主要原因如下。

（1）它們的固有頻率非常低，通常會影響氣動阻尼和穩定性。

（2）對于半潛式和Spar來說，它們的位移和旋轉運動會與機艙、葉輪的運動相互耦合。

（3）它們錨固在海床上的錨鏈系統必須包含在整體分析中。

Nielsen等對Spar基礎整體動力分析進行了研究。他們對Hywind的基礎進行仿真，并將結果與縮比模型的試驗結果進行對比。Matsukuma和Utsunimiya采用多體動力學理論對一種漂浮式基礎在恒定風速下考慮葉輪旋轉時的運動響應。Jokman等在OC3項目中對固定式和漂浮式基礎的結構動態響應進行了驗證。Karmirad和Moan采用混合 aero-hydro-elastic時域方法進行了一種Spar式基礎在極限情況下的結構響應研究。Karmake和Carlos等對采用長期預報方法進行了Spar和半潛式基礎的運動響應對比分析。

本文給出了5MW風機的Spar基礎的參數和外形，并進行了錨泊系統的建模。采用時域方法，將風機推力假定為一恒定力，計算系統在額定風速情況下的運動響應情況。通過傅里葉變換，得到各運動和錨鏈拉力的響應譜。

1 Spar基礎模型和風機系統

Spar式風機系統包含Spar式基礎、塔筒、機艙和葉輪?；A吃水為120m，其中底段浮筒直徑為9.4m，長度為108m，過渡段上部直徑為6.5m，長度為8m。基礎平臺的質量（包含壓載）為7466330kg，重心高度為-45m。塔筒重量為347460kg，重心高度為海平面以上45m。葉輪重量和分布采用NREL5MW風機模型，總重量為350000kg，重心高度為90m（MSL）。系統重心為相對平均海平面（0,0，-62.82）。基礎和風機模型參數如圖1和表1所示。

圖1 Spar基礎及錨泊系統

表1 風機和基礎模型參數

進行時域計算時，通過定義風推力系數，將風載簡化為以某一推力作用在輪轂中心高度，即海平面以上90m。Spar基礎和錨泊系統如圖1所示。錨泊系統采用3根錨鏈互相成120度散布方式進行設計，導纜孔的位置在水下70m，計算水深為320m。錨鏈直徑為0.09m，錨鏈總長為902.2m。錨泊系統具體見圖1，具體參數如表2所示。

表2 錨泊系統參數

2 Spar基礎數值分析

2.1 工況設置

基礎結構的時域分析是運用Aqwa時域方法進行的，在計算時考慮恒定風推力對運動響應的影響。在額定風速工況下，風速為11.2m/s，有義波高為3m，譜峰周期為10s，風推力為720kN。計算所采用的波浪譜為Jonswap譜，其公式如式（1）所示：

式中：γ為升高因子，取值范圍為1～3.3；

σ為峰形參數，若ω≤ωp時，σ=0.07，若ω＞ωp時，σ=0.09；

計算步長設置為1s，總時長為3600s。

2.2 額定風速工況下運動響應分析

圖2～4分別為基礎在額定風速情況下的升沉、縱搖、垂蕩和各錨鏈截面拉力的時歷曲線。對圖2～4來說，藍線表示的是波浪作用下的響應，而紅色為實際響應曲線。圖2可以看出，基礎的實際響應在風浪聯合初始作用下產生一個約0.55m向下偏移。從圖3看出，在風作用下，基礎實際有一個2.5度的初始傾角，而且實際運動響應幅值是要大于僅考慮波浪作用時的響應。圖4可以看出，基礎在風作用下縱向會有8.78m左右的平均偏移。

圖2 額定風速工況下升沉時歷曲線

圖3 額定風速工況下縱搖時歷曲線

圖4 額定風速工況下縱蕩時歷曲線

圖5給出了3個方向的錨鏈截面拉力的時歷曲線。其中1號錨鏈的方向為0度，因此該錨鏈所受的拉力要大于2、3號錨鏈。2、3號錨鏈由于基礎系統的對稱性，其所受的拉力時歷曲線基本重合，因此圖中用同一條曲線來表示。

