1、新型半潜式浮式风机在不同流速下的动力响应特性研究乐丛欢a，b，李阔a，b，张浦阳a，b，丁红岩a，b（天津大学 a.水利工程仿真与安全国家重点实验室；b.建筑工程学院，天津 300350）摘要：本文提出一种适用于50120 m水深的新型半潜式浮式风机，用频域法研究浮式平台的水动力特性，通过建立风机-塔筒-浮式平台-系泊系统全耦合分析模型，考虑二阶差频波浪力作用，对其开展风、浪、流联合作用下的时域分析，重点分析不同流速条件下新型半潜式浮式风机耦合动力响应特性。分析结果表明：新型半潜式浮式风机结构设计合理，其固有周期能较好地避开波浪能量密集的周期范围，有效避免了共振发生；风浪条件一定的情况下，流速
2、增大将使新型半潜式浮式风机的最大纵荡响应和锚链拉力显著增大，但对纵摇和艏摇响应有一定程度的抑制作用。流速变化对基础垂荡运动和发电功率影响较小。关键词：海上风电；半潜式浮式风机；流速；耦合动力响应中图分类号：P751文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2023.02.003Dynamic response characteristics of a new semi-submersiblefloating wind turbine in different current velocity conditionsLE Cong-huana,b,LI Kuoa,b,
3、ZHANG Pu-yanga,b,DING Hong-yana,b(a.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety;b.School ofCivil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China)Abstract:A new semi-submersible floating offshore wind turbine(FOWT)suitable for water depths of 50-120 m was proposed in this
4、paper.The hydrodynamic characteristics of the floating platform were studied bythe frequency domain method.A fully coupled analysis model of the wind turbine-tower-floating platform-mooring system was established considering the effect of the second-order difference frequency wave force.The time dom
5、ain analysis of the new semi-submersible FOWT under the combined action of wind,waves andcurrents was carried out,focusing on the coupled dynamic response characteristics of the new semi-submersible FOWT under different flow velocity conditions.The results show that the structure of the new semi-sub
6、mersible FOWT is reasonable and its natural period can avoid the wave energy-intensive period range,effectively avoiding the occurrence of resonance.Under certain wind and wave conditions,the maximum surge response and anchor chain tension will significantly increase with the increase of current vel
7、ocity,but the pitchand yaw responses will be restrained to a certain extent.The variation of current velocity has little effect onfoundation heave motion and power generation.Key words:offshore wind power;semi-submersible floating offshore wind turbine;current velocity;coupled dynamic response第27卷第2
8、期船舶力学Vol.27 No.22023年2月Journal of Ship MechanicsFeb.2023文章编号：1007-7294（2023）02-0185-10收稿日期：2022-08-29基金项目：国家自然科学基金项目（52271287）；天津市自然科学基金项目（18JCYBJC22800）；天津大学自主创新基金项目（2022XSU-0033）作者简介：乐丛欢（1983-），女，博士，副研究员，通讯作者，E-mail:；李阔（1996-），男，硕士。0 引言海洋风能是一种清洁、无污染的可再生能源，因其风速大、切变小、主导风向稳定等优点受到世界各国的广泛关注，是新能源中最具开发条件
