丁紅巖， 韓彥青3， 張浦陽(yáng)， 樂叢歡

(1. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津 300072；3. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在不同風(fēng)況下的動(dòng)力特性研究

丁紅巖1，2，3， 韓彥青3， 張浦陽(yáng)1，2，3， 樂叢歡1，3

(1. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津 300072；3. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

綜合半潛式、Spar式、張力腿式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的特點(diǎn)，提出一種新型全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，并采用FAST軟件耦合水動(dòng)力-空氣動(dòng)力-控制系統(tǒng)-系泊系統(tǒng)對(duì)不同風(fēng)況下的浮式風(fēng)機(jī)及全潛式浮式基礎(chǔ)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明全潛式浮式風(fēng)機(jī)塔筒的自振頻率及基礎(chǔ)六自由度的自振頻率能夠較好的避開常見海浪的頻率及風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率1P、3P等。全潛式浮式風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)況下具有較好的運(yùn)動(dòng)特性，全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在不同風(fēng)況下的橫蕩、垂蕩、縱搖與風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下受到的推力相關(guān)。

浮式風(fēng)機(jī)；全潛式基礎(chǔ)；湍流風(fēng)；FAST；動(dòng)力特性

在快速增長(zhǎng)的風(fēng)電建設(shè)當(dāng)中，海上風(fēng)電近年來成為焦點(diǎn)。未來海上風(fēng)電更將向較深的海域(水深50～300 m)發(fā)展[1]，但是按照目前海上風(fēng)電場(chǎng)固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，海上風(fēng)電建設(shè)成本將會(huì)急劇增大。浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為未來海上風(fēng)電發(fā)展的方向，逐漸受到人們的青睞。浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可以分為三類：半潛式、Spar式(單立柱)以及張力腿式[2]。其中，半潛式主要依靠其較大的水線面來維持浮式風(fēng)機(jī)正常工作所需要的穩(wěn)性，但是這樣就會(huì)使基礎(chǔ)的尺寸較大，增加結(jié)構(gòu)的建造成本；Spar式基礎(chǔ)的重心比浮心低，因此能在海水中保持穩(wěn)定，但是由此帶來的一個(gè)缺點(diǎn)就是基礎(chǔ)的吃水增大，適用水深范圍較小；張力腿式基礎(chǔ)主要依靠多根張力筋腱與海床相連，通過筋腱提供的張力來保證穩(wěn)性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的研究重點(diǎn)主要集中在新型的基礎(chǔ)型式及其在各種海況下的運(yùn)行穩(wěn)定性研究。挪威國(guó)家石油公司Statoil提出一種Spar式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)Hywind[3]，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)及原型試驗(yàn)研究。WindFloat是一種半潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，由RODDIER等[4]提出，WindFloat由三個(gè)立柱組成，其中一個(gè)立柱上安裝有5MW風(fēng)機(jī)；研究及原型試驗(yàn)表明該基礎(chǔ)系泊及安裝費(fèi)用較少，且可整機(jī)拖航。MIT及美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室提出了一種新型TLP型浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)MIT/NREL TLP，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究表明該基礎(chǔ)在風(fēng)浪流作用下的運(yùn)動(dòng)特性較好，發(fā)電效率較高[5]。唐友剛等人對(duì)半潛式及Spar式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)也進(jìn)行了相關(guān)研究，其研究較多的關(guān)注基礎(chǔ)在水動(dòng)力下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，忽略了上部風(fēng)荷載的動(dòng)力影響[6]。

本文結(jié)合三種浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式的優(yōu)點(diǎn)，提出一種新型的浮式基礎(chǔ)型式，即全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。本文采用FAST[7](fatigue，aerodynamics，structures，turbulence)軟件耦合水動(dòng)力-空氣動(dòng)力-控制系統(tǒng)-系泊系統(tǒng)研究了全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的自振頻率及其在不同風(fēng)況下的動(dòng)力特性，研究表明基礎(chǔ)的自振頻率能夠避開風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率1P和3P等；得到了浮式風(fēng)機(jī)及其全潛式浮式基礎(chǔ)的動(dòng)力特性。

1 全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

1.1 基礎(chǔ)型式

全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)包括立柱、立式浮箱、臥式浮箱、撐桿、錨鏈組成。如圖1所示，四個(gè)立式浮箱及四個(gè)水平浮箱在風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況下全部淹沒在平均海平面以下，立式浮箱上表面位于海平面以下8 m，為浮式風(fēng)機(jī)的主要浮力來源；單個(gè)立柱位于四個(gè)浮箱的中心，其上部與風(fēng)機(jī)的塔筒相連，并于通過圓撐桿及橫撐與浮箱連成一個(gè)整體；全潛式浮式風(fēng)機(jī)及基礎(chǔ)通過四組系泊纜(每組兩根)與海床相連，基礎(chǔ)的具體參數(shù)見表1。全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具有以下特點(diǎn)：

