(浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山 316022)

風能作為綠色清潔能源越來越受到人們的關(guān)注，由于海上風能具有儲備量大、利用率高、風場范圍廣等優(yōu)點，所以人們對于海洋風能的研究熱度也隨之水漲船高[1]。海上浮式風機作為一種發(fā)展前景優(yōu)越，技術(shù)尚未成熟的結(jié)構(gòu)，受到了全世界許多學者的廣泛關(guān)注。

風機平臺在不同的波浪中受到的力也不同,而塔架作為海上風機受力的一部分，其結(jié)構(gòu)強度直接影響了風機平臺的安全，研究不同波浪與風速對于塔架的影響具有重要意義。在國外CERMELLI，et al[2]在Wind Float 試驗中將運行的葉片等效圓盤，用電動機驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)來模擬葉片受風運動。國內(nèi)的王涵[3]用FAST 軟件對改進后的1.5 MW 浮式風機做了耦合時域分析，也通過自由衰減試驗對其進行了驗證。為了研究5 MW 風機在東海海域工作時塔架的安全性能，先用FAST 軟件模擬在東海平均水深下，塔架在不同規(guī)則波和風速下的振動位移，再利用水池模型試驗得到在對應工況下塔架的振動位移，通過數(shù)值和試驗的對比為5MW 風機塔架的安全工作提供一定的參考。

1 風機平臺結(jié)構(gòu)尺寸

本文實際的風機模型采用的是美國國家可再生能源實驗室(NREL)的5 MW 風機[4]，為了避免產(chǎn)生池壁效應[5]，根據(jù)水池的寬度，選用傅汝德相似理論，最終選取的縮尺比為(1:30)，風機的模型尺寸表1 所示。

本次試驗的地方是在浙江海洋大學的拖曳水池實驗室，水池的長度為130 m，寬為6 m，深度為3.5 m。圖1 為模型安裝，圖2 為水池試驗模型，模型浮筒底部系上錨鏈，錨鏈一頭連接浮筒底部，另一頭與系泊塊連接，布置在水池底部，一端連上拉力計，示意圖如圖3 所示。

表1 風力機組主尺度Tab.1 Main scale of wind turbine generator system

圖1 模型安裝Fig.1 Model installation

圖2 水池模型Fig.2 The model

圖3 系泊安裝示意圖Fig.3 Mooring installation diagram

2 試驗理論

2.1 波浪載荷

Airy 波作為一種簡單的波浪形式，在海洋工程中被廣泛使用。本文研究了不同波浪對于海上風機塔架的振動位移影響，為了更好的控制變量，探究波浪波長和波高對于風機塔架的影響程度，主要采用的是Airy 波譜，其公式如下表示[6]

式中：η 表示波浪高度；A 表示波浪幅值；K 表示波數(shù)；ω 表示傳播的角頻率；x、y 表示流體質(zhì)點坐標值；β 表示波向角。

2.2 風載荷

在人們長期對自然風進行觀察研究的過程中，測量了大量的風力數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)驗和理論公式，建立了各種風模型譜，用來模擬自然風，對浮式風機進行分析時常采用kaimal 風譜。

2.3 相似理論

水池試驗是在相似理論的指導下所開展的一項研究工作。由于浮式風機模型試驗同時涉及到空氣動力學與水動力學，因此希望保證Froude 數(shù)相似與Reynolds 數(shù)同時相似。

Froude 數(shù)相似與Reynolds 數(shù)不可能同時相似，水池試驗常采用Froude 數(shù)相似，在此條件下模型的比例與載荷的換算比較容易實現(xiàn)。

3 試驗過程

3.1 試驗步驟

首先組裝好模型，在模型上相應位置放置測量儀器(把位移傳感器固定在塔架上)，然后利用拖車把模型平放在水池中，通過變頻器調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)速以此來模擬葉片受風旋轉(zhuǎn)[7]，利用造波機制造出所需的波浪，待模型穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)并記錄。

3.2 模擬工況選取

在5 cm 波高下，以風力發(fā)電機平臺模型的長度作為一個波長(λ=2.37 m)，以0.4λ為差數(shù)等差取6 種波長[8]，再選取無風、切入風速、額定風速，最后選擇的試驗工況如表2 所示。同時，還測了波長為2.37 m時，額定風速下，塔架在5 cm、10 cm、15 cm 波高下的振動位移。

