新型半潛式浮式風機動力特性試驗研究

趙戰華， 范亞麗， 匡曉峰， 周舒旎， 張 凱

(1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082； 2. 中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司，重慶 401122)

全世界風能資源有60%以上分布在水深50 m以上的深海海域。隨著陸地風能資源利用的日益飽和，風電產業從陸地走向深海、由固定式走向浮式是必然趨勢，這也是我國近幾年大力投入和發展的方向[1-3]。在海南海域和臺灣海峽已有相關示范性項目立項實施。浮式風機與固定式風機最大不同在于浮式基礎和定位方式，關系到整個系統的投資成本和風險控制。經過二十多年的發展，浮式風機基礎平臺結構形式總體上借鑒了相對成熟的海上油氣平臺。在結構尺度和布局上進行了部分改進。目前主要有半潛式、單柱式和TLP式三種(如圖1所示)，其中半潛式依靠其適應水深廣泛、錨泊成本低等優點得到了廣泛應用[4-6]。半潛式結構也更適合于我國近海過渡水深的特征。我國當前工程示范項目均采用了半潛式浮式基礎的形式。

針對半潛式浮式風機國內外科研工作者開展了廣泛創新和研究。2009年，Aubaulta等[7]提出了WindFloat半潛式概念風機，通過數值分析和模型試驗的方法對系統水動力性能、結構強度和疲勞壽命等方面進行了詳細分析，而且從經濟和技術等方面進行了可行性論證。Kvittem等[8]利用非線性氣動-水動耦合程序Simo-Riflex-AeroDyn對半潛式浮式風機WindFloat動力響應特性進行了數值分析。Andrew等[9-11]針對3種浮式平臺(半潛式，張力腿，SPAR)在MARIN水池進行了全面的試驗研究(NREL 5 MW風機)。試驗中建立了基于Froude相似和功能相似的水池試驗模型相似準則，通過翼型重構對葉片進行了物理模擬，模型風機與原型風機推力系數誤差和功率系數誤差均有效減小，取得了較為理想的試驗結果。趙志新等[12]選擇5 MW和10 MW兩型不同尺度半潛式浮式風機，采用氣動-水動-伺服-彈性全耦合計算模型進行時域耦合分析，研究表明大型化浮式風機受到氣動載荷效應更加突出，低頻共振反應比例增加，導致錨泊張力更大。李修赫等[13]對風浪不同線作用下半潛式浮式風機系統響應特征進行研究，系統分析了不同線環境條件下運動耦合響應、系泊纜張力變化以及系泊纜布置方式之間的影響關系。

體型大、穩定性低是半潛式浮式風機平臺的明顯不足，提高浮式風機的風浪環境下運動穩性一致是工程設計者的努力方向。本文以一自主開發新型6.2 MW半潛式浮式風電裝備為研究對象開展水池模型試驗，對系統運動和載荷進行測試研究。該平臺在借鑒當前三柱式半潛平臺總體布局的基礎上，通過改進底部浮體結構，建立垂蕩阻尼板的方式改進結構穩性，通過模型試驗對系統總體動力響應特征進行評估，為工程應用提供支撐。

1 試驗模擬及工況設計

1.1 浮式風電裝備系統

本項目自主開發新型6.2 MW浮式風電裝備如圖2～圖4所示，整個裝備包括：風機(葉片/輪轂/機艙)、塔筒、基礎平臺和系泊系統四個部分。基礎平臺為三立柱半潛式平臺，呈等邊三角形布局，由立柱、下浮體和方形橫撐構成。底部下浮體兼具垂蕩板和壓載水艙的功能。該構型具有以下優點：①較大的下浮體能夠有效增大附連水質量和阻尼，降低系統垂蕩和搖擺運動；②下浮體通過注入壓載水，可以降低系統重心高度，提升系統穩性；③通過調節壓載水量改變吃水，可以為平臺抵抗極端環境提供支持。

系泊系統為懸鏈線式系泊，采用3×3對稱式分布，作業水深65 m，模型試驗中主要參數見表1，試驗縮比1∶65。浮式風電水池主要涉及到葉片的氣動載荷和基礎平臺的水動力載荷。水池中氣動載荷采用推力相似進行模擬，水動力載荷滿足Fr相似和St相似。

表1 研究對象主要特征參數Tab.1 The main characteristic parameters of the research object

1.2 氣動載荷模擬

由于存在尺度效應，幾何相似下的風機葉片在模型試驗中難以達到目標推力，采用“翼型重構”法重新構建試驗葉片模型進行尺度效應的修正，以達到目標推力。在滿足幾何相似和推力相似的同時，葉片還滿足葉尖速比相似[14]。

