新型半潜式浮式风机动力特性试验研究

赵战华， 范亚丽， 匡晓峰， 周舒旎， 张 凯

(1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082； 2. 中国船舶重工集团海装风电股份有限公司，重庆 401122)

全世界风能资源有60%以上分布在水深50 m以上的深海海域。随着陆地风能资源利用的日益饱和，风电产业从陆地走向深海、由固定式走向浮式是必然趋势，这也是我国近几年大力投入和发展的方向[1-3]。在海南海域和台湾海峡已有相关示范性项目立项实施。浮式风机与固定式风机最大不同在于浮式基础和定位方式，关系到整个系统的投资成本和风险控制。经过二十多年的发展，浮式风机基础平台结构形式总体上借鉴了相对成熟的海上油气平台。在结构尺度和布局上进行了部分改进。目前主要有半潜式、单柱式和TLP式三种(如图1所示)，其中半潜式依靠其适应水深广泛、锚泊成本低等优点得到了广泛应用[4-6]。半潜式结构也更适合于我国近海过渡水深的特征。我国当前工程示范项目均采用了半潜式浮式基础的形式。

针对半潜式浮式风机国内外科研工作者开展了广泛创新和研究。2009年，Aubaulta等[7]提出了WindFloat半潜式概念风机，通过数值分析和模型试验的方法对系统水动力性能、结构强度和疲劳寿命等方面进行了详细分析，而且从经济和技术等方面进行了可行性论证。Kvittem等[8]利用非线性气动-水动耦合程序Simo-Riflex-AeroDyn对半潜式浮式风机WindFloat动力响应特性进行了数值分析。Andrew等[9-11]针对3种浮式平台(半潜式，张力腿，SPAR)在MARIN水池进行了全面的试验研究(NREL 5 MW风机)。试验中建立了基于Froude相似和功能相似的水池试验模型相似准则，通过翼型重构对叶片进行了物理模拟，模型风机与原型风机推力系数误差和功率系数误差均有效减小，取得了较为理想的试验结果。赵志新等[12]选择5 MW和10 MW两型不同尺度半潜式浮式风机，采用气动-水动-伺服-弹性全耦合计算模型进行时域耦合分析，研究表明大型化浮式风机受到气动载荷效应更加突出，低频共振反应比例增加，导致锚泊张力更大。李修赫等[13]对风浪不同线作用下半潜式浮式风机系统响应特征进行研究，系统分析了不同线环境条件下运动耦合响应、系泊缆张力变化以及系泊缆布置方式之间的影响关系。

体型大、稳定性低是半潜式浮式风机平台的明显不足，提高浮式风机的风浪环境下运动稳性一致是工程设计者的努力方向。本文以一自主开发新型6.2 MW半潜式浮式风电装备为研究对象开展水池模型试验，对系统运动和载荷进行测试研究。该平台在借鉴当前三柱式半潜平台总体布局的基础上，通过改进底部浮体结构，建立垂荡阻尼板的方式改进结构稳性，通过模型试验对系统总体动力响应特征进行评估，为工程应用提供支撑。

1 试验模拟及工况设计

1.1 浮式风电装备系统

本项目自主开发新型6.2 MW浮式风电装备如图2～图4所示，整个装备包括：风机(叶片/轮毂/机舱)、塔筒、基础平台和系泊系统四个部分。基础平台为三立柱半潜式平台，呈等边三角形布局，由立柱、下浮体和方形横撑构成。底部下浮体兼具垂荡板和压载水舱的功能。该构型具有以下优点：①较大的下浮体能够有效增大附连水质量和阻尼，降低系统垂荡和摇摆运动；②下浮体通过注入压载水，可以降低系统重心高度，提升系统稳性；③通过调节压载水量改变吃水，可以为平台抵抗极端环境提供支持。

系泊系统为悬链线式系泊，采用3×3对称式分布，作业水深65 m，模型试验中主要参数见表1，试验缩比1∶65。浮式风电水池主要涉及到叶片的气动载荷和基础平台的水动力载荷。水池中气动载荷采用推力相似进行模拟，水动力载荷满足Fr相似和St相似。

表1 研究对象主要特征参数Tab.1 The main characteristic parameters of the research object

1.2 气动载荷模拟

由于存在尺度效应，几何相似下的风机叶片在模型试验中难以达到目标推力，采用“翼型重构”法重新构建试验叶片模型进行尺度效应的修正，以达到目标推力。在满足几何相似和推力相似的同时，叶片还满足叶尖速比相似[14]。

