Spar式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)水動力性能研究

蒙宣伊，陽航

（湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411100）

Spar式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)水動力性能研究

蒙宣伊，陽航

（湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411100）

本文基于三維水動力學(xué)軟件Aqwa進(jìn)行了Spar式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)的水動力性能研究。通過時(shí)域方法，研究系統(tǒng)在額定風(fēng)速工況下的運(yùn)動響應(yīng)。計(jì)算時(shí)考慮風(fēng)浪聯(lián)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(yīng)譜。

Spar式基礎(chǔ)；水動力性能；響應(yīng)譜

海上風(fēng)能被公認(rèn)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(fēng)能的開發(fā)及相關(guān)技術(shù)被認(rèn)為是成熟的，而且建設(shè)相當(dāng)好。其中大部分已建成并運(yùn)行的風(fēng)場主要是以固定式基礎(chǔ)形式，而且水深比較淺。對于每個可能建成的風(fēng)場來說，其取決于波浪和風(fēng)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(chǔ)時(shí)，主要考慮成本相關(guān)的問題。

相比傳統(tǒng)固定式基礎(chǔ)，漂浮式基礎(chǔ)整體系統(tǒng)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(wěn)定性。

（2）對于半潛式和Spar來說，它們的位移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動會與機(jī)艙、葉輪的運(yùn)動相互耦合。

（3）它們錨固在海床上的錨鏈系統(tǒng)必須包含在整體分析中。

Nielsen等對Spar基礎(chǔ)整體動力分析進(jìn)行了研究。他們對Hywind的基礎(chǔ)進(jìn)行仿真，并將結(jié)果與縮比模型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。Matsukuma和Utsunimiya采用多體動力學(xué)理論對一種漂浮式基礎(chǔ)在恒定風(fēng)速下考慮葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動響應(yīng)。Jokman等在OC3項(xiàng)目中對固定式和漂浮式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證。Karmirad和Moan采用混合 aero-hydro-elastic時(shí)域方法進(jìn)行了一種Spar式基礎(chǔ)在極限情況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究。Karmake和Carlos等對采用長期預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了Spar和半潛式基礎(chǔ)的運(yùn)動響應(yīng)對比分析。

本文給出了5MW風(fēng)機(jī)的Spar基礎(chǔ)的參數(shù)和外形，并進(jìn)行了錨泊系統(tǒng)的建模。采用時(shí)域方法，將風(fēng)機(jī)推力假定為一恒定力，計(jì)算系統(tǒng)在額定風(fēng)速情況下的運(yùn)動響應(yīng)情況。通過傅里葉變換，得到各運(yùn)動和錨鏈拉力的響應(yīng)譜。

1 Spar基礎(chǔ)模型和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

Spar式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)包含Spar式基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)艙和葉輪。基礎(chǔ)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(chǔ)平臺的質(zhì)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(fēng)機(jī)模型，總重量為350000kg，重心高度為90m（MSL）。系統(tǒng)重心為相對平均海平面（0,0，-62.82）。基礎(chǔ)和風(fēng)機(jī)模型參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1 Spar基礎(chǔ)及錨泊系統(tǒng)

表1 風(fēng)機(jī)和基礎(chǔ)模型參數(shù)

進(jìn)行時(shí)域計(jì)算時(shí)，通過定義風(fēng)推力系數(shù)，將風(fēng)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(chǔ)和錨泊系統(tǒng)如圖1所示。錨泊系統(tǒng)采用3根錨鏈互相成120度散布方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)纜孔的位置在水下70m，計(jì)算水深為320m。錨鏈直徑為0.09m，錨鏈總長為902.2m。錨泊系統(tǒng)具體見圖1，具體參數(shù)如表2所示。

表2 錨泊系統(tǒng)參數(shù)

