摘    要：深海漂浮式風(fēng)力機平臺穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)，其系泊在風(fēng)、浪及海流等動態(tài)載荷周期性作用下引發(fā)蠕變后會加速腐蝕，從而導(dǎo)致系泊失效。為了研究系泊失效后風(fēng)力機所受載荷對平臺動態(tài)響應(yīng)的影響，參考Barge平臺的NREL 5 MW風(fēng)力機建立了漂浮式風(fēng)力機整機模型，通過對AQWA的二次開發(fā)實現(xiàn)了與FAST間的實時數(shù)據(jù)交換，開展了漂浮式風(fēng)力機的風(fēng)波耦合數(shù)值仿真。結(jié)論表明：系泊失效后漂浮式風(fēng)力機平臺響應(yīng)增大、風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)安全性降低。其中，迎風(fēng)側(cè)系泊失效對平臺影響最為明顯，尤其是橫蕩和艏搖方向受到的影響更大，失效后的最大響應(yīng)幅值分別為失效前的6.3倍和9.7倍。

關(guān)鍵詞：漂浮式風(fēng)力機;系泊;失效;動態(tài)響應(yīng);

0 引言

漂浮式風(fēng)力機因其基礎(chǔ)為浮式平臺，在受風(fēng)浪載荷長期持續(xù)的作用下，會發(fā)生慢漂、低頻及波頻等響應(yīng)，直接威脅漂浮式風(fēng)力機結(jié)構(gòu)安全及運行穩(wěn)定性[1]。因此，需對漂浮式風(fēng)力機的平臺附著系泊，通過將其鏈接至海底，為平臺提供定位與回復(fù)力，以保證漂浮式風(fēng)力機正常工作[2]。但隨著運行時間增加，系泊隨平臺運動時存在與海底間摩擦、海水腐蝕和海洋微生物等作用，系泊使用壽命將大幅衰減[3]。此外，沿海地區(qū)為極端臺風(fēng)高發(fā)區(qū)，系泊極易因受力劇增而發(fā)生失效，從而導(dǎo)致平臺動態(tài)響應(yīng)急劇增大，極端條件下甚至可能發(fā)生整機傾覆等嚴重事故，直接威脅漂浮式風(fēng)力機的安全[4]。因此，有必要對系泊失效下漂浮式的風(fēng)力機的動態(tài)響應(yīng)進行分析。

隨著各種漂浮式風(fēng)力機平臺的提出與應(yīng)用，已有較多學(xué)者就其應(yīng)用范圍、參數(shù)、張力特性及組合系泊等方面展開了研究。孫金偉等[5]討論了不同系泊模式，即分組式系泊與分布式系泊對半潛式平臺動態(tài)響應(yīng)的影響，并就兩種系泊模式中單根系泊失效下對平臺的影響進行了對比。穆安樂等[6]采用懸鏈線系泊系統(tǒng)，通過對平臺縱蕩和縱搖響應(yīng)進行分析，研究了風(fēng)浪聯(lián)合作用下系泊半徑、導(dǎo)纜孔位置和系泊長度等對平臺穩(wěn)定性及系泊受力的影響。潘甜[7]研究發(fā)現(xiàn)組合系泊系統(tǒng)可為浮式平臺提供更大的回復(fù)力。張亮等[8]將Spar平臺系泊改為包括錨鏈、重塊及彈性系泊的組合系泊，發(fā)現(xiàn)彈性系泊可有效降低平臺動態(tài)響應(yīng)與系泊張力，且彈性系泊的位置對結(jié)果無明顯影響。趙永生等[9]針對漂浮式風(fēng)力機可能遭遇到的極端惡劣海洋環(huán)境，通過極端載荷統(tǒng)計外推的方法得到了不同概率極端海況下張力腿平臺葉根受力情況。馬剛等[10]對某半潛式浮式風(fēng)力機開展氣動-水動-伺服-彈性耦合數(shù)值模擬，預(yù)報不同向變極端相干陣風(fēng)（ECD）工況與浪流耦合環(huán)境下系統(tǒng)的氣動和水動響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在9s左右所研究浮式風(fēng)力機的系泊張力最大，可能造成系泊線的斷裂，這是影響系泊安全的關(guān)鍵參數(shù)。

