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1、半潜漂移式风机稳性数值分析任重进;杨勇;王力群;马东;胡海娟;郑侃【摘 要】针对半潜浮式风机稳性分析的特别性,借鉴传统半潜海工平台设计阅历,结合海上浮式风机构造高耸性特点,参考稳性相关标准,提出一种半潜浮式风机稳性分析方法,应用稳性分析专业软件 NAPA,数值仿真计算半潜浮式风机的完整稳性和破损稳性,结果说明,浮式风机在各典型工况下不会发生倾覆或漂浮,满足风机稳性安全及正常运行发电要求.【期刊名称】船海工程【年(卷),期】2023(048)003【总页数】5 页(P95-98,104)【关键词】浮式风机;稳性分析;数值仿真【作 者】任重进;杨勇;王力群;马东;胡海娟;郑侃【作者单位】明阳才智能
2、源集团股份公司,广东中山 528400;明阳才智能源集团股份公司,广东中山 528400;明阳才智能源集团股份公司,广东中山 528400;明阳才智能源集团股份公司,广东中山 528400;明阳才智能源集团股份公司,广东中山528400;明阳才智能源集团股份公司,广东中山 528400【正文语种】中 文【中图分类】U661.2半潜式浮式风机因其稳定性较好、适用水深范围广、安装运输便利而备受关注。良好的根底稳定性是初期设计阶段重点考虑因素之一。目前国内关于半潜漂移式风机稳性的分析争论还有一系列问题有待解决，主要如下1。1) 叶片风倾力矩的计算主要承受等效圆盘估算的方法，无法准确描述叶片产生的巨大
3、气动力载荷。2) 稳性评价标准与设计标准主要参考传统海工平台，但浮式风机属于无人作业，其设计安全等级较低些，且对完整工况下的静倾角限值有要求。3) 关于稳性计算工况，DNVGL 标准中提到了运行工况，但未具体规定运行工况的内容(启动、发电、刹车、停机等)，且未与风机掌握策略(变桨、偏航)、风速风向相结合，因此须对漂移式风机全生命周期的典型运行工况开展稳性分析。为探讨半潜漂移式风机稳性分析局部问题及完善稳性分析思路，以某典型半潜浮式风机为例，开展稳性数值计算分析。选用 Bladed 软件准确计算叶片气动力载荷， 通过受力分析转化为风倾力矩；依据半潜浮式风机运行安全与功能要求，提出其稳性适用性衡准
4、；对各典型运行工况下的风机载荷开放比照分析，选择极限风机载荷工况进展稳性分析。1 半潜浮式风机设计1.1 主要设计参数浮式风机构造主要包括：发电机组、轮毂、叶片、塔筒及浮式支撑根底。发电机组通过轮毂与叶片连接在一起，下部与塔筒相连，塔筒底部通过法兰与浮式根底相连2。半潜式平台因柱体之间距离较远而获得较大的水线面惯性矩，具有较好的稳性。算例承受 3 浮筒半潜式平台作为风机支撑根底，几何模型见图 1。图 1 风机整体几何模型在立柱底部设置大尺度圆形浮筒，以增大根底的附加质量和阻尼，抑制根底的垂荡运动；为调整根底浮态及提高根底稳性，在浮筒与立柱内设置压载舱；立柱最上层设置为空舱，以合理布置电气、系泊
5、缆等设备。主要设计参数见表 13。表 1 风机主要设计参数设计水深/m20.0 单机发电功率/MW5.5 叶片+桨毂+机舱质量/t348.0 塔筒质量/t302.2 根底质量/t2 691.6 压载水质量/t10 966.0 整体质量/t14 307.8 整体垂向重心 VCG/m10.2 初稳性高 GM/m7.1根底主尺度信息见图 2。图 2 根底主尺度1.2 典型计算工况1) 拖航工况。需要核算完整稳性和破损稳性，风速为 70 kn。2) 作业工况。浮式风机大局部生命周期内都处于作业工况，包括启动、发电、刹车等，与具体的掌握策略及风速风向相关，须对各具体工况下的风机外界载荷进展比照分析，选择
