新型半潛式浮式風(fēng)機(jī)動力特性試驗研究

趙戰(zhàn)華， 范亞麗， 匡曉峰， 周舒旎， 張 凱

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

全世界風(fēng)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(fēng)能資源利用的日益飽和，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)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(fā)展的方向[1-3]。在海南海域和臺灣海峽已有相關(guān)示范性項目立項實施。浮式風(fēng)機(jī)與固定式風(fēng)機(jī)最大不同在于浮式基礎(chǔ)和定位方式，關(guān)系到整個系統(tǒng)的投資成本和風(fēng)險控制。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)平臺結(jié)構(gòu)形式總體上借鑒了相對成熟的海上油氣平臺。在結(jié)構(gòu)尺度和布局上進(jìn)行了部分改進(jìn)。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(yīng)水深廣泛、錨泊成本低等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。半潛式結(jié)構(gòu)也更適合于我國近海過渡水深的特征。我國當(dāng)前工程示范項目均采用了半潛式浮式基礎(chǔ)的形式。

針對半潛式浮式風(fēng)機(jī)國內(nèi)外科研工作者開展了廣泛創(chuàng)新和研究。2009年，Aubaulta等[7]提出了WindFloat半潛式概念風(fēng)機(jī)，通過數(shù)值分析和模型試驗的方法對系統(tǒng)水動力性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，而且從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面進(jìn)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(fēng)機(jī)WindFloat動力響應(yīng)特性進(jìn)行了數(shù)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(jìn)行了全面的試驗研究(NREL 5 MW風(fēng)機(jī))。試驗中建立了基于Froude相似和功能相似的水池試驗?zāi)Ｐ拖嗨茰?zhǔn)則，通過翼型重構(gòu)對葉片進(jìn)行了物理模擬，模型風(fēng)機(jī)與原型風(fēng)機(jī)推力系數(shù)誤差和功率系數(shù)誤差均有效減小，取得了較為理想的試驗結(jié)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(fēng)機(jī)，采用氣動-水動-伺服-彈性全耦合計算模型進(jìn)行時域耦合分析，研究表明大型化浮式風(fēng)機(jī)受到氣動載荷效應(yīng)更加突出，低頻共振反應(yīng)比例增加，導(dǎo)致錨泊張力更大。李修赫等[13]對風(fēng)浪不同線作用下半潛式浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)特征進(jìn)行研究，系統(tǒng)分析了不同線環(huán)境條件下運(yùn)動耦合響應(yīng)、系泊纜張力變化以及系泊纜布置方式之間的影響關(guān)系。

體型大、穩(wěn)定性低是半潛式浮式風(fēng)機(jī)平臺的明顯不足，提高浮式風(fēng)機(jī)的風(fēng)浪環(huán)境下運(yùn)動穩(wěn)性一致是工程設(shè)計者的努力方向。本文以一自主開發(fā)新型6.2 MW半潛式浮式風(fēng)電裝備為研究對象開展水池模型試驗，對系統(tǒng)運(yùn)動和載荷進(jìn)行測試研究。該平臺在借鑒當(dāng)前三柱式半潛平臺總體布局的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)底部浮體結(jié)構(gòu)，建立垂蕩阻尼板的方式改進(jìn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)性，通過模型試驗對系統(tǒng)總體動力響應(yīng)特征進(jìn)行評估，為工程應(yīng)用提供支撐。

1 試驗?zāi)M及工況設(shè)計

1.1 浮式風(fēng)電裝備系統(tǒng)

本項目自主開發(fā)新型6.2 MW浮式風(fēng)電裝備如圖2～圖4所示，整個裝備包括：風(fēng)機(jī)(葉片/輪轂/機(jī)艙)、塔筒、基礎(chǔ)平臺和系泊系統(tǒng)四個部分?；A(chǔ)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(gòu)成。底部下浮體兼具垂蕩板和壓載水艙的功能。該構(gòu)型具有以下優(yōu)點：①較大的下浮體能夠有效增大附連水質(zhì)量和阻尼，降低系統(tǒng)垂蕩和搖擺運(yùn)動；②下浮體通過注入壓載水，可以降低系統(tǒng)重心高度，提升系統(tǒng)穩(wěn)性；③通過調(diào)節(jié)壓載水量改變吃水，可以為平臺抵抗極端環(huán)境提供支持。

系泊系統(tǒng)為懸鏈線式系泊，采用3×3對稱式分布，作業(yè)水深65 m，模型試驗中主要參數(shù)見表1，試驗縮比1∶65。浮式風(fēng)電水池主要涉及到葉片的氣動載荷和基礎(chǔ)平臺的水動力載荷。水池中氣動載荷采用推力相似進(jìn)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(shù)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(yīng)，幾何相似下的風(fēng)機(jī)葉片在模型試驗中難以達(dá)到目標(biāo)推力，采用“翼型重構(gòu)”法重新構(gòu)建試驗葉片模型進(jìn)行尺度效應(yīng)的修正，以達(dá)到目標(biāo)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(fēng)速;Um為試驗額定風(fēng)速;TSR葉尖速比;Ωs為實際風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Ωm為模型風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；R為風(fēng)輪半徑。

