楊永春，劉坤寧，李響亮，魏翔宇，潘科仲

(1. 中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 中誠國際海洋工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266000)

氣流噴射模擬海上浮式風(fēng)電結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)載荷實(shí)驗(yàn)技術(shù)初探

楊永春1，劉坤寧2，李響亮1，魏翔宇1，潘科仲1

(1. 中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 中誠國際海洋工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266000)

隨著海上風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，海上風(fēng)電逐漸由淺海走向深海，海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式將逐漸由固定式發(fā)展到漂浮式。在浮式風(fēng)電結(jié)構(gòu)的模型實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)機(jī)載荷的模擬是保證實(shí)驗(yàn)效果的重要因素。針對浮式風(fēng)電結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)中風(fēng)機(jī)載荷的模擬問題，提出了一種新型的基于氣流噴射、利用氣流反作用力模擬風(fēng)機(jī)載荷的實(shí)驗(yàn)方法并進(jìn)行了初步驗(yàn)證。通過標(biāo)定得到氣流控制信號與反作用力的關(guān)系，將數(shù)值模擬得到的原型風(fēng)機(jī)載荷時(shí)程轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號，同時(shí)針對實(shí)驗(yàn)裝置對氣流變化的響應(yīng)特性，對控制信號進(jìn)行頻域和時(shí)域修正，驅(qū)動(dòng)氣流噴射以模擬風(fēng)機(jī)作用力和力矩。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，載荷模擬裝置產(chǎn)生的載荷在時(shí)域和頻域上都能與模型實(shí)驗(yàn)所需風(fēng)機(jī)載荷保持較好的一致性，證明該方法可行。

綠色能源；浮式風(fēng)電；模型實(shí)驗(yàn)；氣流噴射；載荷模擬

E-mail：yycyw@ouc.edu.cn

目前，已經(jīng)實(shí)際安裝的海上浮式風(fēng)力機(jī)僅有幾臺樣機(jī)，包括挪威Sway、Hywind以及英國的Blue H?，F(xiàn)有海上浮式風(fēng)電結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)研究主要是參考油氣平臺實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行。盡管挪威船級社、德國勞氏船級社和美國船級社有關(guān)規(guī)范中提到了浮式風(fēng)力機(jī)，但均沒有詳細(xì)的說明。針對海上浮式風(fēng)電模型實(shí)驗(yàn)及風(fēng)機(jī)載荷特性[1]，國內(nèi)外已經(jīng)展開了多種形式的研究。目前已進(jìn)行的模型實(shí)驗(yàn)數(shù)量有限，也存在一些不足之處，但這些實(shí)驗(yàn)非常具有創(chuàng)新性，對以后的模型實(shí)驗(yàn)具有重要的借鑒意義。

挪威Hywind風(fēng)機(jī)載荷模擬是按縮尺比制作小風(fēng)機(jī)，用風(fēng)機(jī)矩陣模擬風(fēng)場[2]，其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。美國WindFload 模型實(shí)驗(yàn)中風(fēng)機(jī)載荷的施加是將風(fēng)機(jī)等效為圓盤，用電機(jī)帶動(dòng)金屬棒模擬風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩[3]，如圖2所示。日本半潛式結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)將風(fēng)機(jī)在工作狀況下作用效果等效為圓盤，將風(fēng)機(jī)在生存狀況下的作用效果等效為梁[4]，如圖3所示。

圖1 挪威Hywind 圖2 美國WindFloat Fig. 1 Norway Hywind Fig. 2 American WindFloat

圖3 日本半潛式Fig. 3 Japan semi-submersible

國內(nèi)對浮式風(fēng)電模型試驗(yàn)的研究也已經(jīng)開展。2011年，哈爾濱工程大學(xué)在海上浮式風(fēng)電結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)的研究中，忽略氣動(dòng)載荷的特性，將風(fēng)力機(jī)載荷等比例縮小為定常載荷[5]。2011年，任年鑫在哈爾濱工業(yè)大學(xué)風(fēng)洞浪槽聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行浮式風(fēng)電系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)[6]?；陲L(fēng)載荷縮尺模型靜力等效的原則，實(shí)驗(yàn)中葉片不旋轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)載荷等效為不同風(fēng)速下固定迎風(fēng)面積下的靜力。上海交通大學(xué)的彭濤等人對水池模擬風(fēng)場做過理論研究和模型實(shí)驗(yàn)[7]。

