劉中柏 ，唐友剛 ，王涵 ，楊鋼 ，林維學 ，李嘉文

(天津大學建筑工程學院水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072)

由于環(huán)境污染和能源短缺，可再生資源受到廣泛的重視［1］。風力發(fā)電日益成為新能源中最具開發(fā)條件和最有發(fā)展前景的發(fā)電方式，我國風能資源豐富，尤其是在水深大于50 m的海域，因此海上風力發(fā)電日益成為一種具有戰(zhàn)略意義的新能源形式，海上浮式風機也越來越受到各個國家的重視。

國外已經(jīng)開展了各種形式海上浮式風機模型試驗，Nielsen F G等［2］人在Hywind風機試驗中使用了電動機帶動小風機模型運轉(zhuǎn);CHRISTIAN C［3］在windfloat試驗中采用等效圓盤模擬風力機受風面積;Shinada K等［4］在半潛式試驗中在運行工況風力機等效為圓盤，生存工況下等效為3根梁，將錨泊系統(tǒng)簡化為水平方向的線性彈簧;趙靜等［5］提出使用圓盤代替風力機的等效原則。

本次試驗在國外模型試驗的基礎(chǔ)上，在對風力機和系泊系統(tǒng)模擬上給予了更充分的考慮，試驗研究得到了風機的固有周期、幅頻響應(yīng)曲線和定常風對風機運動的影響。

1 浮式風機模型模擬

1.1 浮式風機模型參數(shù)

本文以美國可再生能源研究所(NREL)公布的5 MW半潛型風機模型為例［6］，以天津大學曹菡等［7］對浮式風機的詳細設(shè)計為參照，采用1∶50的縮尺比進行制作模型和試驗研究。浮式風機適用水深為120 m，額定風速為 11.4 m/s。

表1 浮式風機模型主尺度Table 1 Main scale of the model

1.2 浮式風機模型重量參數(shù)

文中選取的坐標系:Z軸豎直向上且與塔柱的中心軸重合，零點位于水線面處;X軸和Y軸零點位于塔柱中心。浮式風機模型的重量參數(shù)如表2所示。

表2 浮式風機模型重量參數(shù)Table 2 Main weight parameters of the model

1.3 風力發(fā)電機模擬

風力發(fā)電機通過巨大的風力機(包括葉片和輪轂)將風中的動能轉(zhuǎn)化為機械能，因此風力機是風力發(fā)電機最主要的承載部件，風力機主要承受3種力:空氣動力、重力和慣性力。空氣動力載荷的模擬是風電模型試驗的重要組成部分。

Christian Cermelli等［3］在 Windfloat模型試驗中，在運行工況下將風力機可等效為圓盤，塔架頂端安裝電動機帶動金屬棒旋轉(zhuǎn)，以模擬風輪回轉(zhuǎn)效應(yīng)。雖然這種模擬簡單易操作，但并不能很好的模擬出葉片所受的空氣動力載荷，因為風機葉片產(chǎn)生的氣動風載荷，具有頻率特性，而對于運動的浮體來說，頻率特性對于運動大小影響顯著。本次試驗通過在塔架頂部安裝60 W電動機，帶動葉片以14 r/m來模擬實際風機的回轉(zhuǎn)效應(yīng)和所受空氣動力載荷。

2 系泊系統(tǒng)模擬

Shinada k等［4］在半潛式風機試驗中提出將錨泊系統(tǒng)簡化成水平方向的線性彈簧，但沒有進行錨泊系統(tǒng)測量及驗證。由于系泊鏈在水中成懸鏈形狀，浮式風機在風、浪、流中運動時，系泊鏈會受到拉力而伸長變形，因而對對系泊鏈的模型要求按實體根據(jù)幾何相似和彈性相似進行制作和模擬。

圖1 系泊布置圖Fig.1 Mooring arrangement

由于半潛型浮式基礎(chǔ)的主體由3個浮筒組成，所以使用3組錨鏈，共9根懸鏈式的錨鏈進行系泊定位。每個立柱下緣的3根錨鏈為一組，導(dǎo)纜孔位于立柱下緣，如圖1所示。本次試驗中系泊鏈是由鋼絲繩、微型錨鏈和彈簧構(gòu)成。