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

1.3 塔筒模擬

塔筒模型與實際結(jié)構(gòu)滿足質(zhì)量相似、重心位置相似和一階振動模態(tài)相似，在主尺度上塔筒高度與實際結(jié)構(gòu)滿足幾何相似。通過三維建模進(jìn)行模型加工方案設(shè)計，塔筒采用不銹鋼進(jìn)行加工，模型塔筒一階振動頻率為3.89 Hz。

1.4 風(fēng)場模擬

試驗在中國船舶科學(xué)研究中心風(fēng)浪水池中進(jìn)行，風(fēng)場采用定常風(fēng)模擬，風(fēng)場模擬裝置如圖6所示，風(fēng)場有效模擬區(qū)域長4.08 m×寬2.59 m，模擬風(fēng)機(jī)最大半徑1.27 m。整個裝置由5層8列陣列軸流式風(fēng)機(jī)組成，為了提升風(fēng)場在風(fēng)機(jī)前側(cè)設(shè)置整流腔和整流網(wǎng)，最大出口風(fēng)速達(dá)到9 m/s。通過旋轉(zhuǎn)大橋可以實現(xiàn)0°～45°風(fēng)向改變。

1.5 試驗工況設(shè)計

水池試驗分為靜水衰減試驗、白噪聲試驗和風(fēng)浪聯(lián)合作用試驗三個部分，分別對系統(tǒng)固有周期、頻域運(yùn)動和時域全耦合響應(yīng)進(jìn)行研究。

(1)靜水衰減試驗: 系泊條件下進(jìn)行有風(fēng)和無風(fēng)兩種條件下的六自由度靜水衰減，記錄衰減運(yùn)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(guī)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(yīng)試驗:系泊狀態(tài)風(fēng)浪聯(lián)合作用下0°～270°不同浪向試驗，環(huán)境條件包括作業(yè)海況和極端海況兩種，作業(yè)海況葉片采用額定轉(zhuǎn)速，極端海況處于安全考慮葉片通常停機(jī)，試驗中葉片無旋轉(zhuǎn)，具體工況見表2。

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

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 浮式平臺固有周期特性

靜水衰減試驗結(jié)果如表3所示，可以看出，浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)縱搖、橫搖和垂蕩運(yùn)動固有周期均在23 s左右，縱蕩、橫蕩和艏搖運(yùn)動均在56 s左右。系統(tǒng)六自由度固有周期均遠(yuǎn)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(yùn)動穩(wěn)性。而平臺六自由度運(yùn)動模態(tài)之間的耦合以及平臺六自由度與葉片、塔筒的耦合應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步關(guān)注。同時還可以發(fā)現(xiàn)，有風(fēng)作用下受葉片氣動耦合作用影響，平臺六自由度模態(tài)固有周期普遍略有增加，這也是浮式風(fēng)機(jī)普遍存在現(xiàn)象。

表3 靜水衰減試驗系統(tǒng)運(yùn)動固有周期統(tǒng)計Tab.3 Natural period statistics of hydrostatic attenuation test system s

2.2 浮式平臺頻域運(yùn)動特性

白噪聲試驗得到浮式風(fēng)電平臺不同浪向縱搖、縱蕩和垂蕩的運(yùn)動響應(yīng)RAO如圖7所示。圖7中橫坐標(biāo)為波浪周期，縱坐標(biāo)為單位波高下的響應(yīng)幅值。由縱搖運(yùn)動響應(yīng)RAO曲線可以發(fā)現(xiàn)，縱搖運(yùn)動分別在9 s和24 s附近出現(xiàn)響應(yīng)峰值，單位波高縱搖響應(yīng)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(nèi)平臺具有優(yōu)良的縱搖運(yùn)動穩(wěn)性?？v蕩運(yùn)動在波頻范圍內(nèi)隨著波浪周期呈線性穩(wěn)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(yīng)，縱蕩有運(yùn)動有峰值出現(xiàn)。垂蕩運(yùn)動分別在15 s和24 s附近出現(xiàn)響應(yīng)峰值，單位波高縱搖響應(yīng)幅值分別不超過0.7 m和1.35 m，0°浪向垂蕩運(yùn)動最小，30°浪向最大。

2.3 風(fēng)浪環(huán)境時域全耦合響應(yīng)