現(xiàn)有浮式風(fēng)電模型實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)機(jī)載荷模擬通常做法：一是將風(fēng)機(jī)作用效果等效為旋轉(zhuǎn)圓盤[3-4]，二是將其等效為定常載荷[5]，三是按模型幾何縮尺比制作小風(fēng)機(jī)模型，使用風(fēng)機(jī)矩陣模擬風(fēng)場[2]。

由于風(fēng)載荷的隨機(jī)性，由風(fēng)載荷引起的風(fēng)機(jī)載荷是隨機(jī)載荷，隨著時(shí)間不斷變化。因此無論將風(fēng)機(jī)作用效果等效為旋轉(zhuǎn)圓盤或是將其等效為定常載荷，均難以模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)載荷變化規(guī)律。按模型幾何縮尺比制作小風(fēng)機(jī)模型首先難以滿足介質(zhì)相似定律，其次使用小風(fēng)機(jī)模型模擬的載荷與實(shí)際風(fēng)機(jī)載荷按模型縮尺比得到的風(fēng)機(jī)載荷也是不同的。因此現(xiàn)有浮式風(fēng)電模型實(shí)驗(yàn)難以同時(shí)滿足多個(gè)相似準(zhǔn)則，難以在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生滿足相似性的載荷(大小和頻譜特性均滿足相似性)[8]。

1 風(fēng)機(jī)載荷模擬方法可行性分析

在風(fēng)電行業(yè)，采用GH bladed 軟件模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行是被廣泛認(rèn)可的。GH bladed 軟件可以模擬風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并可以提取風(fēng)機(jī)對塔架作用載荷時(shí)程，這些載荷包括三個(gè)方向的力和三個(gè)力矩時(shí)程。因此，在對風(fēng)電塔架支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)，可以對所得到的風(fēng)機(jī)載荷進(jìn)行縮比尺模擬。

在固定式風(fēng)電結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)中，可以利用固定的平臺模擬風(fēng)機(jī)載荷，而浮式風(fēng)電結(jié)構(gòu)是浮動(dòng)的，無法采用固定的平臺模擬風(fēng)機(jī)載荷，也難以采用直接接觸式的加載方式。因此提出基于氣流噴射、利用氣流反作用力模擬風(fēng)機(jī)載荷的加載方式。

1.1 風(fēng)機(jī)載荷特征分析

本實(shí)驗(yàn)中所模擬的風(fēng)機(jī)載荷時(shí)程由Bladed軟件模擬得到，并選取所模擬風(fēng)機(jī)載荷時(shí)程中X方向(風(fēng)機(jī)軸向)力和Z方向(垂直方向)力矩。模型實(shí)驗(yàn)幾何縮尺比選為1∶50，風(fēng)機(jī)載荷按照該縮尺比縮放之后，X方向的載荷時(shí)程如圖4，其幅值譜如圖5。從時(shí)程圖和幅值譜中可以發(fā)現(xiàn)，所需模擬的風(fēng)機(jī)載荷是低頻的，而且量級比較小。因此，采用噴氣式模擬風(fēng)機(jī)載荷是可行的。

1.2 風(fēng)機(jī)載荷模擬裝置原理

風(fēng)機(jī)載荷模擬實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖6所示。載荷模擬裝置的原理是通過不斷變化的電壓信號驅(qū)動(dòng)電磁閥控制氣流參數(shù)，以氣流噴射的反作用力模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行中對塔架產(chǎn)生的載荷時(shí)程。