表2 試驗工況Tab.2 Test condition

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 不同波高下頻譜分析

在額定轉(zhuǎn)速下，當波高為5 cm，波長λ=2.37 m 時，通過采集儀器得到風力發(fā)電機塔架的振動位移隨著時間變化曲線，如圖4 和圖5 所示。

圖4 塔架X 軸向振動位移時域曲線Fig.4 Tower X-axis vibration displacement time domain curve

圖5 塔架Y 軸向振動位移時域曲線Fig.5 Tower Y-axis vibration displacement time domain curve

由圖4、5 可知，在規(guī)則波下，風力發(fā)電機塔架在一定范圍內(nèi)振動，但是波動的頻率比較復雜，存在比較多的干擾，將其進行頻譜分析[9]，就可以得到風力發(fā)電機塔架振動的運動頻率。

將3 種波高下風力發(fā)電機正常工作時塔架的振動時域數(shù)據(jù)進行頻譜分析，得到圖6 和圖7。

圖6 塔架X 軸向振動位移頻譜分析Fig.6 Analysis of X-axis vibration displacement spectrum of tower

圖7 塔架Y 軸向振動位移頻譜分析Fig.7 Analysis of Y-axis vibration displacement spectrum of tower

從圖6、7 可以得出：

(1)3 種波高下的塔架振動頻率基本相似，塔架X 軸向和Y 軸向的振動頻率在22～27 Hz 內(nèi)均達到了峰值。

(2)當波高h=15 cm 時，X 軸向運動頻率的干擾比較大，存在頻率為14 Hz、17 Hz、33 Hz 等處的小幅頻率。

(3)5 cm 波高下塔架X 軸向的振動頻率的峰值比其他兩種波高下的峰值要大。

4.2 不同工況下塔架的運動值

為了研究波浪和風速對于風力發(fā)電機塔架的振動影響，試驗測試了在5 cm 波高下，風力發(fā)電機塔架在不同波長中的振動位移，也測量了在單波浪和額定風速下塔架的振動位移，記錄了塔架水平方向X 軸向和Y 軸向的最大振動位移，試驗數(shù)據(jù)整理如表3。

表3 塔架振動值Tab.3 The value of tower motion

4.3 不同工況下塔架的運動值

為了更直觀觀察風力發(fā)電機塔振動位移的變化情況，于是將塔架的振動數(shù)據(jù)繪制成圖8～11。

圖8 無風下塔架X 軸向振動位移Fig.8 X-axial vibration displacement of tower without wind

圖9 無風下塔架Y 軸向振動位移Fig.9 Y-axial vibration displacement of tower without wind

圖10 額定風速下塔架X 軸向振動位移Fig.10 X-axial vibration displacement of tower under rated wind speed

圖11 額定風速下塔架Y 軸向振動位移Fig.11 Y-axial vibration displacement of tower under rated wind speed

根據(jù)圖8～11 可以得到：

(1)在單獨波浪下，塔架X 軸向和Y 軸向的振動位移均在波長為2.37 m 時達到了一個極大值，隨后在波長2.37 m 到3.32 m 內(nèi)逐漸下降,在3.32 m 到6.16 m 波長內(nèi)趨于平穩(wěn)。

(2)在額定風速下，塔架X 方向振動位移在波長1.42 m 到3.32 m 內(nèi)逐漸減小，隨著后趨于平穩(wěn)，塔架Y 方向振動位移在1.42 m 到2.37 m 迅速增大，隨后也逐漸趨于平穩(wěn)。

(3)額定風速下的塔架X 軸向的振動位移遠大于單波浪下塔架X 軸向的振動位移，塔架Y 軸向的振動位移也在風速的影響下增大了許多。

(4)在額定風速下，波長1.42 m 到6.16 m 內(nèi)，塔架X 軸向和Y 軸向的振動位移并沒有出現(xiàn)一個明顯的極值。

4.4 不同風速下塔架的運動值

為了探究平臺模型在規(guī)則波的作用下，不同風速對于塔架運動特性的影響，選取試驗波高為5 cm，在5 種不同風速下進行試驗，通過變速調(diào)頻器對風力發(fā)電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，測量了在不同轉(zhuǎn)速下塔架的位移，結(jié)果如圖12 所示。

從圖12 可知，塔架X 方向的振動位移隨著風速的增大而增大，塔架Y 方向的振動位移也呈現(xiàn)類似的趨勢，但是它在風速為8.7 m·s-1處有個極大值，大小為1 mm。塔架X 方向隨著風速的增加位移變化量比塔架Y 方向的位移變化要大的多，由于塔架X 方向為迎風向，所以結(jié)果較為合理。