2.3.1 時域統(tǒng)計特征分析

浮式平臺縱搖運(yùn)動和塔筒頂端載荷統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，作業(yè)環(huán)境和極端環(huán)境不同浪向下縱/橫搖運(yùn)動最大分別發(fā)生在180°浪向和0°浪向，最大值分別為4.11°和9.01°。當(dāng)前浮式風(fēng)機(jī)總體設(shè)計中，通常選擇8°和10°作為作業(yè)工況和極端工況的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?？v搖運(yùn)動顯著小于設(shè)計要求最大值接近50%。作業(yè)過程中搖擺運(yùn)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(yè)過程中系統(tǒng)搖擺運(yùn)動方面具有優(yōu)良的運(yùn)動穩(wěn)性。垂蕩運(yùn)動不同浪向下差別不大，作業(yè)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(yè)海況和極端海況塔筒頂端水平載荷最大平均值分別出現(xiàn)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(yùn)動情況相似，表明波頻縱搖運(yùn)動是引起水平載荷的主要因素。由于極端海況風(fēng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，極端海況塔筒頂端載荷大幅小于作業(yè)海況。作業(yè)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(jìn)行水平推力的相似性模擬，葉片重構(gòu)中忽略軸向旋轉(zhuǎn)力矩相似，這就導(dǎo)致由葉片旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的高頻載荷極值存在失真，這也是目前浮式風(fēng)電水池模型試驗中存在的技術(shù)困難。但是極值試驗結(jié)果仍然可以為系統(tǒng)多模態(tài)耦合特征和相關(guān)規(guī)律特征性分析提供參考依據(jù)。

表4 風(fēng)浪環(huán)境時域全耦合響應(yīng)試驗結(jié)果統(tǒng)計Tab.4 Statistics of time-domain fully coupled response model test results in wind and wave environment

2.3.2 多模態(tài)干擾特征分析

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

由圖8可以看到，浮式風(fēng)機(jī)縱搖運(yùn)動中存在復(fù)雜的多模態(tài)耦合干擾，除了受到波浪激勵響應(yīng)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(zhuǎn)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(jìn)行0.2 Hz低頻分離可以更加清晰看到低頻運(yùn)動與波浪載荷響應(yīng)相當(dāng)。這一特征也是浮式風(fēng)機(jī)不同于一般油氣平臺之處，這主要是由于浮式風(fēng)機(jī)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(yùn)動極易引起系統(tǒng)的大幅縱搖。同時還能看到風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)對縱搖運(yùn)動具有一定影響，但是影響程度有限，并且主要由1P旋轉(zhuǎn)引起，2P和3P旋轉(zhuǎn)影響則沒有明顯看到。

由圖10和圖11可以看到，作業(yè)條件下塔筒頂端水平載荷主要包括波浪激勵響應(yīng)、塔筒一階諧振響應(yīng)和葉片高頻旋轉(zhuǎn)諧振響應(yīng)。圖中可以明顯看到葉片旋轉(zhuǎn)引起的1P，2P和3P諧振。其中1P和3P分別接近波浪環(huán)境頻率和塔筒一階固有頻率容易引起疊加諧振效應(yīng)，從而導(dǎo)致頂部大幅高頻振動載荷。這也是塔筒結(jié)構(gòu)設(shè)計和風(fēng)機(jī)設(shè)計中需要避免或者盡力降低的。通過優(yōu)化設(shè)計，改變結(jié)構(gòu)固有頻率，避免振動模態(tài)疊加?？傮w來看2P旋轉(zhuǎn)振動恰好處在環(huán)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(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(fēng)機(jī)水池試驗的復(fù)雜性。對比之下，極端環(huán)境條件下由于沒有了葉片旋轉(zhuǎn)，塔筒頂端載荷則主要為波浪激勵響應(yīng)和小幅的塔筒諧振響應(yīng)，明顯小于作業(yè)海況。

3 結(jié) 論

本文以自主開發(fā)新型半潛式浮式風(fēng)機(jī)為對象，采用水池模型試驗的方法，對系統(tǒng)的固有特征和風(fēng)浪環(huán)境下總體響應(yīng)特性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

(1)靜水衰減試驗表明，系統(tǒng)六自由度固有周期均遠(yuǎn)離實際海上波浪頻率范圍，有利于提高波浪中運(yùn)動穩(wěn)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(yīng)幅值不超過0.5°，平臺具有優(yōu)良的縱搖運(yùn)動穩(wěn)性。

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

(4)多模態(tài)干擾特征分析發(fā)現(xiàn)浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)存在顯著的縱蕩-縱搖低頻耦合響應(yīng)，葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的1P和3P旋轉(zhuǎn)振動分別接近波浪環(huán)境頻率和塔筒一階固有頻率容易引起疊加諧振效應(yīng)，從而導(dǎo)致頂部大幅高頻振動載荷，在方案優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)當(dāng)予以關(guān)注。