(1)如圖2所示，拖航運(yùn)輸工況下基礎(chǔ)吃水較淺，如同半潛式基礎(chǔ)，可連同上部風(fēng)機(jī)一起整體浮運(yùn)拖航，浮運(yùn)拖航穩(wěn)性由基礎(chǔ)拖航工況下較大的水線面提供。

(2)在位狀態(tài)下，基礎(chǔ)的水線面面積小，如同Spar型基礎(chǔ)，波浪荷載較??；浮箱頂部距離水面較大， 受波浪影響小(見圖1)。

(3)在位狀態(tài)下，基礎(chǔ)通過張緊的錨鏈與海床相連，如同張力腿式基礎(chǔ)，整體運(yùn)動(dòng)性能較好，結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力較小，發(fā)電穩(wěn)定。

圖1 在位狀態(tài)下的全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)Fig.1 Submersible foundation for floating wind turbine in operation condition

圖2 拖航工況下的全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)Fig.2 Submersible foundation in towing condition

參數(shù)數(shù)值基礎(chǔ)吃水/m20.0立柱直徑/m6.0立式浮筒直徑/m9.0立式浮筒高度/m12.0立式浮筒中心間距/m40.0水平浮筒寬度和高度/m5.0,3.0基礎(chǔ)質(zhì)量/kg2.734×106基礎(chǔ)排水體積/m36114.0基礎(chǔ)重心距水面距離/m-16.79基礎(chǔ)橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)7.62×108基礎(chǔ)縱搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)7.62×108基礎(chǔ)艏搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)1.36×109

圖3所示為全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與MIT/NREL TLP的對(duì)比：MIT/NREL TLP質(zhì)量為全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)質(zhì)量的3倍，排水體積前者為后者的2倍，即MIT/NREL TLP在材料用量上要高于全潛式基礎(chǔ)。在位吃水前者約為后者的2.4倍，說明全潛式基礎(chǔ)適用淺水水域的范圍更大?？烧麢C(jī)拖航運(yùn)輸為全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和MIT/NREL TLP的設(shè)計(jì)理念之一，全潛式浮式風(fēng)機(jī)整機(jī)拖航時(shí)吃水為5.76 m，而MIT/NREL TLP在整機(jī)拖航時(shí)吃水為35.7 m，不適宜淺水航道。在整機(jī)拖航時(shí)，全潛式浮式風(fēng)機(jī)的定傾中心高度為MIT/NREL TLP的4.2倍。

圖3 全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)特性與MIT/NREL TLP對(duì)比Fig.3 Comparisons of characteristics between submersible foundation and MIT/NREL TLP

1.2 風(fēng)機(jī)及系泊系統(tǒng)參數(shù)

全潛式浮式基礎(chǔ)上部的風(fēng)機(jī)選取NREL-5MW風(fēng)機(jī)，其具體參數(shù)如表2。系泊系統(tǒng)采用4組共8根系泊纜對(duì)稱布置，其具體參數(shù)參考文獻(xiàn)[9]，如表3所示。

表2 NREL-5MW浮式風(fēng)機(jī)參數(shù)[8]Tab.2 Parameters of the NREL-5MW floating wind turbine

表3 系泊纜參數(shù)Tab.3 Parameters of mooring system

2 計(jì)算理論

2.1 荷載理論

(1)湍流風(fēng)的生成

海上浮式風(fēng)機(jī)受風(fēng)面積大，且對(duì)風(fēng)很敏感。風(fēng)產(chǎn)生具有重要影響的平均作用力，同時(shí)也會(huì)引起頻率范圍很大的動(dòng)荷載。但是，目前一些研究浮式風(fēng)機(jī)的學(xué)者卻對(duì)風(fēng)荷載對(duì)浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)影響關(guān)注很少。多數(shù)研究者將其等效成定常力。這對(duì)于研究浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)是不準(zhǔn)確的。

Turbsim軟件[10]可以模擬隨機(jī)的、全域的湍流風(fēng)。通過在頻域內(nèi)定義三個(gè)方向的風(fēng)速譜及空間相關(guān)性，經(jīng)過傅里葉逆變換生成湍流風(fēng)速時(shí)間序列作為風(fēng)荷載的輸入。本文選取IEC 61400-3規(guī)范[11]中的Kaimal模型，三個(gè)方向的風(fēng)速譜為：