(1)

(2)

式中：λ为缩比;Us为实际额定风速;Um为试验额定风速;TSR叶尖速比;Ωs为实际风机转速;Ωm为模型风机转速；R为风轮半径。

叶片设计中针对推力曲线中最大推力进行模型叶片重构设计。首先，选择适宜的翼型，本文选择低风速翼型NACA4412作为重构叶片翼型。其次，在保证叶片长度几何相似的同时 通过调整弦长分布和安装角建立新型叶片。再通过反复迭代分析，确定最佳翼型方案[15-18]。本文重构叶片模型如图5所示。

1.3 塔筒模拟

塔筒模型与实际结构满足质量相似、重心位置相似和一阶振动模态相似，在主尺度上塔筒高度与实际结构满足几何相似。通过三维建模进行模型加工方案设计，塔筒采用不锈钢进行加工，模型塔筒一阶振动频率为3.89 Hz。

1.4 风场模拟

试验在中国船舶科学研究中心风浪水池中进行，风场采用定常风模拟，风场模拟装置如图6所示，风场有效模拟区域长4.08 m×宽2.59 m，模拟风机最大半径1.27 m。整个装置由5层8列阵列轴流式风机组成，为了提升风场在风机前侧设置整流腔和整流网，最大出口风速达到9 m/s。通过旋转大桥可以实现0°～45°风向改变。

1.5 试验工况设计

水池试验分为静水衰减试验、白噪声试验和风浪联合作用试验三个部分，分别对系统固有周期、频域运动和时域全耦合响应进行研究。

(1)静水衰减试验: 系泊条件下进行有风和无风两种条件下的六自由度静水衰减，记录衰减运动时历；

(2)白噪声试验: 系泊条件下开展0°，30°，45°，60°，90°不同浪向白噪声不规则波水池试验，白噪声试验有义波高50 mm，周期1～4 s；

(3)时域全耦合响应试验:系泊状态风浪联合作用下0°～270°不同浪向试验，环境条件包括作业海况和极端海况两种，作业海况叶片采用额定转速，极端海况处于安全考虑叶片通常停机，试验中叶片无旋转，具体工况见表2。

表2 时域全耦合响应试验工况组合Tab.2 The condition combination for time domain full coupling response test

2 试验结果及分析

2.1 浮式平台固有周期特性

静水衰减试验结果如表3所示，可以看出，浮式风机系统纵摇、横摇和垂荡运动固有周期均在23 s左右，纵荡、横荡和艏摇运动均在56 s左右。系统六自由度固有周期均远离实际海上波浪频率范围,与一阶波浪载荷谐振可能性较低，有利于波浪中运动稳性。而平台六自由度运动模态之间的耦合以及平台六自由度与叶片、塔筒的耦合应当进一步关注。同时还可以发现，有风作用下受叶片气动耦合作用影响，平台六自由度模态固有周期普遍略有增加，这也是浮式风机普遍存在现象。

表3 静水衰减试验系统运动固有周期统计Tab.3 Natural period statistics of hydrostatic attenuation test system s

2.2 浮式平台频域运动特性

白噪声试验得到浮式风电平台不同浪向纵摇、纵荡和垂荡的运动响应RAO如图7所示。图7中横坐标为波浪周期，纵坐标为单位波高下的响应幅值。由纵摇运动响应RAO曲线可以发现，纵摇运动分别在9 s和24 s附近出现响应峰值，单位波高纵摇响应幅值分别不超过0.5°和3.5°，说明在小于17 s的实际波浪频率范围内平台具有优良的纵摇运动稳性。纵荡运动在波频范围内随着波浪周期呈线性稳定增大。在在30°和60°斜浪中，21 s波浪周期附近受到垂荡和纵摇耦合响应，纵荡有运动有峰值出现。垂荡运动分别在15 s和24 s附近出现响应峰值，单位波高纵摇响应幅值分别不超过0.7 m和1.35 m，0°浪向垂荡运动最小，30°浪向最大。

