劉建峰

(南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司, 江蘇 南通 226005)

自升式海上風(fēng)電安裝船的模型試驗(yàn)分析研究

劉建峰

(南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司, 江蘇 南通 226005)

主要闡述了具備自航能力的自升式海上風(fēng)電安裝船在船型設(shè)計(jì)階段的模型試驗(yàn)和計(jì)算分析，為相似船型和類似海洋工程裝備的設(shè)計(jì)研究提供了參考。

風(fēng)電安裝船 模型試驗(yàn) 航速 阻力 推進(jìn) 流型

1 前言

為應(yīng)對(duì)未來(lái)的能源危機(jī)和氣候變化，以及保護(hù)環(huán)境，發(fā)展可再生能源是目前的大勢(shì)所趨。風(fēng)能與太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等相比，其產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)勢(shì)明顯，而且對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響極小，是可預(yù)見時(shí)期內(nèi)，最有可能大規(guī)模發(fā)展且具備商業(yè)化特質(zhì)的能源。風(fēng)能的最典型開發(fā)應(yīng)用是海上風(fēng)力發(fā)電，其具有資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、開發(fā)利益牽扯面狹窄、使用空間和海域面積很小不影響其他項(xiàng)目的發(fā)展、可以大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢(shì)，是世界上公認(rèn)的將可再生能源商業(yè)化應(yīng)用的綠色技術(shù)，是最具大規(guī)模推廣可再生能源應(yīng)用發(fā)展的重點(diǎn)。

具備自航能力的自升式海上風(fēng)電安裝船兼具自升式平臺(tái)和浮式自航船舶的優(yōu)點(diǎn)，具有將風(fēng)機(jī)和基礎(chǔ)一起運(yùn)送至風(fēng)電場(chǎng)的能力，并配備適合各種場(chǎng)景下安裝的起重設(shè)備和定位設(shè)備，有效克服了風(fēng)機(jī)安裝的大型化和離岸化的限制，是當(dāng)前發(fā)展海上風(fēng)電場(chǎng)的首選裝備。

2 簡(jiǎn)介

“SEA CHALLENGER”是為丹麥船東建造的新一代海上風(fēng)電安裝船，其船長(zhǎng)133.25 m、寬39 m、型深9 m、設(shè)計(jì)吃水5.8 m，作業(yè)水深達(dá)45 m，裝備有4條圓形樁腿結(jié)構(gòu)液壓提升裝置系統(tǒng)和環(huán)繞樁腿的900 t旋轉(zhuǎn)海洋起重機(jī)，如圖1所示。艏部配備兩個(gè)側(cè)推和一個(gè)可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，艉部配備3個(gè)電力推進(jìn)的VOITH櫓槳，在淺水海域機(jī)動(dòng)性能出眾，并配有先進(jìn)的DP2動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)。具有3 000 m2以上的甲板重載貨區(qū)域，甲板重載貨區(qū)載荷達(dá)到15 t/m2，局部線性載荷達(dá)40 t/m，提升甲板載荷達(dá)到5 000 t。其每次可裝載10套風(fēng)車構(gòu)件進(jìn)行海上安裝作業(yè)。設(shè)計(jì)符合DNV CLEAN綠色環(huán)保要求，并滿足DNV船級(jí)社對(duì)自升式海洋工程裝備和遠(yuǎn)洋自航貨輪的雙重規(guī)范要求，同時(shí)還符合丹麥的海事標(biāo)準(zhǔn)。

這種典型的具備自航能力的自升式海上風(fēng)電安裝船，能夠?yàn)橄乱淮Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)在最大水深45 m的海域提供基本的安裝和維護(hù)功能。本文主要闡述了這類具備自航能力的自升式海上風(fēng)電安裝船在船型設(shè)計(jì)階段的模型試驗(yàn)和計(jì)算分析。

圖1 側(cè)視總圖

3 模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)水池主參數(shù)

試驗(yàn)水池主參數(shù)為：長(zhǎng)180 m，寬10 m，深5 m，最大試驗(yàn)速度7.5 m/s。

3.2 模型與實(shí)船的參數(shù)比較

木制模型按照與實(shí)船1∶18的比例根據(jù)線型圖制作，船體線型如圖2所示，木制模型實(shí)體如圖3所示。木制模型裝備了一個(gè)推進(jìn)馬達(dá)和功率計(jì)，艉部裝配3個(gè)由Voith Schneider Propulsor(VSP)推進(jìn)單元組成的推進(jìn)布置，以模擬實(shí)船運(yùn)動(dòng)和測(cè)試收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體模型參數(shù)如表1所示。

圖2 船體線型

圖3 木制模型實(shí)體

實(shí)船參數(shù)模型參數(shù)型長(zhǎng)Lpp121.68m6.67m型寬B39m2.17m中部吃水TM5.30m0.29m艏部吃水TF5.30m0.29m艉部吃水TA5.30m0.29m浸水面長(zhǎng)度LOS133.25m7.40m排水量體積V22284m33.82m3排水量D22863t3.82t浸水面積S5982m218.46m2方形系數(shù)CBPP0.8984方形系數(shù)CBOS0.8091

