倪　鵬， 李良碧

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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浮式風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)在氣動載荷和波浪載荷聯(lián)合作用下的運動響應(yīng)研究

倪鵬， 李良碧

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

海上漂浮式風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，是支撐風(fēng)機正常工作的重要因素之一，而風(fēng)機正常工作時葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大氣動載荷會對浮式支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。目前，對風(fēng)機浮式支撐結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的研究主要集中在極端海況下浮式風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)的運動響應(yīng)，而考慮氣動載荷影響的研究則較少。采用流體動力學(xué)理論和空氣動力學(xué)理論并結(jié)合有限元方法對某三浮體式風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)在風(fēng)、浪、流載荷聯(lián)合作用下的運動響應(yīng)進行分析，其中風(fēng)載荷將分為考慮氣動載荷、不考慮氣動載荷、將氣動載荷簡化為固定載荷三種情況。研究結(jié)果表明：風(fēng)機正常工作時支撐結(jié)構(gòu)的運動響應(yīng)主要受氣動載荷影響；支撐結(jié)構(gòu)的運動響應(yīng)主要表現(xiàn)在縱蕩，垂蕩和縱搖方向；考慮氣動載荷時，支撐結(jié)構(gòu)在縱蕩和垂蕩方向上的運動響應(yīng)均小于將氣動載荷簡化為固定載荷的情況。因此，考慮氣動載荷對支撐結(jié)構(gòu)的影響在工程實踐中具有較大意義，為海上風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究提供了理論依據(jù)。

海上浮式風(fēng)機；動力響應(yīng)；支撐結(jié)構(gòu)；氣動載荷

0　引言

當(dāng)今世界，煤、石油等常規(guī)能源日益短缺，風(fēng)能由于其安全、無污染和可再生等特點逐漸成為諸多國家和地區(qū)關(guān)注的焦點[1]。深海風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向，深海海域風(fēng)能資源豐富，具有巨大的風(fēng)電開發(fā)空間。水深超過60 m的海域，使用固定式海上風(fēng)機會大幅增加建造成本，而漂浮式海上風(fēng)機可以很好地解決這一問題[2]。目前，國內(nèi)外對風(fēng)機浮式支撐結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的研究還較少，很少考慮由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的氣動載荷對支撐結(jié)構(gòu)的作用。文獻[3-5]研究了風(fēng)機平臺的水動力性能，其中風(fēng)機氣動載荷由風(fēng)輪在額定風(fēng)速下的軸向推力和轉(zhuǎn)矩公式計算得到，該氣動載荷并不隨時間變化。對于風(fēng)機氣動載荷，采用比利時Samtech公司研發(fā)的SAMCEF for Wind Turbine(S4WT)軟件進行計算，與FAST軟件相比，S4WT還考慮了部件柔性、非線性、部件之間及部件與控制系統(tǒng)之間的耦合效應(yīng)。目前，海洋工程中常用的水動力學(xué)計算軟件如SESAM等，在模擬隨時間變化的風(fēng)機氣動載荷方面還有一些限制，而ANSYS/AQWA可以模擬。因此，該文設(shè)置了三種情況并結(jié)合水動力學(xué)計算軟件ANSYS/AQWA對漂浮式支撐結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)進行了研究，三種情況分別為考慮風(fēng)機氣動載荷的情況、不考慮氣動載荷的情況以及將氣動載荷簡化為固定載荷的情況。

1　環(huán)境載荷理論

1.1空氣動力載荷

葉素-動量理論是目前較常用的計算旋轉(zhuǎn)葉片氣動載荷的理論。其主要思想是將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段(即葉素)，并假設(shè)流體在每個葉素上的流動彼此間互不干擾，保持獨立，故可將葉素理想化為二元翼型，最后將作用在每個葉素上的力和轉(zhuǎn)矩沿展向積分，即可求得作用在葉輪上的推力和轉(zhuǎn)矩。單個葉素上的推力和轉(zhuǎn)矩計算如下[6]:

(1)

(2)

式中：ρ為空氣密度；W為風(fēng)速；B為葉片數(shù)量；C為葉素剖面弦長；C1為葉片升力系數(shù)；Cd為葉片阻力系數(shù)；φ為入流角；r為葉素至輪轂中心距離。

1.2水動力載荷

1.2.1莫里森方程

對于小尺度結(jié)構(gòu)物，通常采用著名的莫里森方程計算其受到的波浪載荷。小尺度結(jié)構(gòu)物，一般是指結(jié)構(gòu)物的等效特征直徑D與波長λ之比小于0.2，可忽略結(jié)構(gòu)物對波浪運動的影響。

結(jié)構(gòu)物單位長度上受到水平波浪力的表達式為：

(3)