2.3 风浪环境时域全耦合响应

2.3.1 时域统计特征分析

浮式平台纵摇运动和塔筒顶端载荷统计结果如表4所示。从表4中可以看出，作业环境和极端环境不同浪向下纵/横摇运动最大分别发生在180°浪向和0°浪向，最大值分别为4.11°和9.01°。当前浮式风机总体设计中，通常选择8°和10°作为作业工况和极端工况的设计标准。纵摇运动显著小于设计要求最大值接近50%。作业过程中摇摆运动有义值均不超过1.0°，表明本文新型浮式平台在降低作业过程中系统摇摆运动方面具有优良的运动稳性。垂荡运动不同浪向下差别不大，作业海况和极端海况中垂荡最大值分别为1.48 m和5.31 m。作业海况和极端海况塔筒顶端水平载荷最大平均值分别出现在180°浪向和0°浪向，最大平均值分别为1 022.9 kN和315.3 kN。与纵摇运动情况相似，表明波频纵摇运动是引起水平载荷的主要因素。由于极端海况风机停止旋转，极端海况塔筒顶端载荷大幅小于作业海况。作业海况和极端海况塔筒顶端水平载荷最大值分别为4 155.1 kN和1 878.9 kN。需要指出的是本文在气动载荷模拟中只进行水平推力的相似性模拟，叶片重构中忽略轴向旋转力矩相似，这就导致由叶片旋转诱导的高频载荷极值存在失真，这也是目前浮式风电水池模型试验中存在的技术困难。但是极值试验结果仍然可以为系统多模态耦合特征和相关规律特征性分析提供参考依据。

表4 风浪环境时域全耦合响应试验结果统计Tab.4 Statistics of time-domain fully coupled response model test results in wind and wave environment

2.3.2 多模态干扰特征分析

对0°浪向纵摇运动和塔筒顶部载荷时历进行频域分析，如图8～图11所示，图中结果均为模型值。

由图8可以看到，浮式风机纵摇运动中存在复杂的多模态耦合干扰，除了受到波浪激励响应和纵摇固有周期谐振外，还受到纵荡低频耦合谐振和叶片1P旋转谐振。其中纵荡低频耦合作用特征明显。图9对纵摇时历信号进行0.2 Hz低频分离可以更加清晰看到低频运动与波浪载荷响应相当。这一特征也是浮式风机不同于一般油气平台之处，这主要是由于浮式风机顶部水平气动载荷与水面水平波浪载荷形成纵倾力矩，低频纵荡运动极易引起系统的大幅纵摇。同时还能看到风机旋转对纵摇运动具有一定影响，但是影响程度有限，并且主要由1P旋转引起，2P和3P旋转影响则没有明显看到。

由图10和图11可以看到，作业条件下塔筒顶端水平载荷主要包括波浪激励响应、塔筒一阶谐振响应和叶片高频旋转谐振响应。图中可以明显看到叶片旋转引起的1P，2P和3P谐振。其中1P和3P分别接近波浪环境频率和塔筒一阶固有频率容易引起叠加谐振效应，从而导致顶部大幅高频振动载荷。这也是塔筒结构设计和风机设计中需要避免或者尽力降低的。通过优化设计，改变结构固有频率，避免振动模态叠加。总体来看2P旋转振动恰好处在环境载荷频率和塔筒固有频率之间，对载荷影响则明显减小，可不予重点关注。对比横向载荷FY和纵向载荷FX可以看到，1P谐振对前者影响更加明显。除了以上提到谐振响应外，同时也能看到还有其他小幅谐振影响存在，这主要是由于顶部模型结构件和连接刚度等引起不确定性干扰。这也从另一面说明浮式风机水池试验的复杂性。对比之下，极端环境条件下由于没有了叶片旋转，塔筒顶端载荷则主要为波浪激励响应和小幅的塔筒谐振响应，明显小于作业海况。

3 结 论

本文以自主开发新型半潜式浮式风机为对象，采用水池模型试验的方法，对系统的固有特征和风浪环境下总体响应特性进行分析，得到以下结论:

(1)静水衰减试验表明，系统六自由度固有周期均远离实际海上波浪频率范围，有利于提高波浪中运动稳性。

(2)白噪声试验表明，在小于17 s以下的实际波浪频率，单位波高纵摇响应幅值不超过0.5°，平台具有优良的纵摇运动稳性。

(3)作业环境和极端环境下纵/横摇运动最大值分别为4.11°和9.01°，显著小于设计要求最大值约50%和10%。作业过程中摇摆运动有义值均不超过1.0°，表明新型浮式平台具有优良的运动稳性。

(4)多模态干扰特征分析发现浮式风机系统存在显著的纵荡-纵摇低频耦合响应，叶片旋转产生的1P和3P旋转振动分别接近波浪环境频率和塔筒一阶固有频率容易引起叠加谐振效应，从而导致顶部大幅高频振动载荷，在方案优化设计中应当予以关注。