實(shí)際模擬裝置如圖7所示，所用設(shè)備主要包括采集儀、電磁閥、傳感器、信號發(fā)生器以及數(shù)顯壓力調(diào)節(jié)閥等。數(shù)顯壓力調(diào)節(jié)閥的作用是控制氣壓源的參數(shù)。

圖4 X方向風(fēng)機(jī)載荷時(shí)程Fig. 4 X-wind load time-history

圖5 X方向風(fēng)機(jī)載荷幅值譜Fig. 5 X-wind load amplitude spectrum

圖6 載荷模擬裝置原理Fig. 6 Principle of load simulation device

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 7 Simulation device

2 單向力模擬

制作好實(shí)驗(yàn)裝置后，首先從模擬簡單的單向力開始。要模擬單向力，首先要確定氣流參數(shù)與反作用力之間的關(guān)系，即標(biāo)定在某一氣源壓力下，控制閥驅(qū)動(dòng)電壓與反作用力之間的關(guān)系。然后通過驅(qū)動(dòng)電壓與反作用力的擬合關(guān)系，將模型轉(zhuǎn)換得到的載荷對應(yīng)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電壓信號。

2.1 驅(qū)動(dòng)信號頻域修正

由電磁閥本身的特性，電磁閥對于不同頻率的驅(qū)動(dòng)信號響應(yīng)不同，驅(qū)動(dòng)信號頻率越高響應(yīng)越小，因此需要對驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行修正。

以不同頻率、電壓變化范圍為2～5V的正弦信號驅(qū)動(dòng)電磁閥，分別得到不同頻率下，單位驅(qū)動(dòng)電壓(V)對應(yīng)測得反作用力的變化量。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號處于低頻1 Hz時(shí)，認(rèn)為電磁閥對驅(qū)動(dòng)信號的響應(yīng)沒有損失即為1。其他頻率對應(yīng)的修正系數(shù)則為將該頻率下電磁閥對驅(qū)動(dòng)信號的響應(yīng)修正到1 Hz對應(yīng)的響應(yīng)所需要乘以的系數(shù)，得到數(shù)據(jù)及修正系數(shù)如表1所示。針對1～4 Hz之間的驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行頻域修正，不同頻段的修正系數(shù)通過表1中數(shù)據(jù)插值得到。

表1 修正系數(shù)Tab. 1 Correction factor

2.2 單向力模擬結(jié)果

將修正后的驅(qū)動(dòng)電壓信號驅(qū)動(dòng)電磁閥，得到反用力時(shí)程，如圖8所示。通過時(shí)程圖發(fā)現(xiàn)目標(biāo)載荷與實(shí)測載荷在時(shí)域一致性較好。其幅值譜對比情況如圖9所示。通過幅值譜對比可以發(fā)現(xiàn)：驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行頻域修正后實(shí)測得到載荷時(shí)程的幅值譜與目標(biāo)譜在關(guān)心頻段1～4Hz內(nèi)較為接近。

將本裝置安裝于浮體模型上，并測試所模擬的風(fēng)機(jī)載荷。測試結(jié)果表明浮式風(fēng)電結(jié)構(gòu)自身的運(yùn)動(dòng)對所模擬載荷的影響可以忽略。

因此經(jīng)過頻域修正后，所模擬載荷時(shí)程與目標(biāo)載荷時(shí)程(模型轉(zhuǎn)換得到載荷)，在時(shí)域和頻域上均能較好地吻合，能夠滿足要求。

圖8 目標(biāo)載荷時(shí)程(上)與實(shí)測載荷時(shí)程(下)對比Fig. 8 Time-history comparison

圖9 目標(biāo)載荷(上)與實(shí)測載荷(下)幅值譜對比Fig. 9 Amplitude spectrum

3 力矩模擬

海上浮式風(fēng)電風(fēng)機(jī)對浮式支撐結(jié)構(gòu)的作用力(及力矩)有六個(gè)，包括3個(gè)方向的力和3個(gè)方向的力矩。為了使實(shí)驗(yàn)裝置能夠應(yīng)用于海上浮式風(fēng)電模型實(shí)驗(yàn)中，將使用基于氣流噴射的實(shí)驗(yàn)裝置模擬風(fēng)機(jī)對浮式風(fēng)電結(jié)構(gòu)所施加的力矩。