2 Spar基礎(chǔ)數(shù)值分析

2.1 工況設(shè)置

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的時(shí)域分析是運(yùn)用Aqwa時(shí)域方法進(jìn)行的，在計(jì)算時(shí)考慮恒定風(fēng)推力對運(yùn)動響應(yīng)的影響。在額定風(fēng)速工況下，風(fēng)速為11.2m/s，有義波高為3m，譜峰周期為10s，風(fēng)推力為720kN。計(jì)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(shù)，若ω≤ωp時(shí)，σ=0.07，若ω＞ωp時(shí)，σ=0.09；

計(jì)算步長設(shè)置為1s，總時(shí)長為3600s。

2.2 額定風(fēng)速工況下運(yùn)動響應(yīng)分析

圖2～4分別為基礎(chǔ)在額定風(fēng)速情況下的升沉、縱搖、垂蕩和各錨鏈截面拉力的時(shí)歷曲線。對圖2～4來說，藍(lán)線表示的是波浪作用下的響應(yīng)，而紅色為實(shí)際響應(yīng)曲線。圖2可以看出，基礎(chǔ)的實(shí)際響應(yīng)在風(fēng)浪聯(lián)合初始作用下產(chǎn)生一個約0.55m向下偏移。從圖3看出，在風(fēng)作用下，基礎(chǔ)實(shí)際有一個2.5度的初始傾角，而且實(shí)際運(yùn)動響應(yīng)幅值是要大于僅考慮波浪作用時(shí)的響應(yīng)。圖4可以看出，基礎(chǔ)在風(fēng)作用下縱向會有8.78m左右的平均偏移。

圖2 額定風(fēng)速工況下升沉?xí)r歷曲線

圖3 額定風(fēng)速工況下縱搖時(shí)歷曲線

圖4 額定風(fēng)速工況下縱蕩時(shí)歷曲線

圖5給出了3個方向的錨鏈截面拉力的時(shí)歷曲線。其中1號錨鏈的方向?yàn)?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(chǔ)系統(tǒng)的對稱性，其所受的拉力時(shí)歷曲線基本重合，因此圖中用同一條曲線來表示。

2.3 響應(yīng)頻譜

圖5 額定風(fēng)速工況下各錨鏈截面拉力時(shí)歷曲線

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

圖6 升沉響應(yīng)頻譜

從圖6可以看出，基礎(chǔ)系統(tǒng)的升沉響應(yīng)頻譜存在兩峰值點(diǎn)，左側(cè)峰值處于系統(tǒng)升沉固有周期附近，右側(cè)峰值對應(yīng)頻率處于譜峰周期所對應(yīng)頻率附近。波浪所誘導(dǎo)的升沉響應(yīng)譜要略大于實(shí)際響應(yīng)頻譜。

圖7 縱搖響應(yīng)頻譜

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

圖8 縱蕩響應(yīng)頻譜

從圖8可以看出，實(shí)際的縱蕩響應(yīng)要略小于僅波浪作用下的情況。

圖9為錨鏈張力響應(yīng)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(tǒng)固有周期附近。

圖9 錨鏈拉力響應(yīng)頻譜

3 結(jié)語

本文基于三維水動力學(xué)軟件對Spar式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)的水動力性能進(jìn)行了研究。從運(yùn)動時(shí)歷來看，在額定風(fēng)速工況下運(yùn)動響應(yīng)比較小，性能比較優(yōu)越。

在風(fēng)、浪聯(lián)合作用情況下，基礎(chǔ)的運(yùn)動響應(yīng)譜存在雙峰值，其中一個位于系統(tǒng)固有頻率附近，另一個位于譜峰周期附近，這與實(shí)際比較吻合。錨鏈1的拉力響應(yīng)大于錨鏈2、3的響應(yīng)。

風(fēng)推力對基礎(chǔ)系統(tǒng)的響應(yīng)頻譜有影響。在風(fēng)推力作用下，升沉和縱蕩的實(shí)際響應(yīng)要略小于僅波浪誘導(dǎo)的響應(yīng)，而實(shí)際縱搖響應(yīng)要大于僅波浪誘導(dǎo)的縱搖響應(yīng)。

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