則整個結(jié)構(gòu)物受到的水平波浪力可由下式求出：

(4)

式中：ρ為海水密度；D為構(gòu)件直徑；d為水深；η為z=0時的波面方程；u為水質(zhì)點沿水平方向的速度分量；du/dt為水質(zhì)點沿水平方向的加速度分量；CD為拖曳力系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)。

1.2.2三維勢流理論

對于大尺度結(jié)構(gòu)物，其存在會對入射波產(chǎn)生明顯的繞射效應(yīng)，因此需要采用基于繞射和輻射理論的勢流理論來計算大尺度結(jié)構(gòu)物受到的波浪載荷。當(dāng)入射波受結(jié)構(gòu)物干擾后，流場內(nèi)任一點處的總速度勢由三部分組成：結(jié)構(gòu)物擾動前的入射波的速度勢φi、結(jié)構(gòu)物的存在對入射波擾動產(chǎn)生的繞射波的速度勢φd和結(jié)構(gòu)物本身運動產(chǎn)生的輻射波的速度勢φr，總速度勢可表示為[7]：

(5)

在求出結(jié)構(gòu)物速度勢之后，根據(jù)伯努利方程求出結(jié)構(gòu)物濕表面上各點的水動壓力為：

(6)

沿著結(jié)構(gòu)物濕表面積分可以得到作用于結(jié)構(gòu)物表面的力和力矩：

(7)

(8)

式中：S為結(jié)構(gòu)物的濕表面。

2　模型概況

該文選取某三浮體式半潛平臺[7]作為海上浮式風(fēng)力發(fā)電機的支撐結(jié)構(gòu)，風(fēng)力機模型選取NREL-5 MW風(fēng)力機[8]，風(fēng)力機主要參數(shù)見表1，三浮筒式半潛平臺參數(shù)見表2。平臺主體如圖1所示，由三個上部浮體，三個下部浮體，一個主浮體，15根連接桿以及錨泊系統(tǒng)組成，下部浮體的底部各附連一根錨鏈以限制平臺的運動，設(shè)計水深100 m。風(fēng)機塔架與主浮體相連接，坐標(biāo)系如圖2所示，服從右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點位于主浮體與水線面交點處。

圖1　三浮筒半潛平臺

圖2　三浮筒式海上風(fēng)機

表1　NREL-5 MW風(fēng)力發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

風(fēng)力機參數(shù)參數(shù)值額定功率/MW5葉片數(shù)量3風(fēng)輪直徑/m126

續(xù)表1　NREL-5 MW風(fēng)力發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

圖3　濕表面模型

平臺參數(shù)高度/m外直徑/m主浮體255上部浮體2410下部浮體615上連接桿-3斜連接桿-3下連接桿-3錨鏈-0.1899

在ANSYS中建立三浮體式風(fēng)機平臺，并對所建模型進行網(wǎng)格化分，如圖3所示。網(wǎng)格的大小根據(jù)需要計算的最大波浪頻率來設(shè)定，要求一個波長至少要覆蓋7個最大單元尺寸。

3　模擬結(jié)果及分析

3.1頻域運動響應(yīng)

為了評估三浮體式海上風(fēng)機平臺的運動性能，采用ANSYS/AQWA-LINE對風(fēng)機平臺進行頻域響應(yīng)分析。假定風(fēng)、浪、流均沿X軸，故只需分析平臺在縱蕩、垂蕩和縱搖方向上的運動響應(yīng)。

圖4為三浮體式海上風(fēng)機平臺在縱蕩、垂蕩和縱搖方向上的運動響應(yīng)。

圖4　縱蕩、垂蕩和縱搖的運動響應(yīng)

(1) 縱蕩方向如圖4(a)所示，運動響應(yīng)隨著波浪頻率的增加而減小，當(dāng)f>0.8 rad/s時(f為波浪頻率)，逐漸趨于0，縱蕩固有頻率小于0.1 rad/s。

(2) 垂蕩方向如圖4(b)所示，運動響應(yīng)峰值出現(xiàn)在0.5 rad/s附近，當(dāng)f>0.5 rad/s時，迅速減小，至f=0.8 rad/s時趨于0，垂蕩固有頻率為0.5 rad/s。

(3) 縱搖方向如圖4(c)所示，運動響應(yīng)隨著波浪頻率的增大先增大后減小，峰值出現(xiàn)在f=0.4 rad/s附近，這表明在波浪頻率接近0.4 rad/s時，風(fēng)機平臺會出現(xiàn)較大的縱搖響應(yīng)。

3.2時域運動響應(yīng)

