半潜型浮式风电装备水池模型试验

2023-12-27李辉钱权董晔弘杨微罗京刘升

船海工程 2023年6期

李辉,钱权,董晔弘,杨微,罗京,刘升

(1.中国船舶集团海装风电股份有限公司研究院,北京 100097;2.中国船舶集团有限公司产业发展部,上海 200010)

虽然现在海上风电场开发还是以固定式风电装备为主,但是随着近海资源的减少,海上风电开发必然由近海走向深海。随着水深的增加,风电场开发采用固定式基础的经济性不再明显,而浮式风电装备既可以降低噪声和视觉方面的要求,又可以采用更大功率风电机组去充分利用深海风能资源,因而优势凸显。但浮式风电装备同时承受多种环境载荷,各子系统之间相互影响明显,属于典型刚柔多体耦合系统,装备整体动力响应耦合特性尚不十分清楚。在海洋工程领域,水池模型试验是准确预报浮式结构物动力响应的可靠技术之一,但对于浮式风电装备仍存在诸多技术挑战,其中最大的挑战之一是试验模型不能同时满足雷诺数相似与弗汝德数相似[1-2]。对于传统海工结构物,风载荷与波浪载荷相比,被视为次要因素,因此可以忽略雷诺数相似准则。但是,对于浮式风电装备而言,风载荷也是主要因素,雷诺数相似原则不能被忽略。因此浮式风电装备水池模型试验的难点始终围绕如何保证模型气动性能与原型更加匹配[3]。全实物浮式风电装备水池模型试验主要关注如何准确保证重构叶片气动性能与原型相似,并与数值仿真软件进行相互验证,从而为工程项目一体化仿真分析选择合理的工具[4-5]。国内这方面的研究刚起步,而基于实际工程项目的研究2020年才开始。因此,考虑结合国内首台深远海浮式风电项目,基于6.2 MW风电机组和半潜型浮式风电平台,利用最新的低雷诺数翼型进行叶片重构设计,并保证叶尖速比和弗汝德相似开展水池模型试验,分析浮式风电装备固有特性,并与内部仿真软件进行相互验证,以保证工程项目一体化仿真结果的准确性。

1 模型设计

由于雷诺数和弗劳德数不能同时相似,根据试验目的和整体动力响应特点,本次浮式风电装备水池模型主要满足弗劳德相似,同时根据原型叶片气动性能进行低雷诺数翼型重构叶片设计,保证气动推力和叶尖速比相似,相似准则见式(1)～(3)。模型缩尺比为50,水池模型整体见图1。

图1 水池试验模型

(1)

(2)

(3)

1.1 叶片模型

叶片设计是试验模型设计的关键,主要手段是在保证风轮推力系数(CT)和叶尖速比(TSR)相似前提下进行叶片重构设计[6]。根据风机运行转速和模型雷诺数范围,选择专门为试验设计的低雷诺数翼型aeTT,然后基于内部气动分析软件HAWC2进行叶片分析,得到缩比模型叶片参数,模型叶片气动特性见图2。

图2 叶片气动推力对比

试验模型叶片采用碳纤维材料加工制作,优先保证质量及强度要求,最终单支叶片重量误差小于5%,重心和惯量误差达到了21%,但叶片相对于整个浮式风电装备重心和惯量属于小量,总相对误差均小于2%,叶片模型见图3。

图3 试验叶片模型

1.2 机舱与塔筒模型

试验模型的机舱采用铝合金材料制成,几何尺寸充分考虑原型机舱与风轮总质量、主轴倾角、风轮重心等参数以及足够的结构强度。模型轮毂由桨毂及叶根连接件组成,结构对称。塔筒模型由内部金属塔筒和外部泡沫几何外形构成。金属塔筒采用铝合金材料加工制作,泡沫塔筒外形简化为3节进行加工,并根据实际存在的传感器、连接法兰等结构做了简单修正。装配好的机舱与塔筒模型见图4,设计参数见表1。

表1 机组模型主要参数

图4 试验塔筒与机组模型

1.3 平台模型

基础平台模型与原型之间满足几何相似、质量相似与弗汝德相似,试验模型采用玻璃钢材料制作,然后通过设置舱室和调压载等实现模型质量、重心、转动惯量等要素的相似,平台模型见图5,设计参数见表2。

表2 平台试验模型参数

1.4 系泊系统模型

试验中,系泊系统采用锚链、钢丝和弹簧,依据重量相似及弹性系数相似进行模拟。由于系泊系统模型锚点间距很小,故每3根锚链共用1个带有铁片的磁吸锚点,锚链试验模型见图6,主要参数见表3。