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算

模型試驗(yàn)在靜水池中進(jìn)行，本文主要對(duì)常用工作狀態(tài)5.3 m吃水狀態(tài)的試驗(yàn)進(jìn)行探討研究。具體數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 模擬實(shí)船5.3 m吃水、無(wú)縱橫傾，航速分別為9、10、11、12、13 kn狀態(tài)下的阻力試驗(yàn)

表3 模擬實(shí)船5.3 m吃水、無(wú)縱橫傾，航速分別為9、10、11、12、13 kn狀態(tài)下的推進(jìn)試驗(yàn)

如圖4分析計(jì)算的圖表所示，在實(shí)船5.3 m吃水狀態(tài)下11 400 kW有效軸功率時(shí)，預(yù)測(cè)實(shí)船航速可達(dá)12.3 kn。

圖4 試驗(yàn)計(jì)算

4 試驗(yàn)分析研究

4.1 試驗(yàn)中的推進(jìn)器

試驗(yàn)過(guò)程中，在做阻力和推進(jìn)試驗(yàn)時(shí)，模型的艏部側(cè)推進(jìn)器處的管隧封閉，這是一種依據(jù)試驗(yàn)水池通常經(jīng)驗(yàn)，采用經(jīng)驗(yàn)的修正系數(shù)對(duì)實(shí)船進(jìn)行推算的方法。模型中顯示的推進(jìn)器管隧表面僅為示意表達(dá)，尺寸并不嚴(yán)格按實(shí)際設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 船模球鼻艏

圖6 船模艉部推進(jìn)器

實(shí)船的管隧邊緣要比模型中示意的更為平滑。根據(jù)長(zhǎng)久的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，模型中這些示意造型的不精確性在整體的流型和阻力分析研究方面的影響很微弱，可以被接受。

在推進(jìn)試驗(yàn)中，艉部推進(jìn)器VSP安裝在模型中，如圖6所示。VSP是由Voith提供的直徑200 mm的槳葉旋轉(zhuǎn)軌道模型推進(jìn)器。所有的VSP被一個(gè)單獨(dú)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，確保所有VSP具有同樣的轉(zhuǎn)速。每個(gè)VSP被單獨(dú)地測(cè)量軸的扭矩。但與裝備標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)器的模型試驗(yàn)不同的是VSP提供的推力無(wú)法測(cè)量。在阻力試驗(yàn)中，艉部的VSP推進(jìn)器被拆除，模型船體上的開孔被塞子封住。

4.2 試驗(yàn)中的流型

試驗(yàn)觀察研究了分別在9 kn和12 kn航速狀態(tài)下5.3 m吃水推進(jìn)試驗(yàn)時(shí)的流型。在球鼻艏上部連接艏部的過(guò)渡區(qū)域附近興起較為明顯的湍流，湍流向船艏部過(guò)渡傳遞，湍流波浪穿過(guò)船前部舷側(cè)兩肩位置，逐漸延續(xù)至艉部的波浪相對(duì)平緩；伴隨著航行速度的增大，湍流和前部?jī)上蟼?cè)的波浪呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。球鼻艏上方的水面，水流形態(tài)較為平靜。

由試驗(yàn)觀察可見當(dāng)拖曳速度變大時(shí)，沿球鼻艏處的水流增加。水流的傳遞在球鼻艏至聯(lián)接的艏部區(qū)域由以水平為主的水流衍變成包含更大更多垂直成分的水流。在艏部區(qū)域，可以觀察到相對(duì)緩和的由球鼻艏推動(dòng)的水流向上而行至艏部區(qū)域傾斜面的頂部和邊側(cè)，水流從球鼻艏處分離，加速流向船艏區(qū)域的傾斜面。當(dāng)水流沖擊和碰撞艏部時(shí)，產(chǎn)生高壓力水域，一部分的水流向船體前部的兩舷側(cè)做更進(jìn)一步地流動(dòng)；一部分在船體的下面分流，另一部分沿著艏部向后朝向球鼻艏和艏部船體連接處分流，如圖7所示。

圖7 艏部流型

在前部雙肩兩側(cè)，波浪穿過(guò)明顯，波浪由于前部肩側(cè)相對(duì)較小的曲率半徑產(chǎn)生。

總的來(lái)看試驗(yàn)時(shí)的流型，靠近艏部產(chǎn)生湍流，波浪穿過(guò)船舷前部雙肩兩側(cè)，艉部有相對(duì)較小波浪。

4.3 阻力試驗(yàn)分析

試驗(yàn)計(jì)算分析應(yīng)用了以下的假設(shè)：

(1) 形狀系數(shù)(1+k)等于1.00。

這是一個(gè)保守的假設(shè)，實(shí)際上，阻力的更大一部分取決于雷諾系數(shù)而并非單一的摩擦阻力。例如，假設(shè)形狀系數(shù)取1.15，實(shí)船阻力因此受到的影響變化將小于3%。然而，為了要從模型試驗(yàn)中確定這個(gè)形狀系數(shù)，將需要做很多低拖曳速度的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析，且得到的數(shù)值也很可能不夠精確。

