半潛型浮式風電裝備水池模型試驗

李輝,錢權,董曄弘,楊微,羅京,劉升

(1.中國船舶集團海裝風電股份有限公司 研究院,北京 100097;2.中國船舶集團有限公司 產業發展部,上海 200010)

雖然現在海上風電場開發還是以固定式風電裝備為主,但是隨著近海資源的減少,海上風電開發必然由近海走向深海。隨著水深的增加,風電場開發采用固定式基礎的經濟性不再明顯,而浮式風電裝備既可以降低噪聲和視覺方面的要求,又可以采用更大功率風電機組去充分利用深海風能資源,因而優勢凸顯。但浮式風電裝備同時承受多種環境載荷,各子系統之間相互影響明顯,屬于典型剛柔多體耦合系統,裝備整體動力響應耦合特性尚不十分清楚。在海洋工程領域,水池模型試驗是準確預報浮式結構物動力響應的可靠技術之一,但對于浮式風電裝備仍存在諸多技術挑戰,其中最大的挑戰之一是試驗模型不能同時滿足雷諾數相似與弗汝德數相似[1-2]。對于傳統海工結構物,風載荷與波浪載荷相比,被視為次要因素,因此可以忽略雷諾數相似準則。但是,對于浮式風電裝備而言,風載荷也是主要因素,雷諾數相似原則不能被忽略。因此浮式風電裝備水池模型試驗的難點始終圍繞如何保證模型氣動性能與原型更加匹配[3]。全實物浮式風電裝備水池模型試驗主要關注如何準確保證重構葉片氣動性能與原型相似,并與數值仿真軟件進行相互驗證,從而為工程項目一體化仿真分析選擇合理的工具[4-5]。國內這方面的研究剛起步,而基于實際工程項目的研究2020年才開始。因此,考慮結合國內首臺深遠海浮式風電項目,基于6.2 MW風電機組和半潛型浮式風電平臺,利用最新的低雷諾數翼型進行葉片重構設計,并保證葉尖速比和弗汝德相似開展水池模型試驗,分析浮式風電裝備固有特性,并與內部仿真軟件進行相互驗證,以保證工程項目一體化仿真結果的準確性。

1 模型設計

由于雷諾數和弗勞德數不能同時相似,根據試驗目的和整體動力響應特點,本次浮式風電裝備水池模型主要滿足弗勞德相似,同時根據原型葉片氣動性能進行低雷諾數翼型重構葉片設計,保證氣動推力和葉尖速比相似,相似準則見式(1)～(3)。模型縮尺比為50,水池模型整體見圖1。

圖1 水池試驗模型

(1)

(2)

(3)

1.1 葉片模型

葉片設計是試驗模型設計的關鍵,主要手段是在保證風輪推力系數(CT)和葉尖速比(TSR)相似前提下進行葉片重構設計[6]。根據風機運行轉速和模型雷諾數范圍,選擇專門為試驗設計的低雷諾數翼型aeTT,然后基于內部氣動分析軟件HAWC2進行葉片分析,得到縮比模型葉片參數,模型葉片氣動特性見圖2。

圖2 葉片氣動推力對比

試驗模型葉片采用碳纖維材料加工制作,優先保證質量及強度要求,最終單支葉片重量誤差小于5%,重心和慣量誤差達到了21%,但葉片相對于整個浮式風電裝備重心和慣量屬于小量,總相對誤差均小于2%,葉片模型見圖3。

圖3 試驗葉片模型

1.2 機艙與塔筒模型

試驗模型的機艙采用鋁合金材料制成,幾何尺寸充分考慮原型機艙與風輪總質量、主軸傾角、風輪重心等參數以及足夠的結構強度。模型輪轂由槳轂及葉根連接件組成,結構對稱。塔筒模型由內部金屬塔筒和外部泡沫幾何外形構成。金屬塔筒采用鋁合金材料加工制作,泡沫塔筒外形簡化為3節進行加工,并根據實際存在的傳感器、連接法蘭等結構做了簡單修正。裝配好的機艙與塔筒模型見圖4,設計參數見表1。

