基于规则波试验下浮式风电平台运动特性分析
2018-08-17李俊来谢永和
张 驰，李俊来，谢永和
（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022）
为了能够高效的开发利用海上风能，研究浮式风电平台迫在眉睫。浮式风电平台在作业时，会面对极其复杂的海况[1]，因此需要对波浪作用下浮式风电平台的运动响应问题做研究。
张文旭等[2]研究波浪方向和聚焦位置的变化对平台运动响应和系泊缆张力的影响规律，发现平台响应受畸形波的聚焦位置影响显著，横摇、纵摇响应和系泊缆受力随浪向角的改变成规律性变化，垂荡运动则对浪向角的改变不敏感；刘美妍等[3]对半潜式风电平台的运动特性进行研究，分析粘性阻尼对半潜式平台运动响应的影响，对平台结构进行优化；董晓曼等[4]通过涡激的运动机理、运动特性结合拖曳试验对南海张力退平台进行研究，发现当流向与张力腿平台垂直时会发生最大涡激运动响应，并且确定了运动最明显的大概位置。
波浪作用下的浮式风电平台会产生较为明显的运动响应[5-8]，其运动响应对波浪参数变化较为敏感[12-14]。为研究这个问题，在水动力试验时进行水池试验，研究浮式风电平台在不同波浪波长、波高情况下的运动响应规律，为相关研究提供相应的参考。
1 试验模型介绍
根据流体力学相似理论，进行水池试验时，模型与实体应该满足几何相似，运动相似以及动力相似[8-11]，本文研究的是浮式风电平台在农浪作用下的运动响应问题，因此在相似问题上仅仅考虑几何相似。选取1:50作为缩尺比制作模型进行试验,整个风机平台试验模型由风机模型与平台模型两部分构成，模型的主要参数见表1～2，模型结果如图3。
图1 模型结构Fig.1 Model structure
表1 风机模型主要参数Tab.1 Main parameters of fan model
表2 浮式风电平台模型主要参数Tab.2 Main parameters of floating wind power platform model
对模型结构进行调试检查之后，将风机模型通过螺栓与平台模型紧紧地连接起来，防止在试验过程中由于整个结构的晃动造成风机模型的脱落，影响整个试验的进程。
将试验模型放入到水池中，为调整整个模型结构的重量以及重心高度给3个浮桶内施加等量的砝码块进行压载。在每个浮桶中加入40 kg的砝码块后，模型结构稳定，此时吃水为500 mm。
2 试验环境与测量设备
2.1 试验环境
试验在浙江海洋大学水动力实验室中进行，表3为水池主尺度，如图2所示。
表3 水池主尺度Tab.3 Main scale of pool
2.2 测量设备
所需要使用到的仪器设备见表4。
表4 相关设备Tab.4 The related equipment
图2 拖曳水池Fig.2 Towing tank
图3 倾角传感器Fig.3 Tension sensor
图4 拉力传感器Fig.4 Dip sensor
3 试验方案
本文试验主要研究的是系泊状态下的浮式风电平台模型在规则波下的运动响应状况。
3.1 系泊模型模拟
将五个砝码块绑在一起代替系泊点，在系泊点上设置一个可变向的滑轮，将系泊缆一段穿过滑轮从水中拉出去，并将拉力传感器接上，之后牵引到拖车栏杆上系紧，系泊缆另一端穿过滑轮与浮桶底部连接，按这个方法布置3根系泊缆,在1号浮桶上面布置两个运动传感器用于测量风电平台模型的纵荡加速度和垂荡加速度，在风机顶部布置一个倾角传感器用于测量模型平台的纵摇角，如图5～6所示。
图5 系泊模型Fig.5 Mooring model
图6 调试好的试验模型Fig.6 Tested model
3.2 环境载荷模拟
本文水池试验主要针对的是波浪载荷的模拟。试验测量不用波浪下风机平台模型的运动响应状况，从波高和波长两个方面开展研究。采用PM谱，公式如式1所示：
式中：
θ—组合波与主浪向的夹角，单位rad；
T2—海浪跨零周期，单位s；
ω—波浪圆频率，单位rad/s。
3.3 试验工况的设置
据模型的主尺度的型长作为一个中间波长，取2.1 m，此等差数列前后再取两个值，波高取6～14 cm，步长2 cm，见表5。
表5 波浪参数Tab.5 The wave parameters
4 分析与结论
4.1 运动加速度结果分析
通过运动传感器采集到的纵荡和垂荡加速度以及纵摇的角度，研究规则波作用下，波高，波长对风电平台模型运动响应的影响，结果见表6～9。
表6 测试结果Tab.6 Test results
表7 测试结果Tab.7 Test results
表8 测试结果Tab.8 Test results
表9 测试结果Tab.9 Test results
4.1.1 不同波长规则波下浮式风电平台运动响应规律分析
将表7和表9中的结果整理成折线图，研究不同波长规则波下浮式风电平台模型的运动响应规律，如图7～9所示。
图7 纵荡规律图Fig.7 Surge
图8 垂荡Fig.8 Heave
图9 纵摇Fig.9 Pitch
从图7～9可以看出：
（1）不用波长规则波作用下，浮式风电平台模型纵荡运动比其垂荡运动剧烈，纵摇运动很小，接近1°；
（2）规则波作用下，浮式风电平台模型纵荡运动趋势随着博康波长的增加而减缓；
（3）规则波作用下，浮式风电平台模型垂荡运动趋势随着博康波长的增加而增强；
（4）规则波作用下，波高一定时，波长在1.26～1.68 m内，纵摇角度逐渐增大，波长在1.68～2.52 m的范围内，纵摇角度开始慢慢减小，当波长大于2.52 m时，纵摇角度开始变大。
4.1.2 不同波长规则波下浮式风电平台运动响应规律分析
将表8和表9中的结果整理成折线图，研究不同波长规则波下浮式风电平台模型的运动响应规律，如图10～12所示。
图10 纵荡Fig.10 Surge
图11 垂荡Fig.11 Heave
图12 纵摇Fig.12 Pitch
从图10～12可以看出：
（1）不用波长规则波作用下，浮式风电平台模型纵荡运动比其垂荡运动剧烈，纵摇运动很小，接近1°；
（2）规则波作用下波浪波高对浮式风电平台的运动响应作用比较明显，随着波浪波高的增加，其各个方向的运动趋势都在增强。
4.2 结论
根据上节中对实验结果的分析可得出以下结论：
（1）波浪波高对浮式样风电平台的运动响应的规律较为明显，其运动响应随着波高波高的变化而加强，在选择作业海域时，可以选择波浪稍微平缓的海域；
（2）波浪作用下，浮式风电平台模型的纵荡运动最为明显，有必要对其系泊结构进行加强。