(1)

式中，K=u,v,w為三個(gè)方向的風(fēng)速，f為風(fēng)的頻率，LK為整體尺度參數(shù)。

(2)

式中，湍流尺度參數(shù)ΛU=0.7·min(60,HubHt)，HubHt為輪轂高度。

(2)葉片氣動(dòng)荷載

湍流風(fēng)作用于風(fēng)機(jī)葉片上的氣動(dòng)荷載采用Aerodyn軟件計(jì)算。Aerodyn軟件基于葉素動(dòng)量理論和動(dòng)態(tài)尾流模型，能較為準(zhǔn)確的計(jì)算出作用于風(fēng)機(jī)葉片上的氣動(dòng)荷載。

(3)塔筒風(fēng)荷載

作用于風(fēng)機(jī)塔筒上的風(fēng)荷載通過下式求得：

(3)

式中，F(xiàn)為作用在塔筒上的風(fēng)荷載，ρ為空氣密度，D為塔筒直徑，L為塔筒長(zhǎng)度，CD為空氣拖曳系數(shù)，V為瞬時(shí)風(fēng)速。

(4)波浪荷載

全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中的浮箱及立柱部分受到的波浪荷載通過勢(shì)流理論計(jì)算得到；而基礎(chǔ)中的支撐圓管受到的波浪力采用莫里森公式計(jì)算[12]。

2.2 海上浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程

海上浮式風(fēng)機(jī)在風(fēng)浪作用下的運(yùn)動(dòng)方程如下：

(j=1,2,3,4,5,6)

(4)

式中：Mjk為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣，包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩；Ajk是附加質(zhì)量矩陣分量；Bjk為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；Cjk為結(jié)構(gòu)的回復(fù)剛度矩陣，恢復(fù)矩陣由靜水恢復(fù)剛度矩陣和系泊力恢復(fù)剛度矩陣組成；Fj為浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)受到的外界荷載，包括風(fēng)荷載，波浪荷載，系泊荷載等。

3 全潛式浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)特性

3.1 計(jì)算模型

本文采用FAST軟件，耦合水動(dòng)力-空氣動(dòng)力-控制系統(tǒng)-錨鏈系統(tǒng)對(duì)海上浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬，模擬時(shí)長(zhǎng)為800 s，浮式風(fēng)機(jī)所在海域水深設(shè)置為200 m，坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)坐標(biāo)系Fig.4 Coordinate system of the submersible foundation

(1)風(fēng)況

分別模擬平均風(fēng)速為3、8、11.4、18、25 m/s的全域湍流風(fēng)，記為風(fēng)況1～5，即切入風(fēng)速、低于額定風(fēng)速、額定風(fēng)速、高于額定風(fēng)速和切出風(fēng)速。風(fēng)況2下的三個(gè)方向的湍流風(fēng)時(shí)間序列如圖5,風(fēng)況1～5下x方向的湍流風(fēng)時(shí)間序列如圖6。

圖5 風(fēng)況2三個(gè)方向的湍流風(fēng)速Fig.5 Three dimensional turbulent wind speed of wind condition 2

圖6 風(fēng)況1-5下x方向湍流風(fēng)速Fig.6 Turbulent wind speed of condition 1-5 in x-direction

(2)波浪

模型選取波高為4 m，周期為8 s的規(guī)則波進(jìn)行模擬，全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的附加質(zhì)量系數(shù)、阻尼系數(shù)及一階波浪力系數(shù)通過WADAM軟件[13]求得，并作為FAST軟件的水動(dòng)力輸入文件。

(3)控制系統(tǒng)

在風(fēng)況1～4情況下，浮式風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)采取變槳、變速控制；而在風(fēng)況5情況下，風(fēng)速達(dá)到風(fēng)機(jī)的切出風(fēng)速，控制系統(tǒng)采取定時(shí)順槳控制，即在模擬100 s時(shí)風(fēng)機(jī)葉片變?yōu)轫槝?/p>

3.2 自振頻率

(1)全潛式浮式風(fēng)機(jī)的自振頻率

考慮附加質(zhì)量，勢(shì)流阻尼，靜水回復(fù)剛度及系泊剛度在內(nèi)的全潛式浮式風(fēng)機(jī)的自振頻率如表4、5。全潛式浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的坎貝爾圖如圖7。全潛式浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及六自由度運(yùn)動(dòng)的自振頻率均能較好的避開常見的海浪頻率和風(fēng)機(jī)運(yùn)行的1P(0.2 Hz)、3P(0.6 Hz)等[14]。

