海上Braceless风机水动力响应分析

何炜杰

重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074

摘要：在实际海洋环境下，浮式风机平台常常承受非线性波浪的作用，探究海上风机平台水动力荷载响应非常重要，本文基于美国可再生能源实验室搭载的Braceless半潜式浮式风机，分析在波浪作用下的水动力分析，该成果可为海上风机结构设计提供一定的参考。

关键词：浮式风机；水动力；非线性波浪

引言：

近年来，随着全球海上风电逐步向深海、远海进发，浮式海上风点技术作为新一代海上风电技术，获得了业内的广泛关注。现阶段常见的浮式基础结构主要是：spar浮式基础、半潜式浮式基础和张力腿式浮式基础三大类，美国可再生能源实验室搭载的Braceless就是典型的半潜式浮式基础之一。

由于长期波浪荷载长期作业在浮式平台上，所以研究浮式平台在波浪作用下的水动力性能尤为重要，本文基于美国可再生能源实验室搭载的5MW风机的Braceless半潜式浮式基础，对其进行水动力分析，通过计算来确定水动力性能，为漂浮式海上风机提供一定参考。

1半潜式浮式基础建模及边界条件建立

1.1基础结构设计及计算模型建立

本文选取由美国可再生能源实验室(NREL)提供的5MW风机，型式为三叶片迎风式变桨变速风机，基本参数如下所示。

边柱高度:44m,吃水深度24m，浮筒夹角120°，立柱直径9m，总质量1.056×107kg，重心位置(0m,0m,-24.53m)，浮心位置(0m,0m,-22.42m)，转动惯量Ixx=1.05×1010kg.m2，转动惯量Iyy=1.05×1010kg.m2，转动惯量Izz=8.24×109kg.m2。

1.2边界条件建立

在对半潜式浮式基础进行频域分析时，由于半潜式浮式基础没有设置系泊系统，因此分析时仅考虑半潜式浮式基础在波浪作用下的波频运动。在设置环境参数时，水深设为200m;波浪频率范围为0.1~3.59rad/s,步频数为40：浪向角范围为-180~180°，间隔30°，浪向角数量11个。

1.3附加质量系数

由图1分析可得，在纵荡和横荡方向上，浮式基础的附加质量变化趋势几乎相同，随着频率的增加，附加质量先增加，在频率为0.8rad/s时达到峰值，之后开始降低，在高频区间波动后趋于稳定，最终稳定6×106kg;在横摇和纵摇方向上，浮式基础的附加质量变化趋势也相近，同样是随着频率的增加，附加质量先增加，在频率为0.8rad/s时达到峰值，之后开始降低，在高频区间波动后趋于稳定，最终稳定在1×106kg;在垂荡方向上，浮式基础的附加质量变化趋势呈现出随着频率的增加而减小的趋势，在1.7rad/s时，附加质量降到最小值，在0.4~1.7rad/s之间附加质量呈波动状态，之后稳定在4.5×108kg附近；在首摇方向上浮式基础的附加质量的变化趋势为先增加到1rad/s时达到峰值，随后附加质量出现波动，最后在高频区稳定在4×108kg。

             

图1 附加质量系数

1.4浮式基础的幅值响应函数(RAO)

根据线性势流理论的假设，把波浪力的大小与波幅的比例关系定义为波浪力的幅值响应函数RAO(response amplitude operators)。由于在垂荡、横摇和首摇等3个自由度上的幅值响应函数数值非常小，对风机的运动影响较小，因此本文仅列出纵荡、横荡和纵摇等3个自由度的运算结果。由图2分析可得，在纵荡自由度上，浮式基础的幅值响应函数随着频率的增加而快速减小，在1rad/s后基本趋于0；在横荡自由度上，浮式基础的幅值响应函数的变化趋势与纵荡类似，在低频区域RAO快速减小，在1rad/s后基本趋于0；在纵摇自由度上，浮式基础的幅值响应函数随着频率的增加呈现出先增大再减小的趋势，在0.6rad/s时幅值响应函数达到峰值，之后随着波浪频率的增加，运动幅值迅速下降并趋近于0。总体来说，浮式基础在低频区域的运动响应比较明显，可以避开绝大部分的短周期波浪，证明该浮式风机平台具有良好的水动力性能。

图2 纵荡、横荡、纵摇RAO

结论：

本文基于Braceless半潜式浮式基础建立半潜式海上风机的基础模型，进行水动力性能分析计算，得到了浮式基础在频域内的附加质量和幅值响应函数RAO(response amplitude operators)。结果表明浮式基础在纵荡和横荡、纵摇和横摇上的附加质量基本相同，表面浮式基础具有良好的对称性且浮式基础在低频区域的运动响应比较明显，可以避开绝大部分的短周期波浪，证明该浮式风机平台具有良好的水动力性能。本研究成果可为海上浮式风机结构物的设计提供一定参考。

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