6、极限载荷工况进展稳性分析。需要核算完整稳性和破损稳性，风速为70 kn。3) 自存工况。又称风暴工况，浮式风机处于最恶劣的设计环境载荷工况，此时风轮处于顺桨停机或空转状态。此工况只需要核算完整稳性，风速为 100 kn。算例稳性计算工况汇总见表 2。针对破损稳性，借鉴海工平台设计阅历，依据浮式风机破损的本钱效益分析，小于10 MW 的浮式风机只计算单舱破损，风速取 50 kn。表 2 稳性计算工况汇总计算工况吃水/m 完整稳性破损稳性拖航工况 5.0作业工况 20.0自存工况 20.01.3 开口布置根底的外部开口对稳性分析计算极为重要，在稳性计算校核时，需要满足标准要求4。算例中的立柱和浮筒
7、设置压载舱，立柱最上层为设备舱，故立柱顶部应布置舱口盖、透气孔和通风筒；根底与塔筒为法兰连接，在连接处设置非保护性开口。稳性计算 所用开口布置见图 3。图 3 根底开口布置2 稳性衡准要求漂移式风机进展相比于传统海洋工程平台起步较晚，目前相应标准体系与安全评价标准尚未成熟，DNVGL 关于海上风机的标准 DNVGL-ST0119 提到了浮式风机稳性设计的相关衡准，内容主要借鉴传统海工平台5。相比于传统海工平台，浮式风机稳性设计有其身的特点：针对完整稳性，一般标准并无对静倾角限值的规定，但为了保证风机关键设备正常运行及捕获更多风能， 浮式风机需保持肯定的静倾角，有必要设置静倾角最大限值；针对破损
8、稳性，为保证发生破损后，风机关键设备不发生损坏，有必要对破损后静倾角进展限值。 借鉴传统海工平台标准6，参考 DNVGL 浮式风机设计标准，承受的稳性校核衡准见表 3、4。完整稳性衡准 2 及破损稳性衡准 1 中：静倾角 15与破损平衡角 17的限值只作参考，具体限值须依据风机设备运行要求及风轮与风向夹角综合考虑，最终由风机厂家与设备厂商共同协定。表 3 完整稳性衡准衡准描述衡准值 从 0 至其次交点或进水角处的复原力矩曲线下的面积(取其较小者),至少应比至同一限定角处风倾力矩曲线下面积大 30%1.3 在风倾力矩作用下,静平衡角不大于 15 15 复原力矩曲线从正浮至其次交点的全部角度范围内
9、均应为正值0 m表 4 破损稳性衡准衡准描述衡准值风机根底破损后,平台倾角应不大于 17 17位于最终水线以下的任何开口都应水密 从第一交点至完整稳性所要求的风雨密完整稳性范围或其次交点(取两者中小者),复原力矩曲线应至少有 7的范围73 风倾力矩计算3.1 叶片载荷承受叶素-动量理论求解叶片气动力载荷7。作用在叶素上的推力和弯矩为(1)(2)式中： 为空气密度；W 为合成风速;B 为叶片数量;C 为叶素剖面弦长;Ct、Cd 分别为叶素的升力系数和阻力系数； 为入流角；r 为叶素到轮毂中心的距离；r 为每个叶素的展向长度。承受 Bladed 软件计算作用在塔筒顶部的载荷，再进一步转化为作用在根
10、底上的风倾力矩。3.2 机舱、塔筒和根底载荷与叶片载荷相比，机舱、塔筒和根底不需要考虑气动力效应，风载荷计算参考DNV 标准。F=0.5CSCHV2A (3)式中：CS 为受风构件的外形系数；CH 为受风构件的高度系数； 为空气密度；V 为风速；A 为全部暴露面的投影面积。承受 NAPA 软件建立机舱、塔筒和根底的受风模型(见图 4)，计算作用在根底上的风倾力矩。图 4 机舱、塔筒和根底受风模型4 稳性计算算例承受专业软件进展稳性计算，包括静水力模型建立、舱室划分、典型装载工况、完整稳性计算、破损稳性计算，最终得到各典型工况下的许用重心高度8。4.1 完整稳性计算完整稳性主要争论风机在外力作用