圖7 全潛式浮式風(fēng)機(jī)坎貝爾圖Fig.7 Campbell diagram of tower and foundation

一階塔架前后振動(dòng)一階塔架左右振動(dòng)二階塔架前后振動(dòng)二階塔架左右振動(dòng)頻率/Hz0.8800.7932.5402.036

表5 全潛式浮式基礎(chǔ)的自振頻率Tab.5 Natural frequency of the submersible foundation

3.3 不同風(fēng)況下全潛式浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力特性

不同風(fēng)況下，浮式風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不同。本文模擬了風(fēng)機(jī)在切入風(fēng)速，低于額定風(fēng)速，額定風(fēng)速，高于額定風(fēng)速及切出風(fēng)速風(fēng)況下的浮式風(fēng)機(jī)及全潛式基礎(chǔ)的動(dòng)力特性。主要包括浮式風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率、基礎(chǔ)橫蕩、垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)及纜繩拉力的變化。

圖8所示為浮式風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)況下的發(fā)電功率的變化。由圖中可以看出，在風(fēng)況1即切入風(fēng)速下，發(fā)電功率較??；在風(fēng)況2下，浮式風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率未達(dá)到額定發(fā)電功率，功率變化幅度較大；在風(fēng)況3下，雖然平均風(fēng)速為11.4 m/s，但是由于湍流風(fēng)速的波動(dòng)特性，風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率隨著風(fēng)速的變化同樣出現(xiàn)很大的波動(dòng)；在風(fēng)況4下，浮式風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率達(dá)到額定功率，風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定；在風(fēng)況5下，由于湍流風(fēng)的波動(dòng)，瞬時(shí)風(fēng)速可能超過30 m/s,風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)在100 s時(shí)將風(fēng)機(jī)葉片變?yōu)轫槝L(fēng)機(jī)的發(fā)電功率在100 s時(shí)變?yōu)樵? kW處波動(dòng)。

圖8 不同風(fēng)況下的發(fā)電功率Fig.8 Power of the wind turbine in different wind conditions

風(fēng)機(jī)受到的推力與風(fēng)速相關(guān)，如圖9[15]。全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)隨著推力的變化而變化，同時(shí)也影響著風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率及風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。圖10～15為全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)橫蕩、垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)及其隨風(fēng)速的變化規(guī)律。由于模擬的湍流風(fēng)風(fēng)向?yàn)閤方向，湍流風(fēng)在y方向的速度分量較小，所以全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的縱蕩、橫搖及艏搖變化較小，在本文中未一一列出。

圖9 風(fēng)機(jī)推力曲線Fig.9 Thrust force curve

圖10 基礎(chǔ)不同風(fēng)速下的橫蕩Fig.10 Surge of the submersible foundation

圖11 基礎(chǔ)不同風(fēng)速下的橫蕩統(tǒng)計(jì)Fig.11 Surge statistics of the submersible foundation

圖12 基礎(chǔ)不同風(fēng)速下的垂蕩Fig.12 Heave of the submersible foundation

圖13 基礎(chǔ)不同風(fēng)速下的垂蕩統(tǒng)計(jì)Fig.13 Heave statistics of the submersible foundation

圖14 基礎(chǔ)不同風(fēng)速下的縱搖Fig.14 Pitch of the submersible foundation

圖15 基礎(chǔ)不同風(fēng)速下的橫蕩統(tǒng)計(jì)Fig.15 Pitch statistics of the submersible foundation