3.2.1載荷工況

風(fēng)機選址在北大西洋蘇格蘭東北部的Stevenson地區(qū)某海域，風(fēng)機正常工作時風(fēng)輪轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生很大的氣動載荷，為了研究氣動載荷對風(fēng)機平臺運動響應(yīng)的影響，分別對風(fēng)機平臺在考慮氣動載荷(工況1)，不考慮氣動載荷(工況2)以及將氣動載荷簡化為固定載荷(工況3)三種情況下進行時域運動響應(yīng)分析，計算時長300 s，時間步長0.01 s，載荷工況見表3。波浪采用P-M譜，有義波高為1.5 m，周期為7.08 s；風(fēng)機正常工作時輪轂高度處風(fēng)速為12 m/s；海流速度為0.68 m/s；風(fēng)、浪、流均垂直入射風(fēng)機迎風(fēng)面。海況參數(shù)如表4所示。

工況1風(fēng)機正常工作產(chǎn)生的氣動載荷時程曲線由SAMCEF for Wind Turbines(S4WT)計算，在額定風(fēng)速下采用S4WT軟件對三浮體式風(fēng)機進行動力響應(yīng)計算，風(fēng)、浪、流均垂直入射風(fēng)機迎風(fēng)面，其中風(fēng)載荷是利用TurbSim模塊生成的湍流風(fēng)，波浪載荷是利用Waveload模塊生成的P-M不規(guī)則波，得到氣動載荷后以外力形式導(dǎo)入ANSYS/AQWA-NUAT進行計算。

工況3考慮最惡劣情況，選取合力最大時的氣動載荷作為固定載荷進行計算。

表3　載荷工況

表4　海況參數(shù)

3.2.2結(jié)果與分析

圖5為基于ANSYS/AQWA時域分析得到的三種情況下，三浮體式風(fēng)機平臺縱蕩響應(yīng)時間歷程曲線，表5為其縱蕩運動的幅值。由圖5、表5可知：縱蕩方向響應(yīng)的最大幅值在工況1考慮氣動載荷情況下為7.42 m；工況2不考慮氣動載荷情況下為0.001 37 m；工況3將氣動載荷簡化為固定載荷情況下為8.78 m。與工況1、工況3相比，工況2不考慮氣動載荷情況下縱蕩響應(yīng)幅值非常小，幾乎為零，由此可見：在評估海上風(fēng)機穩(wěn)定性時，不能忽略風(fēng)機工作時產(chǎn)生的氣動載荷。工況1縱蕩響應(yīng)的平均值為5.98 m，小于工況3縱蕩響應(yīng)的平均值6.48 m。

圖5　縱蕩運動時程曲線

圖6　垂蕩運動時程曲線

圖7　縱搖運動時程曲線

工況最大幅值/m平均幅值/m工況17.425.98工況20.001370.000765工況38.786.48

圖6為三浮體式風(fēng)機平臺垂蕩響應(yīng)的時間歷程曲線，表6為垂蕩運動幅值。由圖6、表6可知：工況1、工況2和工況3垂蕩方向響應(yīng)的最大幅值分別為2 m、0.000 16 m和3.27 m。與工況1、工況3相比，工況2的垂蕩響應(yīng)幅值非常小。工況1和工況3垂蕩方向響應(yīng)的平均值分別為0.1 m和0.82 m，大部分情況下工況1的垂蕩響應(yīng)幅值小于工況3，由此可見將氣動載荷簡化為固定載荷評估風(fēng)機平臺運動性能的方法偏保守。

表6　垂蕩運動幅值

圖7為三浮體式風(fēng)機平臺縱搖響應(yīng)的時間歷程曲線，表7為縱搖運動幅值。由圖7、表7可知：工況1、工況2和工況3縱搖方向響應(yīng)的最大幅值分別為6.568°、0.000 98°和5.966°，與工況1、工況3相比，工況2的縱搖響應(yīng)幅值非常小；工況1和工況3縱搖方向響應(yīng)的平均值分別為0.708°和0.201°；工況3在0 ～25 s之間達到縱搖響應(yīng)峰值后，響應(yīng)幅值逐漸減小，而工況1縱搖響應(yīng)幅值則較為穩(wěn)定。因此，將氣動載荷簡單地簡化為固定載荷并不能準確地評估風(fēng)機平臺的運動性能。

表7　縱搖運動幅值

4　結(jié)論

該文以NREL-5MW海上風(fēng)機為基礎(chǔ)，采用ANSYS/AQWA-LINE模塊對三浮體式風(fēng)機平臺進行頻域響應(yīng)分析，然后采用AQWA-NUAT模塊分別在考慮氣動載荷、不考慮氣動載荷以及將氣動載荷簡化為固定載荷三種情況下，對三浮體式風(fēng)機平臺在時域內(nèi)的運動響應(yīng)進行了分析，得到如下結(jié)論：