表3 系泊系统试验模型参数

图6 试验锚链模型

1.5 试验传感器

根据试验要求,使用多种传感器,参数见表4。

表4 传感器参数

2 环境条件校对

2.1 风场校对

试验结合上海交通大学水池条件,由1套便携式大型造风系统模拟风场,系统由68个独立运转的小风机组成。风场校对共设置7个测点[7],试验中共模拟小风、额定风、大风和极限风共4种风速,轮毂中心高度处风场实测结果见表5。

表5 轮毂中心处平均风速校对 m/s

风轮内部测点风速均匀度较好,平均风速误差为5%左右,不同风速下湍流强度均在10%以内,后面试验需要增加整流罩来提高风场质量。

风轮外部测点风速均匀度较差,平均风速误差为10%～20%。湍流强度随风速变大而减小,最小湍流强度为15%,最大值接近40%,但风轮面外的风速变化对推力影响不明显。

2.2 推力标定

在试验开始前,对每个风速的风轮推力进行校对。校对时将风机模型立在液压叉车上,调节风轮中心高度与后续试验中一致,并根据测量结果调整变桨角度,保证推力满足设计要求,标定状态见图7。

图7 机组推力标定

推力模型值与设计值均值误差较小,推力标定结果见表6,满足设计要求。

表6 推力标定结果

2.3 波浪校对

在正式水池试验之前,必须对模拟的波浪进行校对。用浪高仪测量持续时间内水池中不规则波的波浪时历,并对波浪时历进行谱分析。如果模拟所得的波谱结果与目标值相差较大,则应根据差异情况重新修正造波机的控制信号。如此往复,直至水池中的波浪时历达到试验要求。本试验的不规则波采用JONSWAP波谱模拟,采样频率为50 Hz,代表波浪谱校对结果见图8。

图8 试验波浪校对(Hs-3.92 m,Tp-10.1 s)

波浪试验中采用的波浪周期对应于实际值范围为5.0～30.0 s,波高与波长比满足微幅波假定要求。

2.4 海流校对

试验共涉及1.0,2.5和3.5 m/s 3个流速,但由于试验中水深仅为1.3 m,所需流速超过了水池在该水深下的流速模拟能力,因此采用挂载砝码方法模拟流载荷。流载荷挂载所需的质量根据循环水槽试验测定,具体数值见表7,砝码挂载高度为根据仿真结果换算得出。

表7 流载荷数值校对

3 装备固有特性结果

进行水池试验之前,基于原型参数在项目组内部软件Deeplines Wind完成数值模型建立,根据试验测量装备固有特性结果,与数值仿真模型对比,模型与试验定义的方向与坐标系见图9。

图9 试验与仿真方向和坐标系

3.1 塔筒频率

浮式风电装备模型下水前,对塔筒模型开展敲击试验,以确定其固有频率,结果见表8。

表8 塔筒固有频率对比表 Hz

从对比结果来看,一阶前后方向频率误差偏大,原因在于塔底与平台固定边界与仿真模型不完全相同;另外,模型塔筒尺寸较小,因加工产生的误差,也会对塔筒刚度和频率产生影响。

3.2 系泊刚度

对半潜式浮式风电装备进行水平刚度试验,测量得到模型系泊系统水平刚度曲线,与数值仿真结果进行对比,结果见图10～12。静水刚度试验共包括X正负方向、Y正向和艏摇正负方向共5部分内容。

图10 系泊刚度对比

对比结果可以看出,模型锚链刚度与仿真模型结果一致性较好,说明模型锚链设计和数值模型建模准确。

3.3 固有周期

在风浪流耦合试验之前,首先对装备进行静水衰减试验,包括自由衰减、完整系泊衰减、有风系泊衰减共3部分。记录各自由度运动衰减时历,由此得到装备整体固有周期和阻尼系数,并与数值仿真结果进行对比,典型结果见表9,典型衰减时历曲线见图11～13。

表9 典型状态下固有周期

图11 垂荡衰减时历对比-自由漂浮状态

图12 纵荡衰减时历对比-系泊完整状态

图13 纵摇衰减时历-系泊完整+有风状态

对比结果可见,自由状态下仿真结果与试验结果一致性较好,说明整个装备模型重量、重心与惯量满足设计要求。但在有风状态误差偏大,主要由于风轮惯量、塔架刚度和气动阻尼差异。从阻尼结果可以看出,自由状态浮式风电装备阻尼较小,仅为临界阻尼1%,在完整系泊和有风状态下,阻尼也没有超过临界阻尼4%,说明整个浮式风电装备阻尼要比传统海洋石油平台阻尼低一些。