6 MW新型浅水浮式风力机概念设计和运动响应分析

2023-01-09张国榕何炎平吴浩宇赵永生

中国海洋平台 2022年6期

张国榕，何炎平*，阳杰，吴浩宇，赵永生

(上海交通大学 a.高新船舶与深海开发装备协同创新中心；b.海洋工程国家重点实验室；c.船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

0 引言

海上风能作为一种丰富的清洁能源，已成为全球新能源开发的焦点。中国近海可利用的海上风能资源可达7.5亿kW，资源开发潜力巨大[1]。目前中国海上风电实际开发区域主要集中在大陆架，这些海域大多数水深为50～70 m[2]。在水深为30～50 m的过渡区域，大多采用筒形基础或导管架基础；当水深大于50 m时，固定式风力机成本急剧增加，大多采用漂浮式基础[3]。目前浮式风力机有4种基本的平台形式，即驳船式、半潜式、单柱式、张力腿式，不同的平台有各自的优缺点。

近年来，国内外学者针对浮式风力机的支撑平台设计开展很多研究。唐友刚等[4]在Spar型浮式风力机中引入垂荡板和桁架结构，设计出一种新型浮式风力机；黄致谦等[5]在三立柱半潜式平台基础上，为每个浮筒增设1个圆柱形压载舱，设计出一种新结构漂浮式风力机半潜式平台；李懿蛟[6]设计出一种新型阶梯型单柱式浮式风力机；张立军等[7]在传统四浮筒半潜式风力机基础上，在中心立柱底部增设1个倒锥形垂荡架；闫渤文等[8]以Spar平台为基础，并采用半潜式平台浮筒，设计出一种双重抗摇摆机制的新型基础形式；张靖晨等[9]将Spar立柱缩短，在底部添加圆柱形压载舱，设计出一种新型浅吃水浮式风力机；LAI等[10]以三立柱半潜式浮式风力机为基础，在每个立柱底部增设垂荡板和压载舱，并将浮式基础置于水面以下；DE GUZMN等[11]在经典Spar立柱基础上，通过缩短立柱并加设压载舱，设计出一种新型浮式风力机；LIU等[12]以OC4浮式风力机为基础，更改边立柱倾角，结果表明倾角越大，新平台垂荡运动越小。

单柱式浮式基础具有重心低的优点，但吃水一般超过70 m，仅适用于水深超过100 m的水域；半潜式浮式基础具有大回复力矩浅吃水的优点，但是它的立柱直径大，所受的波浪载荷大，排水量也大。本文针对50 m水深的过渡海域，结合6 MW海上风力机风轮系统设计参数[13]，设计一种新型浅水6 MW浮式风力机浮式基础，综合单柱式平台小水线面低重心和半潜式平台大回复力矩浅吃水的优点，建立浮式风力机系统气动-水动-锚链-弹性-伺服耦合的非线性动力学分析模型，考虑风、浪、流载荷，研究不同风浪夹角下风力机系统的耦合运动响应。

1 6 MW风力机系统参数设计

结合半潜式浮式基础与单柱式浮式基础优点，提出一款新概念浮式风力机，如图1所示。风力机由风轮系统、塔架、浮式基础和系泊系统组成，其中风轮系统指风力机叶片和机舱。

图1 新概念风力机整体示例

1.1 风轮系统和塔架

风力机采用传统的水平轴上风向三叶片中速永磁轴风力发电机组，叶片翼型采用NACA及DU系列改型的翼型[14]。塔架材料采用Q345钢，塔底位于水面处，塔身高度为97.65 m,具体如表1所示。

表1 6 MW风轮系统和塔架总体参数

1.2 新概念风力机浮式平台

设计一种新型浮式基础，通过柱靴压载降低重心，采用大横撑提高浮心，立柱直径小，具单柱式平台低重心小水线面的优点；采用1根中心立柱与3根边立柱，吃水为35 m，具有半潜式平台大回复力矩、适用于浅水水域。浮式基础参数如表2所示，浮式基础结构尺寸外形三视图如图2所示。

表2 新概念风力机浮式基础主要参数

单位：m图2 新概念风力机浮式基础

1.3 系泊系统

平台纵摇、横摇、垂荡运动在外力消失后能通过静水回复力恢复到平衡位置，纵荡、横荡、艏摇运动的回复力则需要锚链提供。采用分布式三角形3根锚链悬链式系泊系统，导览孔置于柱靴上表面，如图3所示，具体锚链参数如表3所示。

图3 系泊系统布置

表3 系泊系统主要参数

2 数值模型

2.1 气动载荷

目前计算风力机气动载荷有3种模型：叶素动量理论、广义尾流模型、CFD计算。选用叶素动量理论，其主要思想是将叶片沿展向分成无数个微段，每个微段看作一个叶素，计算每个叶素的力和力矩，并沿展向进行积分，得到每个叶片的推力和力矩，进而得到整个风力机的推力和力矩。作用于整个叶片的推力、力矩和功率[15]分别为

(1)

(2)

P=MΩr

(3)

式(1)～式(3)中：CL和CD分别为升力系数和阻力系数；Φ为相对风向角；ρ1为空气密度；v为上风向风速；a1和α′分别为轴向、切向诱导因子；c为翼型弦长；B为叶片数量；Δr为叶片截面的径向长度；Ω为角速度；r为半径。