11、下是否具备抗倾覆力量。自存工况下完整稳性计算结果见图 5，其中静平衡角为 13.3，满足 15限值的要求；从正浮到进水角范围内的面积比为 1.33，满足 1.3 限值的要求；复原力臂从 0 至进水角范围内均为正值，满足标准要求。对于拖航与作业工况，完整稳性同样满足标准与风机正常运行要求。图 5 自存工况完整稳性计算结果4.2 破损稳性计算破损稳性主要争论风机根底某一舱室发生破损进水后，在 50 kn 风速作用下，风机不会倾覆或漂浮，仍具备肯定浮性和稳性的力量。对于算例，只计算单舱破损稳性。浮体破损稳性与舱室划分密不行分，舱室划分过少，舱室破损进水将导致平台失稳倾覆；舱室划分过多，会引起额外的质
12、量增加，经济性降低9。综合考虑破损稳性要求、舱室布置优化及经济性，浮式风机根底主要舱室划分见图 6。图 6 舱室划分作业工况下舱室发生破损后的浮态及稳性计算结果分别见图 7、8。图 7 立柱舱室破损后浮态图 8 作业工况破损稳性计算结果结果说明，立柱第三层压载舱(水面处)发生破损时为最临界状况，稳性储藏最差。此时根底静倾角为 15.2，满足 17限值要求；全部风雨密开口、非保护性开口都在破损静水面之上，满足标准开口布置要求；从第一交点至非保护性开口位置(风雨密角度范围)为 24.6，满足 7限值的要求。拖航工况下，破损稳性同样满足标准要求。4.3 许用重心高度(AVCG)许用重心高度是指平台恰
13、能满足稳性衡准要求时的重心高度。平台实际运营过程中的重心高度不得超过此极限值，否则便会造成稳性缺乏，因此许用重心高度为实际操作运营时的最大重心高度10。经稳性计算获得各工况吃水下的许用重心高度后，后续只需进展各工况吃水下的装载计算，校核此装载下的重心高度是否满足许用值， 而不必对具体装载工况再进展稳性计算，提高稳性核算效率11。依据完整稳性和破损稳性计算，分别获得风机在完整和破损状态下的许用重心高度值，进一步求解综合许用重心高度，用于实际装载指导与稳性校核。风暴工况下各可能性吃水下的许用重心高度(AVCG)变化见图 9。图 9 许用重心高度(AVCG)经装载计算，风暴工况下吃水 20 m 时重
14、心高度为 10.2 m，舱室自由液面对重心高度的修正值为 0.2 m，最终风机整体重心高度为 10.4 m，满足许用重心高度11.5 m 的限值要求，风机根底具备充分稳性，不会消灭倾覆或漂浮。5 结论1) 浮式风机风倾力矩的准确计算是稳性分析的关键，设计初期叶片的气动力载荷计算可借助专业仿真软件，后续应进展风洞试验，以确保风倾力矩计算精度。2) 为保证浮式风机关键设备正常运行及发电效率，风机的静倾角不宜过大，对于算例完整稳性静倾角限值 15，破损稳性限值 17，具体静倾角限值应综合考虑风机设备运行倾角要求及风轮与风向的夹角要求进展合理设定。3) 浮式风机运行工况多而简单，由风速风向及掌握策略打
15、算，应对具体运行工况中的极限载荷工况进展稳性分析。4) 当立柱第三层压载舱发生破损时，浮式风机倾斜角度最大，破损稳性结果最差， 此时舱室处于水面位置，发生碰撞的几率较大，有必要实行适当防护措施。参考文献【相关文献】1 邓露，王彪.半潜型浮式风机平台争论综述J.船舶工程，2023,38(4):1-6.2 吕滨，张虹宇.海洋风电场风机根底的设计分析J.船海工程，2023,41(2):155-160.3 李良.半潜式浮式风机动力响应机理的理论与模型试验争论D.上海：上海交通大学，2023.4 姚云熙，梅荣兵.浅谈某大型半潜式平台稳性分析J.中国造船，2023,56:206-210.5 DNVGL.
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