9、和最有发展前景的发电方式之一。随着近海风资源逐渐枯竭，海上风电从近海走向深远海将是必然的趋势。当水深超过50 m时，固定式基础的建造、施工费用将变得十分昂贵，浮式风机为深远海风能的开发提供了一种可行的方案。浮式风机的发展广泛借鉴了海上油气勘探平台的经验，但浮式风机系统结构也显著区别于传统的海洋平台，在实际海域的运行中，由于其复杂的结构、环境荷载与耦合效应，使得浮式风机的研究成为一项具有挑战性的工作。目前主流的浮式风机基础型式主要包括三种类型：单立柱（Spar）式、半潜式（Semi-submersible）和张力腿平台式（TLP）1-2。其中半潜式基础是目前技术最为成熟、最具商业开发价值的基础形
10、式，其特点是可在陆上建造、组装、调试，由于大水线面具备海上自浮拖航条件，具有较大机动性，利用水线面提供回复力矩保持稳性，适用水深范围广，且运行可靠，可以在没有锚链的情况下在水中漂浮，常采用悬链式系泊系统来约束风机系统水平方向上的位移，施工方便。但半潜式基础体型一般较大，建造所需的材料比较多，受到的波浪载荷较大，垂荡响应是半潜式基础设计中最为突出的问题3。近年来国内外专家学者针对半潜式浮式风机开展了一系列研究，提出了各种不同形式的半潜式基础。Cermelli等4的研究证明，三角形的半潜式平台具有较好的性能。2010年，Principle Power公司设计了一种名为WindFloat的5 MW半
11、潜式浮式风机，其中半潜式平台为3立柱结构，风机安装在其中一个立柱上，采用主动压载调节系统，可根据浮式平台的实时姿态进行压载水调节，保证浮式风机的稳性。Roddier等5通过数值模拟和水池试验的方法研究WindFloat半潜式风机的动力特性，并对水平支撑杆件的强度和疲劳进行了评估。2020年3月，WindFloat Atlantic风场成功应用WindFloat安装了一台MHI Vestas 8.4 MW风机实现了并网发电。Robertson等6提出了一种3立柱式OC4-DeepCwind半潜式风机，对其水动力特性进行研究，与WindFloat不同的是，OC4-DeepCwind 风机由中心柱支
12、撑。Bayati等7以OC4-DeepCwind半潜式风机为研究对象，基于FAST软件研究了二阶水动力对OC4-DeepCwind半潜式风机的影响，结果表明，二阶差频力能够激发平台更大的响应，在恶劣海况下二阶差频力的计算是必要的。浮式风机系统是一个高度耦合的复杂动态系统，其动力学模型需要考虑风机气动荷载、浮式平台水动荷载、结构弹性、风机控制策略和系泊系统等耦合作用，研究涉及水动力学、空气动力学、结构力学及控制系统等多学科交叉，目前半潜式浮式风机的研究主要集中在新型浮式风机概念设计以解决目前浮式风机成本过高的问题、基于数值和模型试验的方法对其技术可行性的论证等方面。数值和模型试验研究多考虑风、浪
13、或风浪联合作用对浮式风机的影响，基本上未考虑海流的作用。而通常海域表面海流流速大，加上半潜式基础水线面积大的特点，忽视海流作用势必会引起风机动力响应的误差。本文针对50120 m的中等水深海域，设计了一种新型3立柱式半潜式浮式风机，针对WindFloat和OC4-DeepCwind基础采用桁架式结构连接、连接节点多、建造加工不便且结构疲劳敏感性高的缺点，新型半潜式浮式风机采用无支撑结构。为进一步降低建造成本，基础主体采用高强轻质混凝土材料，与钢结构相比，具有更好的抗疲劳和抗腐蚀的性能。本文以新型半潜式浮式风机为研究对象，采用数值模拟的方法，用频域法研究浮式平台的水动力特性，并进一步建立风机-塔
14、筒-浮式平台-系泊系统的耦合数值模型，考虑二阶差频波浪力作用，对新型半潜式风机开展风、浪、流共同作用下时域分析，重点分析海流对新型半潜式浮式风机动力性能的影响。1 概念设计新型半潜式浮式风机的风电机组和塔筒选用美国可再生能源实验室（NREL）为研究浮式风机而186船舶力学第27卷第2期开发的5 MW水平轴风机8，额定风速11.4 m/s，采用变速变桨控制。半潜式浮式基础主要由中心立柱、三个边柱、三个水平浮筒以及垂荡板组成，如图1所示。中心立柱用于连接上部塔筒、机组，边柱装载压载水，调节平台吃水。基础主体采用高强轻质混凝土材料，密度为1900 kg/m3，浮式风机的运行水深为100 m，根据设计
15、海况和风电机组参数，经过初步的一体化设计确定的新型半潜式风机主要参数如表1所示，基础设计吃水22.4 m，排水量13 415.8 m3。其中边柱直径12 m，水面以上部分高12 m；下部垂荡板厚0.4 m，边长12 m，起到减小浮式风机垂荡响应的作用。通过6根悬链线锚链锚泊于海底，锚链呈对称布置，分为三组，同组的2根锚链间水平投影夹角为30，选取公称直径为90 mm的R4级锚链9，预张力1000 kN。图1 新型半潜式浮式风机基础Fig.1 Foundation of new semi-submersible floating wind turbine表1 新型半潜式风机基础主要参数Tab.1
16、 Main parameters of new semi-submersible foundation参数中心立柱直径中心立柱高度边柱浮筒直径边柱浮筒高度边柱浮筒中心间距水平浮筒高度基础吃水深度垂荡板边长数值/单位10/m26/m12/m34/m52/m6/m22.4/m12/m参数基础排水量基础质量压载水质量重心坐标基础横摇惯性矩基础纵摇惯性矩基础艏摇惯性矩数值/单位13 415.8/m39118.2/t4032.9/t(0,0,-9.20)/m1.221010/(kgm2)1.211010/(kgm2)8.43109/(kgm2)2 全耦合模型建立2.1 耦合运动方程半潜式浮式风机是一个由叶片-机舱、塔筒、半潜式浮式平台及系泊系统组成的复杂多体系统。风机运行过程中受到气动载荷、浪和流等水动力载荷、系泊载荷等作用，其运动方程可以表示为第2期乐丛欢等：新型半潜式浮式风机在不同流速下的 187()M+Mx?+0t()t-x?d+Cx=F()1WA+F()2WA+FWI+FCU+FMR(1)式中：x、x?和x?分别为位置、速度和加速度的矢量形式；M和M分别为质量矩阵与波浪频率为无穷大时对应