3 試驗流程

3.1 風機模型制作、調(diào)整及安裝

風機模型采用1∶50的縮尺比，材料為工程塑料。根據(jù)相似準則得到的模型的重量、重心位置和轉(zhuǎn)動慣量，通過在3個立柱內(nèi)添加、調(diào)整壓載鐵來調(diào)整模型的重量、重心和轉(zhuǎn)動慣量。之后把調(diào)整好的模型、系泊系統(tǒng)、風扇矩陣和光學六自由度三維運動測量儀一起安裝在水池中，如圖2所示。

圖2 半潛型浮式基礎(chǔ)風機試驗?zāi)Ｐ虵ig.2 Semi-submersible FOWT model

3.2 試驗工況

試驗工況主要分為以下3種:

1)無浪無風工況:在風機系統(tǒng)平衡位置附近，分別對風機施加垂蕩、縱蕩和縱搖激勵，使風機系統(tǒng)產(chǎn)生衰減運動，測試模型垂蕩、縱蕩和縱搖的時間歷程曲線。

2)有浪無風工況:波浪與X軸夾角為0°，波高分別取 4、10 cm，波浪周期為 1～3.6 s，每隔 0.2 s測量一組數(shù)據(jù)，記錄風機模型運動。

3)有浪有風工況:波浪與X軸夾角為0°，風速取1.6 m/s，波高10 cm，波浪周期為 1～3.6 s，每隔0.2 s測量一組數(shù)據(jù)。

4 試驗結(jié)果

4.1 自由衰減曲線

在靜水中的自由衰減曲線如圖3，根據(jù)其自由衰減曲線，得到3個自由度的固有周期如表3所示。

圖3 衰減曲線Fig.3 Decay curves

由圖3和表3可以看出，縱蕩的固有周期與理論值吻合的較好，可求得縱蕩無因次阻尼系數(shù)0.052。垂蕩的固有周期要略小于理論值，垂蕩無因次阻尼系數(shù)0.095?？v搖的固有周期比理論值稍大，誤差主要來源于試驗中葉片與輪轂的重量略大于理論值，縱搖無因次阻尼系數(shù) 0.061。

表3 固有周期Table 3 Natural periods

4.2 幅頻響應(yīng)曲線(RAOs)

浮式風機的幅頻響應(yīng)曲線RAOs如圖4所示。

圖4 幅頻響應(yīng)曲線Fig.4RAOs

由圖4幅頻響應(yīng)曲線可看出，浮式風機的垂蕩在波浪周期小于21 s時運動幅度逐漸最大，并在21 s是達到峰值1.18 m，之后穩(wěn)定在1.1 m左右;在縱蕩自由度上，運動幅度隨周期的增大一直增大，基礎(chǔ)在短周期波浪(高頻)區(qū)域運動幅值較小，在周期25 s時運動幅值達到1.3 m，隨波浪周期的增大運動響應(yīng)變化基本呈線性變化;在縱搖自由度上，浮式風機運動幅度在波浪周期5～10 s有增大的趨勢，之后逐漸減小，到17 s時達到最小為0.50°，之后隨波浪周期增大而不斷增大。

4.3 不同海況下的運動響應(yīng)

改變風速、和波高，測試了不同海況下的浮式基礎(chǔ)風機的運動響應(yīng)，共測試了5組，限于篇幅所限，本文僅給出部分結(jié)果。

4.3.1 波浪作用的運動響應(yīng)

波高5 m，波浪周期14.1 s，3個自由度的時間歷程曲線如圖5所示。針對以上時間歷程曲線，進行頻譜分析，結(jié)果如圖6所示。由圖5得到，浮式風機垂蕩幅值 0.98 m，縱蕩幅值 1.66 m，縱搖幅值 0.71°。從頻譜分析圖中可以看出，頻譜圖中的兩個峰值點分別是在浮式風機固有頻率和波浪頻率處，結(jié)果吻合的較好。海況取波高5 m，波浪周期為7～25 s，浮式風機的運動響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖5 無風海況下的時間歷程曲線Fig.5 Response history in the calm sea

圖6 無風海況下頻譜圖Fig.6 Spectrum without wind in the calm sea

圖7 無風海況下幅值響應(yīng)曲線Fig.7 response in the calm sea

4.3.2 風浪聯(lián)合作用的運動響應(yīng)