圖12 塔架位移變化圖Fig.12 Tower displacement change diagram

4.5 FAST 模擬下塔架的運動值

使用FAST 軟件[10-12]，水深選取東海平均水深200 m，按照5 MW 風力發(fā)電機的額定風速11.4 m·s-1來計算，風速參考點高度為90 m，塔架后端風力為0 m·s-1。由于是模擬規(guī)則波，故波浪采用描述均勻流體的airy 波浪理論計算，為了對比水池試驗，選取3.13 m 的浪高計算(對應波高5 cm)，塔架X 和Y 方向最大位移數(shù)據(jù)整理如表4。

表4 FAST 下的塔架振動值Tab.4 Tower vibration value under FAST

為了更直觀觀察，用圖13～16 表達塔架的位移變化情況。

圖13 無風下塔架X 軸向振動位移對比Fig.13 Comparison of X-axial vibration displacement of tower without wind

圖14 無風下塔架Y 軸向振動位移對比Fig.14 Comparison of Y-axial vibration displacement of tower without wind

圖15 額定風速下塔架X 軸向振動位移對比Fig.15 Comparison of X-axis vibration displacement of tower under rated wind speed

圖16 額定風速下塔架Y 軸向振動位移對比Fig.16 Comparison of Y-axis vibration displacement of tower under rated wind speed

可以得知：

(1)在單獨波浪下，塔架X 軸向振動位移在波長1.42 m 到2.37 m 逐漸增大然后在波長2.37m 處達到了一個極大值2.5 mm，隨后又開始逐漸減小直到波長為4.26 m 時又開始增大，在波長5.21 m 開始減小。

(2)在額定風速下，塔架X 方向振動位移在波長1.42 m 到2.37 m 時呈上升的趨勢，然后便隨著波長的增大一直減小。

(3)塔架Y 軸向的振動位移運動趨勢在單波浪和額定風速下相似。其振動位移在1.42 m 到2.37 m 波長內(nèi)逐漸增大隨后開始減小，在波長為3.32 m 處又開始穩(wěn)步增大。

(4)FAST 模擬下塔架的振動位移在單波浪和額定風速下都在2.37 m 處(一個平臺長度)達到了一個極大值。

4.6 試驗和數(shù)值的塔架振動位移的對比

為了驗證FAST 模擬下塔架振動位移的正確性，將水池模型試驗中得到的塔架振動位移與FAST 模擬得到的數(shù)據(jù)進行對比，如圖17～20 所示。

圖17 無風下塔架X 軸向振動位移對比Fig.17 Comparison of X-axial vibration displacement of tower without wind

圖18 無風下塔架Y 軸向振動位移對比Fig.18 Comparison of Y-axial vibration displacement of tower without wind

圖19 額定風速下塔架X 軸向振動位移對比Fig.19 Comparison of X-axis vibration displacement of tower under rated wind speed

圖20 額定風速下塔架Y 軸向振動位移對比Fig.20 Comparison of Y-axis vibration displacement of tower under rated wind speed

計算值在波長為2.37 m 即一個平臺長度的時候，塔架的振動位移都達到了一個極大值，而隨著波長的增大，塔架X 軸向的振動位移都呈現(xiàn)一種減小的趨勢，所以可以把風力發(fā)電機放置在波長主要為1.4～2.6 倍平臺波長的海域來提高塔架在正常工作時的安全性。

5 結(jié)論

本文對不同規(guī)則波和不同風速下風力發(fā)電機塔架的振動位移進行了分析研究，采用控制變量法在不同工況進行水池模型試驗，得到風力發(fā)電機塔架X 軸向和Y 軸向的振動位移時域曲線，也通過FAST 軟件進行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

(1)通過試驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對比，可以得出FAST 數(shù)值模擬與試驗數(shù)據(jù)得出的規(guī)律基本吻合，表明計算模型與方法是基本合理的。

(2)風力發(fā)電機塔架在正常工作時要避免波浪能量的頻率集中在22～27 Hz。因為在這個頻率內(nèi)塔架的X 和Y 方向的振動位移將達到一個峰值，如果波浪頻率處在這個范圍內(nèi)可以使用變頻器來消除。

(3)在考慮風力發(fā)電機工作環(huán)境時，可以把風力發(fā)電機放置在波長主要為1.4～2.6 倍平臺波長的海域來提高塔架在正常工作時的安全性能。