半潛漂浮式風(fēng)機(jī)穩(wěn)性數(shù)值分析

(明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東 中山 528400)

半潛式浮式風(fēng)機(jī)因其穩(wěn)定性較好、適用水深范圍廣、安裝運(yùn)輸方便而備受關(guān)注。良好的基礎(chǔ)穩(wěn)定性是初期設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考慮因素之一。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于半潛漂浮式風(fēng)機(jī)穩(wěn)性的分析研究還有一系列問題有待解決，主要如下[1]。

1)葉片風(fēng)傾力矩的計(jì)算主要采用等效圓盤估算的方法，無法準(zhǔn)確描述葉片產(chǎn)生的巨大氣動(dòng)力載荷。

2)穩(wěn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)規(guī)范主要參考傳統(tǒng)海工平臺(tái)，但浮式風(fēng)機(jī)屬于無人作業(yè)，其設(shè)計(jì)安全等級(jí)較低些，且對(duì)完整工況下的靜傾角限值有要求。

3)關(guān)于穩(wěn)性計(jì)算工況，DNVGL規(guī)范中提到了運(yùn)行工況，但未詳細(xì)規(guī)定運(yùn)行工況的內(nèi)容(啟動(dòng)、發(fā)電、剎車、停機(jī)等)，且未與風(fēng)機(jī)控制策略(變槳、偏航)、風(fēng)速風(fēng)向相結(jié)合，因此須對(duì)漂浮式風(fēng)機(jī)全生命周期的典型運(yùn)行工況開展穩(wěn)性分析。

為探討半潛漂浮式風(fēng)機(jī)穩(wěn)性分析部分問題及完善穩(wěn)性分析思路，以某典型半潛浮式風(fēng)機(jī)為例，開展穩(wěn)性數(shù)值計(jì)算分析。選用Bladed軟件精確計(jì)算葉片氣動(dòng)力載荷，通過受力分析轉(zhuǎn)化為風(fēng)傾力矩；根據(jù)半潛浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全與功能要求，提出其穩(wěn)性適用性衡準(zhǔn)；對(duì)各典型運(yùn)行工況下的風(fēng)機(jī)載荷展開對(duì)比分析，選擇極限風(fēng)機(jī)載荷工況進(jìn)行穩(wěn)性分析。

1 半潛浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括：發(fā)電機(jī)組、輪轂、葉片、塔筒及浮式支撐基礎(chǔ)。發(fā)電機(jī)組通過輪轂與葉片連接在一起，下部與塔筒相連，塔筒底部通過法蘭與浮式基礎(chǔ)相連[2]。半潛式平臺(tái)因柱體之間距離較遠(yuǎn)而獲得較大的水線面慣性矩，具有較好的穩(wěn)性。算例采用3浮筒半潛式平臺(tái)作為風(fēng)機(jī)支撐基礎(chǔ)，幾何模型見圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)整體幾何模型

在立柱底部設(shè)置大尺度圓形浮筒，以增大基礎(chǔ)的附加質(zhì)量和阻尼，抑制基礎(chǔ)的垂蕩運(yùn)動(dòng)；為調(diào)節(jié)基礎(chǔ)浮態(tài)及提高基礎(chǔ)穩(wěn)性，在浮筒與立柱內(nèi)設(shè)置壓載艙；立柱最上層設(shè)置為空艙，以合理布置電氣、系泊纜等設(shè)備。主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1[3]。

表1 風(fēng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

基礎(chǔ)主尺度信息見圖2。

圖2 基礎(chǔ)主尺度

1.2 典型計(jì)算工況

1)拖航工況。需要核算完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性，風(fēng)速為70 kn。

2)作業(yè)工況。浮式風(fēng)機(jī)大部分生命周期內(nèi)都處于作業(yè)工況，包括啟動(dòng)、發(fā)電、剎車等，與具體的控制策略及風(fēng)速風(fēng)向相關(guān)，須對(duì)各具體工況下的風(fēng)機(jī)外界載荷進(jìn)行對(duì)比分析，選擇極限載荷工況進(jìn)行穩(wěn)性分析。需要核算完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性，風(fēng)速為70 kn。

3)自存工況。又稱風(fēng)暴工況，浮式風(fēng)機(jī)處于最惡劣的設(shè)計(jì)環(huán)境載荷工況，此時(shí)風(fēng)輪處于順槳停機(jī)或空轉(zhuǎn)狀態(tài)。此工況只需要核算完整穩(wěn)性，風(fēng)速為100 kn。

算例穩(wěn)性計(jì)算工況匯總見表2。

針對(duì)破損穩(wěn)性，借鑒海工平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)浮式風(fēng)機(jī)破損的成本效益分析，小于10 MW的浮式風(fēng)機(jī)只計(jì)算單艙破損，風(fēng)速取50 kn。