叶素受力分析图如图4所示，其中：FL为升力；FD为阻力；a为迎角；β为桨距角；Φ为相对风向角,v为远处来流风速度；vrel为相对风速。

图4 叶片截面的气动载荷[14]

2.2 水动力载荷

浮式基础受到的水动力载荷可分为3个部分：静力(也称静水回复力)、流体动力、波浪激励力。总的水动力载荷表达式[16]为

(4)

2.3 锚链力

锚链力计算采用有限元模型，有限元模型将锚链当作弹性杆处理，考虑惯性力和阻力，运动控制方程为

(5)

(6)

2.4 数值模拟工具和环境工况

采用2种数值模拟工具：挪威船级社(DNV GL)研发的Sesam软件和美国国家可再生能源实验室(NREL)研发的FAST软件。

设计3种工况：LC1为自由衰减实验工况，用于求解新概念浮式风力机六自由度固有周期；LC2为白噪声波浪，用于计算平台响应幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)，其中流速为0.5 m/s,波高为4.6 m，波浪周期为0.045～3.14 rad/s；LC3取南海海域一年一遇海况，风、浪和流载荷共存，风谱为IEC Kaimal湍流风谱，波浪采用JONSWAP谱，流是Near-Surface模型[17]；风向取0°，浪向在0°、30°、60°、90°之间变化，风速为10.5 m/s,流速为0.5 m/s,有义波高为4.6 m，谱峰周期为0.816 rad/s。

3 数值模拟

3.1 固有周期

通过自由衰减法求得风力机系统各自由度的固有周期。在测试中，风力机处于停机状态并且桨距角设置为90°，即风轮系统处于静止状态并且风轮系统与整体坐标系的x轴平行。表4给出新概念浮式风力机六自由度的固有周期和固有频率。

表4 6 MW新概念浮式风力机固有周期与固有频率

3.2 不同浪向下平台RAO

RAO表征风力机系统的水动力性能。计算RAO一般有4种方法，本文采用不规则波试验，即环境工况采用LC2工况。RAO由输入谱Sxx(w)和输出谱Syy(w)确定

(7)

图5～图8给出不同浪向下风力机系统的RAO仿真结果。

图5 纵荡RAO

图6 纵摇RAO

图7 垂荡RAO

图8 艏摇RAO

图5～图8表明不同方向自由度的RAO曲线具有相似的趋势，且在对应自由度的固有周期附近出现峰值。对于纵荡和纵摇运动，RAO曲线均出现2个峰值，依次对应纵摇固有频率、纵荡固有频率，这表明纵荡运动与纵摇运动存在耦合。纵荡运动RAO随浪向角增大而减小；纵摇运动随浪向角增大先增大后减小，在浪向角为60°时达到最大值，但浪向对纵摇运动峰值影响不大。随浪向角增大，垂荡运动RAO略有增大，这表明浪向角对垂荡运动影响较小。艏摇运动RAO曲线出现2个峰值，第2个峰值对应的频率是艏摇运动固有频率；艏摇运动RAO随着浪向角增大先增大后减小，在浪向角为60°时达最大。

3.3 不同浪向下平台运动响应

纵荡、纵摇、艏摇、垂荡运动响应的好坏对新概念浮式风力机生存情况起着关键作用。当风向角和浪向角均为0°时，新概念浮式风力机运动响应最剧烈，在此工况下对新概念风力机进行域频域分析具有代表性。图9～图12分别为新概念浮式风力机纵荡、垂荡、纵摇、艏摇时历曲线，图13～图16 为新概念风力机不同浪向下的功率谱，是对应自由度的时历曲线经过傅里叶变换得到的。

图9 纵荡时历曲线

图10 垂荡时历曲线

图11 纵摇时历曲线

图12 艏摇时历曲线

图13表明，对于纵荡运动，只有1个峰值，对应的频率是波浪固有频率，而纵荡固有周期峰值可忽略，这说明纵荡运动主要是由环境载荷引起的，与自身惯性运动无关。当风向不变，波浪入射角增大时，纵荡运动功率谱图峰值明显下降，这说明浪向改变对纵荡运动的影响较大。

图13 不同浪向纵荡功率谱

图14表明，对于纵摇运动，不同浪向下的纵摇功率谱有3个峰值，第1个峰值和第3个峰值的频率分别对应纵摇固有频率和波浪固有频率，这说明纵摇与纵荡运动不存在耦合；当风向角不变，浪向角增大时，纵摇功率谱峰值变换很明显，这说明，波浪方向改变对纵摇运动响应影响很大。

图14 不同浪向纵摇功率谱

图15表明，对于垂荡运动，功率谱只有1个峰值，峰值对应的频率是波浪频率，这表明垂荡运动主要受由环境载荷的影响，自身惯性影响较小。当风向不变，浪向增加时，垂荡运动随浪向角小幅度减小，这表明浪向的改变对垂荡运动有一定的影响，但影响不大。

图15 不同浪向垂荡功率谱

图16表明，对于艏摇运动，有4个峰值，第2和第4个峰值对应的固有频率分别为艏摇固有频率和波浪固有频率，其中能量主要集中在波浪频率对应的峰值处，这表明艏摇运动受环境载荷影响较大，并且与风力机其他自由度存在耦合。当风向不变、浪向角增大时，艏摇运动功率谱图峰值随浪向角增大而减小，这表明浪向改变对艏摇运动有一定的影响。