(1) 三浮體式風(fēng)機平臺運動響應(yīng)主要集中在低頻波浪階段，當(dāng)波浪頻率f>0.8 rad/s時，各自由度方向的運動響應(yīng)逐漸減小并趨于零。

(2) 縱搖方向的運動響應(yīng)隨著波浪頻率的增大先增大后減小，峰值出現(xiàn)在0.4 rad/s附近，這表明當(dāng)波浪周期接近15.7 s左右時，平臺會出現(xiàn)較大縱搖響應(yīng)。

(3) 由時域分析發(fā)現(xiàn)，不考慮氣動載荷的工況2在縱蕩、垂蕩和縱搖方向上的響應(yīng)幅值遠小于考慮氣動載荷的工況1和工況3。因此，在研究漂浮式風(fēng)機平臺運動性能時不能忽略風(fēng)機正常工作時產(chǎn)生的氣動載荷對平臺的影響。

(4) 考慮氣動載荷的工況1在縱蕩和垂蕩方向上的響應(yīng)幅值及平均值均小于將氣動載荷簡化為固定載荷的工況3。工況3在0～25 s之間達到縱搖響應(yīng)峰值后，響應(yīng)幅值逐漸減小，而工況1縱搖響應(yīng)幅值則較為穩(wěn)定，由此可見工況3中將隨時間變化的氣動載荷簡單的簡化為固定載荷并不能準確的評估風(fēng)機平臺的運動性能。

[1]ZHENG Chong-wei, HU Qiu-liang, SU Qin. Research progress of offshore wind energy resources at home and abroad[J]. Ocean Development and Management, 2014，40(6):25-32.

[2]Musial W， Butterfield S， Boone A． Feasibility of floatingplatform systems for wind turbines [R]. Golden， CO，USA: National Renewable Energy Laboratory， 2003．

[3]丁勤衛(wèi)，李春，周國龍，等. 基于AQWA的漂浮式風(fēng)力機駁船式平臺的動態(tài)響應(yīng)[J]. 水資源與水工程學(xué)報，2015，26(2):150-155.

[4]丁勤衛(wèi)，李春，成欣，等. 漂浮式風(fēng)力機駁船式平臺響應(yīng)特性分析[J]. 上海理工大學(xué)學(xué)報，2015，37(5):425-432.

[5]張揚，李春，葉舟，等. 浮式風(fēng)機平臺風(fēng)浪流載荷動態(tài)響應(yīng)研究[J]. 能源工程，2015，35(5):20-27.

[6]Burton T, Sharpe D, Jenkins N et al. Wind Energy Handbook[M] . Wiley & Sons, New York, USA, 2001.

[7]LI Jia-wen, Tang You-gang, Wang Bin. Motion Characteristics of Novel Floating Foundation for Offshore Wind Turbine[J]. Transactions of Tianjin University, 2016，22(5):57-63.

[8]朱紅娟. 深海浮式風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué), 2012.

[9]J Jonkman, S Butterfield, W Musial, et al. Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development[R].National Renewable Energy Laboratory(NREL), Golden, CO,2009.

Dynamic Response of Supporting Structure of Offshore Floating Wind Turbine Considering Aerodynamic Load

NI Peng， LI Liang-bi

(Department of Naval Architecture and Ocean Engineering， Jiangsu University of Science and Technology，Jiangsu Zhenjiang 212003，China)

The stability of the supporting structure of an offshore wind turbine could be greatly influenced by the aerodynamic load during its normal working conditions. At present, most researches on the dynamic response of supporting structure of offshore floating wind turbine were mainly focused on the extreme sea conditions, while the influence of the aerodynamic load was rarely considered, so it is necessary to be studied. In the paper, the dynamic response of the supporting structure of the three pontoons offshore wind turbine under the wind, wave and current load were analyzed with the hydrodynamic theory and aerodynamic theory combined with the finite element method. Moreover, there are three cases of wind load, and that is the aerodynamic load considered, the aerodynamic load not to be considered and the aerodynamic load simplified as a fixed load. The results are as follows: The dynamic response of the offshore wind turbine during the normal working conditions is mainly affected by the aerodynamic load. The response of the supporting structure mainly show surge, heave and pitch. Under the condition of the aerodynamic load simplified as a fixed load, the responses of surge, heave and pitch are greater than that of considering the aerodynamic load. Therefore, considering the aerodynamic load has more practical meaning in engineering practice, and it provides the theory foundation for the study of the stability of the supporting structure of offshore wind turbine.

offshore floating wind turbine; fynamic response； supporting structure； aerodynamic load

2016-01-05

倪鵬(1992-)，男，碩士研究生。

1001-4500(2016)04-0080-07

TM315

A