表2 穩(wěn)性計(jì)算工況匯總

1.3 開口布置

基礎(chǔ)的外部開口對(duì)穩(wěn)性分析計(jì)算極為重要，在穩(wěn)性計(jì)算校核時(shí)，需要滿足規(guī)范要求[4]。

算例中的立柱和浮筒設(shè)置壓載艙，立柱最上層為設(shè)備艙，故立柱頂部應(yīng)布置艙口蓋、透氣孔和通風(fēng)筒；基礎(chǔ)與塔筒為法蘭連接，在連接處設(shè)置非保護(hù)性開口。穩(wěn)性計(jì)算所用開口布置見圖3。

圖3 基礎(chǔ)開口布置

2 穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求

漂浮式風(fēng)機(jī)發(fā)展相比于傳統(tǒng)海洋工程平臺(tái)起步較晚，目前相應(yīng)規(guī)范體系與安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，DNVGL關(guān)于海上風(fēng)機(jī)的規(guī)范DNVGL-ST—0119提到了浮式風(fēng)機(jī)穩(wěn)性設(shè)計(jì)的相關(guān)衡準(zhǔn)，內(nèi)容主要借鑒傳統(tǒng)海工平臺(tái)[5]。

相比于傳統(tǒng)海工平臺(tái)，浮式風(fēng)機(jī)穩(wěn)性設(shè)計(jì)有其身的特點(diǎn)：①針對(duì)完整穩(wěn)性，一般規(guī)范并無對(duì)靜傾角限值的規(guī)定，但為了保證風(fēng)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備正常運(yùn)行及捕捉更多風(fēng)能，浮式風(fēng)機(jī)需保持一定的靜傾角，有必要設(shè)置靜傾角最大限值；②針對(duì)破損穩(wěn)性，為保證發(fā)生破損后，風(fēng)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備不發(fā)生損壞，有必要對(duì)破損后靜傾角進(jìn)行限值。

借鑒傳統(tǒng)海工平臺(tái)規(guī)范[6]，參考DNVGL浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用的穩(wěn)性校核衡準(zhǔn)見表3、4。

完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)2及破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)1中：靜傾角15°與破損平衡角17°的限值只作參考，具體限值須根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行要求及風(fēng)輪與風(fēng)向夾角綜合考慮，最終由風(fēng)機(jī)廠家與設(shè)備廠商共同協(xié)定。

表3 完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)

表4 破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)

3 風(fēng)傾力矩計(jì)算

3.1 葉片載荷

采用葉素-動(dòng)量理論求解葉片氣動(dòng)力載荷[7]。作用在葉素上的推力和彎矩為

(1)

(2)

式中：ρ為空氣密度；W為合成風(fēng)速;B為葉片數(shù)量;C為葉素剖面弦長(zhǎng);Ct、Cd分別為葉素的升力系數(shù)和阻力系數(shù)；φ為入流角；r為葉素到輪轂中心的距離；δr為每個(gè)葉素的展向長(zhǎng)度。

采用Bladed軟件計(jì)算作用在塔筒頂部的載荷，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為作用在基礎(chǔ)上的風(fēng)傾力矩。

3.2 機(jī)艙、塔筒和基礎(chǔ)載荷

與葉片載荷相比，機(jī)艙、塔筒和基礎(chǔ)不需要考慮氣動(dòng)力效應(yīng)，風(fēng)載荷計(jì)算參考DNV規(guī)范。

F=0.5CSCHρV2A

(3)

式中：CS為受風(fēng)構(gòu)件的形狀系數(shù)；CH為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)；ρ為空氣密度；V為風(fēng)速；A為所有暴露面的投影面積。

采用NAPA軟件建立機(jī)艙、塔筒和基礎(chǔ)的受風(fēng)模型(見圖4)，計(jì)算作用在基礎(chǔ)上的風(fēng)傾力矩。

圖4 機(jī)艙、塔筒和基礎(chǔ)受風(fēng)模型

4 穩(wěn)性計(jì)算

算例采用專業(yè)軟件進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，包括靜水力模型建立、艙室劃分、典型裝載工況、完整穩(wěn)性計(jì)算、破損穩(wěn)性計(jì)算，最終得到各典型工況下的許用重心高度[8]。

4.1 完整穩(wěn)性計(jì)算

完整穩(wěn)性主要研究風(fēng)機(jī)在外力作用下是否具備抗傾覆能力。自存工況下完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見圖5，其中靜平衡角為13.3°，滿足15°限值的要求；從正浮到進(jìn)水角范圍內(nèi)的面積比為1.33，滿足1.3限值的要求；復(fù)原力臂從0至進(jìn)水角范圍內(nèi)均為正值，滿足規(guī)范要求。對(duì)于拖航與作業(yè)工況，完整穩(wěn)性同樣滿足規(guī)范與風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行要求。