(2) 附加阻力系數(shù)Ca等于0.00011。

這是一個(gè)依據(jù)實(shí)船經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。這個(gè)系數(shù)定義了大約為實(shí)船阻力2%的附加阻力?？紤]到這種船型的創(chuàng)新性和獨(dú)特性，船體底部樁靴端部突出部位的特殊細(xì)節(jié)在實(shí)船上和試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭杏胁町?，如圖8、圖9所示。由于這些差異對(duì)于阻力的影響不確定。因此，增加的阻力因素未知。

圖8 船模底部樁靴端部

圖9 船體底部樁靴端部三維設(shè)計(jì)視圖

4.4 推進(jìn)試驗(yàn)

4.4.1 方法

在模型和實(shí)尺之間，計(jì)算使用了比例系數(shù)修正雷諾效應(yīng)。采用這種方法的基礎(chǔ)是設(shè)想VSP推進(jìn)器在試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)船上工作時(shí)具有同樣的進(jìn)程比。在開闊水面有效的VSP功效為了雷諾效應(yīng)的結(jié)果被修正，實(shí)際上實(shí)船的推進(jìn)器效率更高。

實(shí)船推進(jìn)器的效率和增長(zhǎng)速率的計(jì)算需要考慮到風(fēng)阻力的影響。風(fēng)阻力的增加使得推進(jìn)器的負(fù)載增大和有效速率增長(zhǎng)的降低，導(dǎo)致同樣在開放水域中實(shí)船的推進(jìn)效率低于沒有風(fēng)阻的模型試驗(yàn)。

4.4.2 計(jì)算中的假設(shè)

使用試驗(yàn)中的測(cè)量和得出的計(jì)算去推斷相對(duì)實(shí)船的狀況，一些假設(shè)如下：

(1) 實(shí)船的推減因子t和伴流系數(shù)w假定與模型測(cè)量值一致。實(shí)際上實(shí)船較小邊界層的結(jié)果可以預(yù)測(cè)到較低的伴流系數(shù)，這將使實(shí)船的船體效率低于模型測(cè)量值，并可能因此對(duì)需求功率產(chǎn)生負(fù)面影響。

(2) 計(jì)算中采用的受風(fēng)面積為2 928 m2(采用系數(shù)Cs=1.0)，相對(duì)于整個(gè)載貨甲板滿載風(fēng)機(jī)部件的狀態(tài)。假設(shè)附加蒲福風(fēng)力兩級(jí)逆風(fēng)2.45 m/s。沒有更進(jìn)一步的余量或修正應(yīng)用到速度預(yù)測(cè)的計(jì)算中。

5 試驗(yàn)結(jié)論分析

在球鼻艏上部連接艏部的過(guò)渡區(qū)域附近興起較為明顯的湍流，湍流向船艏部過(guò)渡傳遞，湍流波浪穿過(guò)船前部舷側(cè)兩肩位置，逐漸延續(xù)至艉部的波浪相對(duì)平緩。模型試驗(yàn)中的阻力測(cè)量和使用CFD方法預(yù)測(cè)的阻力一致。由于船型的創(chuàng)新性和特有的船底樁靴端部凸出的細(xì)節(jié)對(duì)于附加阻力的影響不確定，因此實(shí)船的阻力預(yù)測(cè)未知。此外，基于試驗(yàn)方法和計(jì)算應(yīng)用中的假設(shè)，在11 400 kW的有效軸功率和5.3 m吃水狀態(tài)下，預(yù)測(cè)實(shí)船可達(dá)到12.3 kn的航速。由于推進(jìn)試驗(yàn)是在試驗(yàn)水池的開放平靜水域中進(jìn)行，與實(shí)船相比還存在試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤七M(jìn)器的機(jī)械效率方面的差異，模型的推進(jìn)器功率和負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定，因此基于試驗(yàn)的計(jì)算和分析對(duì)實(shí)船的狀態(tài)評(píng)估和速度預(yù)測(cè)方面，還是存在不確定性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文中的海上風(fēng)電安裝船的船型試驗(yàn)開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)同類海工產(chǎn)品從船型設(shè)計(jì)到建造的先河，為今后研究和設(shè)計(jì)建造同類型和相似類型的海工產(chǎn)品積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)船舶與海洋工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造能力的進(jìn)一步自主創(chuàng)新提供了有益的參考。

Analysis and Research of Hull Model Test for Offshore Jack-up Wind Turbine Installation Vessel

LIU Jian-feng

(COSCO Nantong Shipyard, Nantong Jiangsu 226005, China)

This article mainly expounds the models test and relevant calculation & analysis of the wind turbine installation vessel with self-propelled & jack-up ability at the hull design stage, and provides reference experience and assistance for the design & research of similar vessels & marine engineering equipments.

Wind turbine installation vessel Model test Velocity Resistance Propulsion Flow pattern

劉建峰(1978-)，男，工程師。

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