表1 機組模型主要參數

圖4 試驗塔筒與機組模型

1.3 平臺模型

基礎平臺模型與原型之間滿足幾何相似、質量相似與弗汝德相似,試驗模型采用玻璃鋼材料制作,然后通過設置艙室和調壓載等實現模型質量、重心、轉動慣量等要素的相似,平臺模型見圖5,設計參數見表2。

表2 平臺試驗模型參數

1.4 系泊系統模型

試驗中,系泊系統采用錨鏈、鋼絲和彈簧,依據重量相似及彈性系數相似進行模擬。由于系泊系統模型錨點間距很小,故每3根錨鏈共用1個帶有鐵片的磁吸錨點,錨鏈試驗模型見圖6,主要參數見表3。

表3 系泊系統試驗模型參數

圖6 試驗錨鏈模型

1.5 試驗傳感器

根據試驗要求,使用多種傳感器,參數見表4。

表4 傳感器參數

2 環境條件校對

2.1 風場校對

試驗結合上海交通大學水池條件,由1套便攜式大型造風系統模擬風場,系統由68個獨立運轉的小風機組成。風場校對共設置7個測點[7],試驗中共模擬小風、額定風、大風和極限風共4種風速,輪轂中心高度處風場實測結果見表5。

表5 輪轂中心處平均風速校對 m/s

風輪內部測點風速均勻度較好,平均風速誤差為5%左右,不同風速下湍流強度均在10%以內,后面試驗需要增加整流罩來提高風場質量。

風輪外部測點風速均勻度較差,平均風速誤差為10%～20%。湍流強度隨風速變大而減小,最小湍流強度為15%,最大值接近40%,但風輪面外的風速變化對推力影響不明顯。

2.2 推力標定

在試驗開始前,對每個風速的風輪推力進行校對。校對時將風機模型立在液壓叉車上,調節風輪中心高度與后續試驗中一致,并根據測量結果調整變槳角度,保證推力滿足設計要求,標定狀態見圖7。

圖7 機組推力標定

推力模型值與設計值均值誤差較小,推力標定結果見表6,滿足設計要求。

表6 推力標定結果

2.3 波浪校對

在正式水池試驗之前,必須對模擬的波浪進行校對。用浪高儀測量持續時間內水池中不規則波的波浪時歷,并對波浪時歷進行譜分析。如果模擬所得的波譜結果與目標值相差較大,則應根據差異情況重新修正造波機的控制信號。如此往復,直至水池中的波浪時歷達到試驗要求。本試驗的不規則波采用JONSWAP波譜模擬,采樣頻率為50 Hz,代表波浪譜校對結果見圖8。

圖8 試驗波浪校對(Hs-3.92 m,Tp-10.1 s)

波浪試驗中采用的波浪周期對應于實際值范圍為5.0～30.0 s,波高與波長比滿足微幅波假定要求。

2.4 海流校對

試驗共涉及1.0,2.5和3.5 m/s 3個流速,但由于試驗中水深僅為1.3 m,所需流速超過了水池在該水深下的流速模擬能力,因此采用掛載砝碼方法模擬流載荷。流載荷掛載所需的質量根據循環水槽試驗測定,具體數值見表7,砝碼掛載高度為根據仿真結果換算得出。

表7 流載荷數值校對

3 裝備固有特性結果

進行水池試驗之前,基于原型參數在項目組內部軟件Deeplines Wind完成數值模型建立,根據試驗測量裝備固有特性結果,與數值仿真模型對比,模型與試驗定義的方向與坐標系見圖9。

圖9 試驗與仿真方向和坐標系

3.1 塔筒頻率

浮式風電裝備模型下水前,對塔筒模型開展敲擊試驗,以確定其固有頻率,結果見表8。

表8 塔筒固有頻率對比表 Hz

從對比結果來看,一階前后方向頻率誤差偏大,原因在于塔底與平臺固定邊界與仿真模型不完全相同;另外,模型塔筒尺寸較小,因加工產生的誤差,也會對塔筒剛度和頻率產生影響。