圖5 自存工況完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

4.2 破損穩(wěn)性計(jì)算

破損穩(wěn)性主要研究風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)某一艙室發(fā)生破損進(jìn)水后，在50 kn風(fēng)速作用下，風(fēng)機(jī)不會(huì)傾覆或沉沒，仍具備一定浮性和穩(wěn)性的能力。對(duì)于算例，只計(jì)算單艙破損穩(wěn)性。

浮體破損穩(wěn)性與艙室劃分密不可分，艙室劃分過少，艙室破損進(jìn)水將導(dǎo)致平臺(tái)失穩(wěn)傾覆；艙室劃分過多，會(huì)引起額外的質(zhì)量增加，經(jīng)濟(jì)性降低[9]。綜合考慮破損穩(wěn)性要求、艙室布置優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)性，浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要艙室劃分見圖6。

圖6 艙室劃分

作業(yè)工況下艙室發(fā)生破損后的浮態(tài)及穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果分別見圖7、8。

圖7 立柱艙室破損后浮態(tài)

圖8 作業(yè)工況破損穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

結(jié)果表明，立柱第三層壓載艙(水面處)發(fā)生破損時(shí)為最臨界情況，穩(wěn)性儲(chǔ)備最差。此時(shí)基礎(chǔ)靜傾角為15.2°，滿足17°限值要求；所有風(fēng)雨密開口、非保護(hù)性開口都在破損靜水面之上，滿足規(guī)范開口布置要求；從第一交點(diǎn)至非保護(hù)性開口位置(風(fēng)雨密角度范圍)為24.6°，滿足7°限值的要求。拖航工況下，破損穩(wěn)性同樣滿足規(guī)范要求。

4.3 許用重心高度(AVCG)

許用重心高度是指平臺(tái)恰能滿足穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求時(shí)的重心高度。平臺(tái)實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中的重心高度不得超過此極限值，否則便會(huì)造成穩(wěn)性不足，因此許用重心高度為實(shí)際操作運(yùn)營(yíng)時(shí)的最大重心高度[10]。經(jīng)穩(wěn)性計(jì)算獲得各工況吃水下的許用重心高度后，后續(xù)只需進(jìn)行各工況吃水下的裝載計(jì)算，校核此裝載下的重心高度是否滿足許用值，而不必對(duì)具體裝載工況再進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，提高穩(wěn)性核算效率[11]。

根據(jù)完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性計(jì)算，分別獲得風(fēng)機(jī)在完整和破損狀態(tài)下的許用重心高度值，進(jìn)一步求解綜合許用重心高度，用于實(shí)際裝載指導(dǎo)與穩(wěn)性校核。風(fēng)暴工況下各可能性吃水下的許用重心高度(AVCG)變化見圖9。

圖9 許用重心高度(AVCG)

經(jīng)裝載計(jì)算，風(fēng)暴工況下吃水20 m時(shí)重心高度為10.2 m，艙室自由液面對(duì)重心高度的修正值為0.2 m，最終風(fēng)機(jī)整體重心高度為10.4 m，滿足許用重心高度11.5 m的限值要求，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具備充足穩(wěn)性，不會(huì)出現(xiàn)傾覆或沉沒。

5 結(jié)論

1)浮式風(fēng)機(jī)風(fēng)傾力矩的準(zhǔn)確計(jì)算是穩(wěn)性分析的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)初期葉片的氣動(dòng)力載荷計(jì)算可借助專業(yè)仿真軟件，后續(xù)應(yīng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以確保風(fēng)傾力矩計(jì)算精度。

2)為保證浮式風(fēng)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備正常運(yùn)行及發(fā)電效率，風(fēng)機(jī)的靜傾角不宜過大，對(duì)于算例完整穩(wěn)性靜傾角限值15°，破損穩(wěn)性限值17°，具體靜傾角限值應(yīng)綜合考慮風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行傾角要求及風(fēng)輪與風(fēng)向的夾角要求進(jìn)行合理設(shè)定。

3)浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況多而復(fù)雜，由風(fēng)速風(fēng)向及控制策略決定，應(yīng)對(duì)具體運(yùn)行工況中的極限載荷工況進(jìn)行穩(wěn)性分析。

4)當(dāng)立柱第三層壓載艙發(fā)生破損時(shí)，浮式風(fēng)機(jī)傾斜角度最大，破損穩(wěn)性結(jié)果最差，此時(shí)艙室處于水面位置，發(fā)生碰撞的幾率較大，有必要采取適當(dāng)防護(hù)措施。