学术论文|面向深远海的新型海上风力机浮式平台水动力性能研究

论文作者：蔡新，张洪建，王浩，谢姣洁，汪亚洲

所属单位：河海大学力学与材料学院，大连理工大学建设工程学部，江苏省风电机组结构工程研究中心，南京皖工高新技术研究院，沿海开发与保护协同创新中心

发表期刊：中国电机工程学报

目前海上风机浮式平台相关研究主要均针对某一特定指标进行个性化方案设计，尚未建立较为完善的海上风力机浮式平台设计体系，并对海上风力机浮式平台的水动力性能进行系统研究。在结合现有浮式风机平台方案优点的基础上，建立面向深远海浮式风力机平台的流程化设计方法并研发新型浮式风机平台方案，对于未来深远海风能具有重要的理论意义和工程应用价值。

鉴于此，本文基于初稳性设计原理并借鉴半潜式与单柱式浮式平台的结构特点，设计了一种大吃水、小水线面积、具有倾斜侧柱的新型浮式平台，根据稳性与设计要求改变结构主尺度与调整质量分布从而对平台初始参数进行迭代优化。

图1  新型浮式平台结构图

提高浮式平台稳性有2种办法：降低重心与增大惯性矩。当前主流的浮式平台亦是基于这 2 种办法设计的，例如单柱式平台通过增大吃水深度从而降低重心，半潜式平台通过多立柱设计从而增大惯性矩。

然而，上述2类方案均存在其弊端。例如，一味降低重心势必会增加适用水深与制造成本，导致浮式平台适用性的降低；而一味增大侧柱间距或直径虽可增大惯性矩，但将导致支撑结构的应力增大，且平台排水体积增加导致垂荡共振易于发生。故本文提出，新平台方案采取将侧柱由中间向外倾斜，使得侧柱向外倾斜一定角度，保证具有足够的惯性半径从而显著增大惯性矩。在此设计思想的基础上进行新平台尺寸参数优化，该流程如图2所示。

图2  海上风力机浮式平台设计优化流程图

新型浮式风机叶片与塔架属于超长柔性部件，其形变不可忽略，故考虑为柔性体；轮毂、机舱以及浮式平台形变可忽略不计，可做刚性考虑；系泊缆作集中质量节点简化，考虑其动态特性。

本文全耦合数值分析方法基于FAST源代码和AQWA内置的动态链接库(user_force.dll)实现。其中包含：

1）上部风机：通过FAST建立基于叶素动量定理的气动模型、基于独立变桨的伺服控制模型以及基于Kane方程的多体动力学模型；

2）浮式平台：通过AQWA建立基于Morison方程与势流理论的水动力模型以及基于集中质量法的动态系泊模型；

3）结构耦合：通过AQWA中的动态链接库对 FAST 进行调用，进行数据交换。计算流程图如图3所示。

图3  考虑结构全耦合效应的计算流程图

以目前应用最为广泛的半潜式平台作为衡量基准，给出了新型浮式平台和单柱式平台相对于半潜式平台在各项指标上的优化程度(单位：%)，如图4所示。由图可知：相较于半潜式平台，新型浮式平台能够在降低结构耗材的前提下同时提升各项水动力性能指标的优化程度。例如：新型浮式平台优化了半潜式平台易受波浪载荷影响的缺点，降低了一阶波浪力；在保持平动附加质量与半潜式平台较为接近的同时，明显提高摇动方向附加质量；新型浮式平台各向辐射阻尼均维持在较优水准，提升了垂荡与纵摇/横摇辐射阻尼；此外，新型浮式平台垂荡、纵摇/横摇响应幅值算子明显小于另外2种平台，优化了该方向运动响应。

单柱式平台相对于半潜式和本文新平台的显著优点是对结构耗材量带来的材料成本优势，但其伴随而来的运输成本仍居高不下。更为重要的是，单柱式平台在多项水动力性能的对比上，优化幅度要明显小于本文提出的新平台，且对于适用水深的要求也降低了单柱式平台的适用性。综上所述，新平台在经济适用性以及水动力性能多项指标均相对2类方案有不同程度的优化。

图4  平台运动6自由度时历运动曲线

本文结合半潜式平台与单柱式平台的型式特点，对面向深远海的新型海上风机浮式平台进行研究，在考虑海上浮式风力机结构全耦合效应的基础上，对半潜式平台、单柱式平台与本文提出的新型浮式平台进行了风–浪–流多场动力分析，主要研究结论如下：

1）本文提出了一种海上风力机漂浮式平台优化设计新方法，该方法基于降低重心与增大惯性矩的思想提高平台整体稳定性，通过迭代计算优化浮式平台参数直至达到最优效果。具体实施路径有：改变结构主尺度，例如修改支撑结构与浮筒截面尺寸、侧柱半径以及倾斜角度；调整质量分布，例如改变压载物种类与质量、调整重心及吃水深度等。

2）基于本文优化设计流程提出的新型浮式平台能够明显降低波浪载荷的影响。较经典半潜式平台，新平台降低平台整体质量可达近10%量级；相较于单柱式平台，新平台降低吃水深度幅度达80%，可有效提高适用水深范围。综合对比新平台与经典半潜式与单柱式平台水动力性能，该新型浮式平台能够明显优化水动力系数，在受到外部载荷后具有较好的恢复能力；新型浮式平台相较于半潜式平台能够明显降低垂荡峰值与其对应波浪频率，降低发生垂荡共振的可能性。

3）海上风力机浮式平台水动力性能研究共性结论表明，上述3种浮式平台所受一阶波浪力与力矩大小均主要取决于平台各向的投影面积，应在设计与施工时尽量保证波浪与浮式平台正向平行，以避免产生过大的侧向波浪力；多立柱式平台垂荡附加质量明显大于单柱式平台，纵摇与横摇附加质量与平台重心高度有关；多浮体结构较为复杂使得各向辐射阻尼明显大于单柱式平台，且在波频范围内更加明显。