3.1 力矩模擬原理

載荷模擬實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)氣流噴射裝置，即用兩個(gè)力模擬風(fēng)機(jī)載荷中的一個(gè)力和一個(gè)力矩。通過計(jì)算，將一個(gè)力和一個(gè)力矩轉(zhuǎn)換為兩組力時(shí)程，同時(shí)將力時(shí)程信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

3.2 測試結(jié)果

F1 實(shí)測載荷與模型轉(zhuǎn)換載荷在時(shí)域方面對比，如圖10所示，頻域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見表2。F2 實(shí)測載荷與目標(biāo)載荷在時(shí)域方面對比如圖11所示，頻域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見表3。

通過時(shí)域?qū)Ρ葓D和頻域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)：F1和F2時(shí)程載荷的模擬在時(shí)域和頻域上都能滿足與目標(biāo)載荷的一致性。

表2 F1目標(biāo)載荷和實(shí)測載荷頻域特性統(tǒng)計(jì)表Tab. 2 F1 frequency-domain indices

表3 F2目標(biāo)載荷與實(shí)測載荷頻域特性統(tǒng)計(jì)表Tab. 3 F2 frequency-domain indices

圖10 F1目標(biāo)載荷時(shí)程(上)與實(shí)測載荷時(shí)程(下)對比Fig. 10 F1 time-history comparison

圖11 F2目標(biāo)載荷時(shí)程(上)與實(shí)測載荷(下)時(shí)程對比Fig. 11 F2 time-history comparison

4 結(jié) 語

本文提出基于氣流噴射利用氣流反作用力模擬風(fēng)機(jī)載荷的方法并對其可行性進(jìn)行了初步探討，達(dá)到了預(yù)期效果。主要研究結(jié)果如下：

1)利用氣流噴射加載方法可以有效模擬風(fēng)機(jī)載荷；

2)文中所提的裝置模擬風(fēng)機(jī)載荷中一個(gè)方向的作用力，在時(shí)域和頻域上都能較好地滿足一致性；

3)通過使用兩套氣流噴射控制裝置，同時(shí)模擬兩個(gè)力時(shí)程來模擬風(fēng)機(jī)載荷的一個(gè)力和一個(gè)力矩也是可行的。

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Preliminary study on simulation technology of wind turbine load for offshore floating wind turbine

YANG Yongchun1, LIU Kunning2, LI Xiangliang1, WEI Xiangyu1, PAN Kezhong1

(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. China Integrity International Oceaneering, Ltd., Qingdao 266000, China)

With the rapid development of offshore wind energy industry，offshore wind turbines will be constructed not only in shallow sea but also in deep sea, and the foundational structure of offshore floating wind turbine will develop from solid foundation to floating foundation. The simulation of the wind turbine load is an important factor to ensure the results of the test. In this paper, for the simulation of wind turbine load in offshore floating wind turbine model experiment, based on the load characteristic that wind turbine load is low-frequency and the peak is small, a new load simulation device based on air injection is presented. We obtain the relationship between the airflow control signal and the reaction force by demarcation. The load obtained by numerical simulation of the wind turbine is converted to the corresponding airflow control signal, and the signal is corrected in frequency and time domains as the response characteristics of the device to airflow changes. Then we use the signal to control the airflow to simulate a force history and a moment history. Over the test, the load simulated by the device can match with the actual load in time and frequency domains, and the device can complete the simulation of the force history and the moment history.

green energy; floating wind turbine; model experiment; airflow injection; load simulation

TM614

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.02.013

1005-9865(2015)02-0105-05

2014-01-15

楊永春(1964-)，男，山東青島人，教授，從事海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)和工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。