取海況波高 5 m，波浪周期 14.1 s，風速 11.4 m/s，3個自由度的時間歷程曲線如圖8所示。

圖8 11.4 m/s風速下的時間歷程曲線Fig.8 Response history when the wind speed is 11.4 m/s

針對上述時間歷程曲線進行頻譜分析，得到如下結(jié)果。由圖8可以得到，浮式風機垂蕩幅值0.78 m，縱蕩幅值1.66 m，縱搖幅值0.67°。從頻譜分析圖9中可以看出，頻譜圖中的兩個峰值點分別是在浮式風機固有頻率和波浪頻率處，結(jié)果吻合的較好。海況取波高5 m，風速 11.4 m/s，波浪周期為7～25 s，浮式風機的運動響應(yīng)曲線圖10所示。

圖9 11.4 m/s風速下的頻譜圖Fig.9 Spectrum when the wind speed is 11.4 m/s

從圖10中可以看出，在定常風試驗中，浮式風機的縱蕩和垂蕩運動響應(yīng)曲線與無風試驗結(jié)果基本保持一致;縱搖同樣是隨著波浪周期是增大-減小-增大的趨勢。

圖10 11.4 m/s風速下的幅值響應(yīng)曲線Fig.10 response when the wind speed is 11.4 m/s

通過以上2組試驗，根據(jù)圖7、10的結(jié)果對比，可以看出定常風對垂蕩和縱蕩幾乎沒有影響，在縱搖上，在短周期(高頻)區(qū)域影響很小，在周期15 s之后，有風的縱搖幅值要明顯大于無風時的縱搖。從表4中可以看出由風引起的縱搖占浮式風機縱搖的10%～40%。

表4 縱搖對比表Table 4 Comparison of pitch

5 結(jié)論

本文針對5 MW海上風機半潛型浮式基礎(chǔ)進行模型試驗研究，通過對結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論:

1)通過自由衰減試驗可以看出浮式風機的固有周期與理論值吻合的較好，并得到了3個自由度的無因次阻尼系數(shù)。

2)通過幅頻響應(yīng)曲線可以看出，3個自由度的運動響應(yīng)均比較小，浮式風機運動性能良好。

3)定常風對浮式風機的垂蕩和縱蕩影響很小，對縱搖在波浪長周期處(低頻)有較大影響，隨著波浪周期和風速不同，影響在10%～40%。

［1］HYUNKYOUNG S，BYUNGCHEOL K.Motion of OC45 MW semi-submersible offshore wind turbine in irregular waves［C］//Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean，Offshore and Arctic Engineering.Nantes，2013.

［2］NIELSEN F G，HANSON T D，SKAARE B.Integrated dynamicanalysis of floating offshore wind turbines［C］//Proceedings of the ASME 2006 25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.Hamburg，Germany，2006:1-9.

［3］CHRISTIAN C，DOMINIQUE R.Windfloat:a floating foundation for offshore wind turbines［C］//Proceedings of the ASME 2009 28th International Conference on Ocean，Offshore and Arctic Engineering.Honolulu，ASME，2009.

［4］SHINADA K，MIYAKAWA M，ISHINARA T.A study on a semi-submersible floating offshore wind energy conversion system［C］//Proceedings of the Sixteenth International Offshore and Polar Engineering Conference.Lisbon，Portugal，2007:348-355.

［5］趙靜，張亮.模型試驗技術(shù)在海上浮式風電開發(fā)中的應(yīng)用［J］.中國電力，2011，44(9):55-60.ZHAO Jing，ZHANG Liang.Model test technology in the application of the floating foundation of wind power［J］.E-lectric Power，2014，44(9):55-60.

［6］JONKMAN S，BUTTERFIELD W.Musial and G scott definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development［R］.NREL/TP-500-38060，2009.

［7］曹菡，唐友剛，陶海成，等.海上風機半潛型浮式基礎(chǔ)設(shè)計及幅頻運動特性研究［J］.海洋工程，2013，31(2):61-67.CAO Han，TANG Yougang，TAO Haicheng，et al.Study on the design and frequency domain analysis of semi-submersible foundation for offshore wind turbine［J］.The Ocean Engineering，2013，31(2):61-67.