2.3 響應頻譜

圖5 額定風速工況下各錨鏈截面拉力時歷曲線

對于仿真得到的運動和拉力時歷曲線，通過傅里葉變換，可以得到其響應頻譜。圖6～8分別為升沉、縱搖和縱蕩的運動響應頻譜。

圖6 升沉響應頻譜

從圖6可以看出，基礎系統的升沉響應頻譜存在兩峰值點，左側峰值處于系統升沉固有周期附近，右側峰值對應頻率處于譜峰周期所對應頻率附近。波浪所誘導的升沉響應譜要略大于實際響應頻譜。

圖7 縱搖響應頻譜

從圖7可以看出，無論是否考慮風推力，在譜峰周期附近有一個峰值點。在風推力的作用下，基礎的實際縱搖響應要大于僅僅考慮波浪作用情況下的響應。

圖8 縱蕩響應頻譜

從圖8可以看出，實際的縱蕩響應要略小于僅波浪作用下的情況。

圖9為錨鏈張力響應頻譜。從圖上可以看出錨鏈1的峰值是要大于2、3號錨鏈。對于2、3號錨鏈來說，存在兩個峰值，其中一個處于譜峰周期附近，另一個出于系統固有周期附近。

圖9 錨鏈拉力響應頻譜

3 結語

本文基于三維水動力學軟件對Spar式風機基礎系統的水動力性能進行了研究。從運動時歷來看，在額定風速工況下運動響應比較小，性能比較優越。

在風、浪聯合作用情況下，基礎的運動響應譜存在雙峰值，其中一個位于系統固有頻率附近，另一個位于譜峰周期附近，這與實際比較吻合。錨鏈1的拉力響應大于錨鏈2、3的響應。

風推力對基礎系統的響應頻譜有影響。在風推力作用下，升沉和縱蕩的實際響應要略小于僅波浪誘導的響應，而實際縱搖響應要大于僅波浪誘導的縱搖響應。

[1]Karimirad M., C. Michailides. V-shaped semisubmersible offshore wind turbine: An alternative concept for offshore wind technology[J]. Renewable Energy 85(2015)126-143.

[2]Breton SF, Moe G. Status, plans and technologies for offshore wind turbines in Europe and North America[J]. Renew Energy 2009;34(3):646-54.

[3]Shi W, Park H, Han J, Na S, Kim C. A study on the effect of different modeling parameters on the dynamic response of a jacket-type offshore wind turbine in the Korean Southwest Sea[J].Renew Energy 2013; 58:50-9.

[4]Shi W, Han J, Kim C, Lee D, Shin H, Park H. Feasibility study of offshore wind turbine substructures for southwest offshore wind farm project in Korea[J]. Renew Energy 2015; 74:406-13.

[5]Musial W, Butterfield S, Ram B. Energy from offshore wind[C]. Texas,USA: Offshore Technology Conference Houston; 2006. p. 1888-98.

[6]Myhr A, Bjerkseter C, ?gotnes A, Nygaard TA. Levelised cost of energy for offshore floating wind turbines in a life cycle perspective[J]. Renew Energy 2014; 66:714-28.

[7]Sun X, Huang D, Wu G. The current state of offshore wind energy technology development[J]. Energy 2012; 41:298-312.

[8]Nielsen, F. G., Hanson, T. D., and Skaare, B., 2006, Integrated Dynamic Analysis of Floating Offshore Wind Turbines[C].ASME’ Paper No. OMAE2006-92291.

[9]Matsukuma, H., and Utsunomiya, T., 2008, Motion Analysis of a Floating Offshore Wind Turbine Considering Rotor Rotation[J].IES J., Part A, 1(4), pp.268–279.

[10]Jonkman, J., and Musial, W., 2010, quot;Offshore Code Comparison Collaboration (OC3) for IEA Wind Task 23, Offshore Wind Technology and Deployment, National Renewable Energy Laboratory, Technical Report No. NREL/TP-5000-48191.

[11]Karimirad, M., and Moan, T., 2010, Extreme Structural Dynamic Response of a Spar Type Wind Turbine[C].’ASME’ Paper No.OMAE2010-20044.

[12]K.Bagbanci, D. Karmakar., C. Guedes Soares. Comparison of Spar and Semisubmersible Floater Concepts of Offshore Wind Turbines Using Long Term Analysis[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2015,12, Vol.137.

[13]AQWA User’s Manual 2013. ANSYS.

[14]Design of Offshore Wind Turbine Structures. DNV-OS-J101. DNV.

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