由圖10可以看出，全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在風(fēng)況3下橫蕩最大，最大橫蕩位移達(dá)到6.3 m，在風(fēng)況1、2、4下的橫蕩位移較小，最大值分別為0.2 m、5.3 m和4.6 m，這是由于風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下受到的推力不同引起的：在切入風(fēng)速及低于額定風(fēng)速下，風(fēng)機(jī)受到的推力較小，額定風(fēng)速時(shí)風(fēng)機(jī)受到的推力達(dá)到最大，而高于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)受到的推力減??；在風(fēng)況5下，全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的橫蕩在前100 s內(nèi)較大，最大值為3.1 m,100 s后減小為1 m左右，這是由于控制系統(tǒng)將葉片變?yōu)轫槝瑴p小了風(fēng)機(jī)受到的水平推力。圖11所示為全潛式浮式基礎(chǔ)的橫蕩與同樣海況下MIT/NREL TLP橫蕩運(yùn)動(dòng)的對(duì)比，可以看出，全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在各風(fēng)況下的橫蕩變化規(guī)律與MIT/NREL TLP的變化規(guī)律相同，且兩者橫蕩位移的最大值與最小值相差不大。浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)橫蕩運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，將會(huì)受到系泊纜繩的回復(fù)拉力，同時(shí)引起基礎(chǔ)垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，如圖12所示，由于全潛式浮式基礎(chǔ)在風(fēng)況3下橫蕩位移較大，故基礎(chǔ)的垂蕩變化的幅度也較為明顯，最大垂蕩位移為-0.18 m。圖13所示，由于MIT/NREL TLP質(zhì)量大于全潛式浮式基礎(chǔ)，在不同風(fēng)況下的其垂蕩最大值與最小值均略小于全潛式基礎(chǔ)。如圖14所示，基礎(chǔ)在不同風(fēng)況下縱搖角的變化規(guī)律與基礎(chǔ)橫蕩位移的變化規(guī)律相似，即基礎(chǔ)在風(fēng)況3情況下縱搖最大為0.34°，在風(fēng)況1、2、4下的縱搖角較小。圖15所示，全潛式基礎(chǔ)在不同風(fēng)況下的縱搖角最大值略大于MIT/NREL TLP,但是全潛式基礎(chǔ)縱搖角最小值小于后者，在0°附近波動(dòng)。

圖16為全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)系泊纜繩的拉力變化。圖17為1號(hào)纜繩拉力在各風(fēng)況下的統(tǒng)計(jì)，1號(hào)纜繩位于浮式風(fēng)機(jī)的下風(fēng)向，其在不同風(fēng)況下的變化同基礎(chǔ)的橫蕩具有相反的規(guī)律：即在風(fēng)況3情況下，纜繩拉力較小，在風(fēng)況1、2和4情況下，纜繩拉力變大；基礎(chǔ)的橫蕩引起下風(fēng)向系泊纜繩拉力的減小，上風(fēng)向系泊纜繩拉力增加；在風(fēng)況5情況下，100 s后纜繩拉力有小幅增加，這是由于順槳控制后，浮式風(fēng)機(jī)受到的推力減小，基礎(chǔ)橫蕩位移減小，下風(fēng)向系泊纜繩張緊，拉力增加。

圖16 1號(hào)纜繩拉力Fig.16 Tension of the mooring line 1

圖17 1號(hào)纜繩拉力統(tǒng)計(jì)Fig.17 Tension statistics of the mooring line 1

4 結(jié) 論

本文綜合三種浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)提出一種新型全潛式浮式基礎(chǔ)，并耦合水動(dòng)力-空氣動(dòng)力-控制系統(tǒng)-系泊系統(tǒng)對(duì)全潛式浮式基礎(chǔ)及其支撐的NREL-5MW風(fēng)機(jī)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析。分析表明，全潛式浮式風(fēng)機(jī)的自振頻率能夠較好的避開常見的海浪頻率及風(fēng)機(jī)自轉(zhuǎn)引起的振動(dòng)頻率。全潛式浮式風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)況下具有較好的運(yùn)動(dòng)特性，全潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在不同風(fēng)況下的橫蕩、縱搖與風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下受到的推力相關(guān)。

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Dynamic analysis of the submersible foundation for floating wind turbine in different wind conditions

DING Hongyan1,2,3，HAN Yanqing3，ZHANG Puyang1,2,3， LE Conghuan1,3

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety (Tianjin University), Ministry of Education, Tianjin 300072, China; 3. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Synthesizing the advantages of the semi-submersible, Spar and TLP types of floating offshore wind turbine foundations, a new type of submersible foundation for floating wind turbines was put forward. A coupled dynamic analysis of the wind turbine and its submersible foundation in different wind conditions was carried out by using the FAST software. The results show that the natural frequencies of the tower combined with the submersible foundation are of no coincidence with the normal wave frequencies and the 1P and 3P operating frequencies of the wind turbine. The surge and pitch of the submersible foundation are correlated with the wind turbine thrust force in different wind conditions.

floating wind turbine; submersible foundation; turbulent wind; FAST; dynamic analysis

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309179)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃(13JCYBJC19100)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃(14JCQNJC07000)

2015-08-17 修改稿收到日期：2016-02-02

丁紅巖 男，博士，教授，1963年生

樂叢歡 女，博士，副教授，1983年生

P751；P752

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.06.031