3.2 系泊剛度

對半潛式浮式風電裝備進行水平剛度試驗,測量得到模型系泊系統水平剛度曲線,與數值仿真結果進行對比,結果見圖10～12。靜水剛度試驗共包括X正負方向、Y正向和艏搖正負方向共5部分內容。

圖10 系泊剛度對比

對比結果可以看出,模型錨鏈剛度與仿真模型結果一致性較好,說明模型錨鏈設計和數值模型建模準確。

3.3 固有周期

在風浪流耦合試驗之前,首先對裝備進行靜水衰減試驗,包括自由衰減、完整系泊衰減、有風系泊衰減共3部分。記錄各自由度運動衰減時歷,由此得到裝備整體固有周期和阻尼系數,并與數值仿真結果進行對比,典型結果見表9,典型衰減時歷曲線見圖11～13。

表9 典型狀態下固有周期

圖11 垂蕩衰減時歷對比-自由漂浮狀態

圖12 縱蕩衰減時歷對比-系泊完整狀態

圖13 縱搖衰減時歷-系泊完整+有風狀態

對比結果可見,自由狀態下仿真結果與試驗結果一致性較好,說明整個裝備模型重量、重心與慣量滿足設計要求。但在有風狀態誤差偏大,主要由于風輪慣量、塔架剛度和氣動阻尼差異。從阻尼結果可以看出,自由狀態浮式風電裝備阻尼較小,僅為臨界阻尼1%,在完整系泊和有風狀態下,阻尼也沒有超過臨界阻尼4%,說明整個浮式風電裝備阻尼要比傳統海洋石油平臺阻尼低一些。

3.4 RAO

試驗中對半潛型浮式風電裝備進行了自由漂浮、完整系泊和完整系泊+有風共3類狀態白噪聲試驗,獲得了該浮式風電裝備在波浪中的六自由度運動響應,從而獲得在這些狀態下的運動幅值響應函數(RAO),分別進行不同狀態頻域結果對比,代表性結果見圖14～17。

圖14 垂蕩RAO對比-60°方向

圖15 橫搖RAO對比-30°方向

圖16 垂蕩RAO對比-0°方向

圖17 縱搖RAO對比-120°方向

從對結果可見,自由漂浮狀態下,試驗模型RAO結果與數值模型結果一致性較好,說明數值模型添加粘性阻尼相對準確。完整系泊和有風發電狀態,會增加系統的阻尼水平,因此在固有周期附近,會降低系統運動RAO峰值。但是對于縱蕩響應,由于固有周期遠大于波浪周期范圍,因此風的阻尼體現不明顯。

4 結論

1)采用重構葉片設計來保證推力相似和葉尖速比相似是一種解決弗勞德數和雷諾數不能同時相似的方法,但在葉片設計和模型加工中,葉片質量分布與慣量的控制比較困難,需要在試驗前期設計階段與葉片設計方和加工方充分溝通,確定試驗細節,才能盡量減小風輪慣量誤差。

2)塔筒不能完全幾何相似,因此試驗中應盡量保證剛度和頻率一致。由于塔筒底部邊界和加工誤差,試驗塔筒頻率誤差偏大,會引起后面塔筒載荷產生較大誤差。

3)試驗風場采用陣列小風機實現,可有效保證風場風速,但是風場湍流度在輪轂中心附近較小,在風輪外邊緣湍流度較大,后面的試驗可考慮增加整流罩來提高風場造風質量。

4)各狀態下系統模型固有特性與數值仿真結果一致性較好。自由狀態阻尼較小,在有風狀態下,系統阻尼有所增加,但整個裝備阻尼要比傳統海洋石油平臺阻尼低。

5)試驗模型RAO結果與數值模型結果一致性較好,說明數值模型添加粘性阻尼相對準確。完整系泊和系泊有風發電狀態,會增加系統的阻尼水平,因此在固有周期附近,會降低運動RAO峰值。