(1)

(2)

式中：λ為縮比;Us為實際額定風速;Um為試驗額定風速;TSR葉尖速比;Ωs為實際風機轉速;Ωm為模型風機轉速；R為風輪半徑。

葉片設計中針對推力曲線中最大推力進行模型葉片重構設計。首先，選擇適宜的翼型，本文選擇低風速翼型NACA4412作為重構葉片翼型。其次，在保證葉片長度幾何相似的同時 通過調整弦長分布和安裝角建立新型葉片。再通過反復迭代分析，確定最佳翼型方案[15-18]。本文重構葉片模型如圖5所示。

1.3 塔筒模擬

塔筒模型與實際結構滿足質量相似、重心位置相似和一階振動模態相似，在主尺度上塔筒高度與實際結構滿足幾何相似。通過三維建模進行模型加工方案設計，塔筒采用不銹鋼進行加工，模型塔筒一階振動頻率為3.89 Hz。

1.4 風場模擬

試驗在中國船舶科學研究中心風浪水池中進行，風場采用定常風模擬，風場模擬裝置如圖6所示，風場有效模擬區域長4.08 m×寬2.59 m，模擬風機最大半徑1.27 m。整個裝置由5層8列陣列軸流式風機組成，為了提升風場在風機前側設置整流腔和整流網，最大出口風速達到9 m/s。通過旋轉大橋可以實現0°～45°風向改變。

1.5 試驗工況設計

水池試驗分為靜水衰減試驗、白噪聲試驗和風浪聯合作用試驗三個部分，分別對系統固有周期、頻域運動和時域全耦合響應進行研究。

(1)靜水衰減試驗: 系泊條件下進行有風和無風兩種條件下的六自由度靜水衰減，記錄衰減運動時歷；

(2)白噪聲試驗: 系泊條件下開展0°，30°，45°，60°，90°不同浪向白噪聲不規則波水池試驗，白噪聲試驗有義波高50 mm，周期1～4 s；

(3)時域全耦合響應試驗:系泊狀態風浪聯合作用下0°～270°不同浪向試驗，環境條件包括作業海況和極端海況兩種，作業海況葉片采用額定轉速，極端海況處于安全考慮葉片通常停機，試驗中葉片無旋轉，具體工況見表2。

表2 時域全耦合響應試驗工況組合Tab.2 The condition combination for time domain full coupling response test

2 試驗結果及分析

2.1 浮式平臺固有周期特性

靜水衰減試驗結果如表3所示，可以看出，浮式風機系統縱搖、橫搖和垂蕩運動固有周期均在23 s左右，縱蕩、橫蕩和艏搖運動均在56 s左右。系統六自由度固有周期均遠離實際海上波浪頻率范圍,與一階波浪載荷諧振可能性較低，有利于波浪中運動穩性。而平臺六自由度運動模態之間的耦合以及平臺六自由度與葉片、塔筒的耦合應當進一步關注。同時還可以發現，有風作用下受葉片氣動耦合作用影響，平臺六自由度模態固有周期普遍略有增加，這也是浮式風機普遍存在現象。

表3 靜水衰減試驗系統運動固有周期統計Tab.3 Natural period statistics of hydrostatic attenuation test system s

2.2 浮式平臺頻域運動特性

白噪聲試驗得到浮式風電平臺不同浪向縱搖、縱蕩和垂蕩的運動響應RAO如圖7所示。圖7中橫坐標為波浪周期，縱坐標為單位波高下的響應幅值。由縱搖運動響應RAO曲線可以發現，縱搖運動分別在9 s和24 s附近出現響應峰值，單位波高縱搖響應幅值分別不超過0.5°和3.5°，說明在小于17 s的實際波浪頻率范圍內平臺具有優良的縱搖運動穩性。縱蕩運動在波頻范圍內隨著波浪周期呈線性穩定增大。在在30°和60°斜浪中，21 s波浪周期附近受到垂蕩和縱搖耦合響應，縱蕩有運動有峰值出現。垂蕩運動分別在15 s和24 s附近出現響應峰值，單位波高縱搖響應幅值分別不超過0.7 m和1.35 m，0°浪向垂蕩運動最小，30°浪向最大。

2.3 風浪環境時域全耦合響應

2.3.1 時域統計特征分析

浮式平臺縱搖運動和塔筒頂端載荷統計結果如表4所示。從表4中可以看出，作業環境和極端環境不同浪向下縱/橫搖運動最大分別發生在180°浪向和0°浪向，最大值分別為4.11°和9.01°。當前浮式風機總體設計中，通常選擇8°和10°作為作業工況和極端工況的設計標準。縱搖運動顯著小于設計要求最大值接近50%。作業過程中搖擺運動有義值均不超過1.0°，表明本文新型浮式平臺在降低作業過程中系統搖擺運動方面具有優良的運動穩性。垂蕩運動不同浪向下差別不大，作業海況和極端海況中垂蕩最大值分別為1.48 m和5.31 m。作業海況和極端海況塔筒頂端水平載荷最大平均值分別出現在180°浪向和0°浪向，最大平均值分別為1 022.9 kN和315.3 kN。與縱搖運動情況相似，表明波頻縱搖運動是引起水平載荷的主要因素。由于極端海況風機停止旋轉，極端海況塔筒頂端載荷大幅小于作業海況。作業海況和極端海況塔筒頂端水平載荷最大值分別為4 155.1 kN和1 878.9 kN。需要指出的是本文在氣動載荷模擬中只進行水平推力的相似性模擬，葉片重構中忽略軸向旋轉力矩相似，這就導致由葉片旋轉誘導的高頻載荷極值存在失真，這也是目前浮式風電水池模型試驗中存在的技術困難。但是極值試驗結果仍然可以為系統多模態耦合特征和相關規律特征性分析提供參考依據。

表4 風浪環境時域全耦合響應試驗結果統計Tab.4 Statistics of time-domain fully coupled response model test results in wind and wave environment

2.3.2 多模態干擾特征分析

對0°浪向縱搖運動和塔筒頂部載荷時歷進行頻域分析，如圖8～圖11所示，圖中結果均為模型值。

由圖8可以看到，浮式風機縱搖運動中存在復雜的多模態耦合干擾，除了受到波浪激勵響應和縱搖固有周期諧振外，還受到縱蕩低頻耦合諧振和葉片1P旋轉諧振。其中縱蕩低頻耦合作用特征明顯。圖9對縱搖時歷信號進行0.2 Hz低頻分離可以更加清晰看到低頻運動與波浪載荷響應相當。這一特征也是浮式風機不同于一般油氣平臺之處，這主要是由于浮式風機頂部水平氣動載荷與水面水平波浪載荷形成縱傾力矩，低頻縱蕩運動極易引起系統的大幅縱搖。同時還能看到風機旋轉對縱搖運動具有一定影響，但是影響程度有限，并且主要由1P旋轉引起，2P和3P旋轉影響則沒有明顯看到。

由圖10和圖11可以看到，作業條件下塔筒頂端水平載荷主要包括波浪激勵響應、塔筒一階諧振響應和葉片高頻旋轉諧振響應。圖中可以明顯看到葉片旋轉引起的1P，2P和3P諧振。其中1P和3P分別接近波浪環境頻率和塔筒一階固有頻率容易引起疊加諧振效應，從而導致頂部大幅高頻振動載荷。這也是塔筒結構設計和風機設計中需要避免或者盡力降低的。通過優化設計，改變結構固有頻率，避免振動模態疊加。總體來看2P旋轉振動恰好處在環境載荷頻率和塔筒固有頻率之間，對載荷影響則明顯減小，可不予重點關注。對比橫向載荷FY和縱向載荷FX可以看到，1P諧振對前者影響更加明顯。除了以上提到諧振響應外，同時也能看到還有其他小幅諧振影響存在，這主要是由于頂部模型結構件和連接剛度等引起不確定性干擾。這也從另一面說明浮式風機水池試驗的復雜性。對比之下，極端環境條件下由于沒有了葉片旋轉，塔筒頂端載荷則主要為波浪激勵響應和小幅的塔筒諧振響應，明顯小于作業海況。

3 結 論

本文以自主開發新型半潛式浮式風機為對象，采用水池模型試驗的方法，對系統的固有特征和風浪環境下總體響應特性進行分析，得到以下結論:

(1)靜水衰減試驗表明，系統六自由度固有周期均遠離實際海上波浪頻率范圍，有利于提高波浪中運動穩性。

(2)白噪聲試驗表明，在小于17 s以下的實際波浪頻率，單位波高縱搖響應幅值不超過0.5°，平臺具有優良的縱搖運動穩性。

(3)作業環境和極端環境下縱/橫搖運動最大值分別為4.11°和9.01°，顯著小于設計要求最大值約50%和10%。作業過程中搖擺運動有義值均不超過1.0°，表明新型浮式平臺具有優良的運動穩性。

(4)多模態干擾特征分析發現浮式風機系統存在顯著的縱蕩-縱搖低頻耦合響應，葉片旋轉產生的1P和3P旋轉振動分別接近波浪環境頻率和塔筒一階固有頻率容易引起疊加諧振效應，從而導致頂部大幅高頻振動載荷，在方案優化設計中應當予以關注。