針對系泊失效下漂浮式風(fēng)力機浮動特性及動態(tài)響應(yīng)方面，亦有學(xué)者開展了相關(guān)研究。Bae等[11]建立了漂浮式風(fēng)力機氣動-水動-伺服-彈性-系泊全耦合模型，通過對半潛平臺系泊失效進行靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)因系泊失效引發(fā)的漂浮式平臺橫向受力不均產(chǎn)生的扭矩導(dǎo)致上部風(fēng)輪發(fā)生偏航。Yang等[12]基于FAST的漂浮式風(fēng)力機氣動-水動-系泊全耦合系統(tǒng)，對不同位置系泊失效下10MW多浮體平臺動態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)系泊失效后平臺平動位移與轉(zhuǎn)動偏轉(zhuǎn)角均明顯增大，且剩余系泊張力增大了165%。胡超等[13]分析了極端海況下半潛平臺系泊失效后剩余系泊張力情況，發(fā)現(xiàn)系泊受力安全系數(shù)減小。施偉[14]研究了單根系泊失效下的半潛平臺動態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)失效后平臺縱蕩穩(wěn)定性下降，響應(yīng)大幅增加。鄭侃等[15]進一步研究了多根系泊失效對半潛式平臺漂浮式風(fēng)力機動態(tài)響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)浪側(cè)系泊失效，可能導(dǎo)致平臺出現(xiàn)傾覆。郭俊凱等[16]針對3MW水平軸風(fēng)力機探究了多載荷共同作用對風(fēng)力機結(jié)構(gòu)部件的影響，為風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和安全運行提供了數(shù)據(jù)參考。

上述文獻關(guān)于系泊對漂浮式風(fēng)力機的影響已開展了較全面的研究，且分析了系泊失效對平臺的影響，但仍存在一定局限。由于漂浮式風(fēng)力機不僅受到浪載荷和流載荷的影響，上部結(jié)構(gòu)（葉輪、塔架和機艙等）還會受到風(fēng)載荷的作用，且風(fēng)載荷與浪、流載荷存在相互耦合，共同影響整機運動。因此，本文基于F2A開展了風(fēng)、浪、流耦合作用下不同位置系泊失效對平臺響應(yīng)特性的研究[17]。

1 研究對象

1.1 漂浮式風(fēng)力機模型

研究對象為基于ITI Energy Barge平臺的NERL 5 MW漂浮式風(fēng)力機。風(fēng)力機主要參數(shù)見表1，漂浮式平臺主要參數(shù)見表2，漂浮式風(fēng)力機整機[18]如圖1所示。通過kaimal湍流風(fēng)譜模型，生成了漂浮式風(fēng)力機全流域風(fēng)場，由葉素動量理論結(jié)合風(fēng)力機翼型氣動參數(shù)，對風(fēng)輪在額定風(fēng)速11.4m/s所受非定常氣動載荷進行了求解。并基于P-M波浪譜生成漂浮式平臺所處海域的不規(guī)則波，根據(jù)輻射/繞射理論計算3m有義波高與10s跨零周期的波浪載荷。

表1 NREL 5MW風(fēng)力機參數(shù)表 

表2 ITI Energy Barge平臺參數(shù)表

圖1 Barge平臺漂浮式風(fēng)力機

1.2 漂浮式風(fēng)力機系泊系統(tǒng)

Barge平臺通過與四個角上導(dǎo)纜孔的8根系泊與海底錨點相連，圖2為帶系泊的平臺俯視圖，系泊參數(shù)見表3。系泊失效的標準可以根據(jù)風(fēng)力機的設(shè)計和運行條件來確定，本文中失效標準是一旦系泊張力超過預(yù)設(shè)的限制，就認為系泊系統(tǒng)失效。

圖2 系泊示意圖 

表3 系泊參數(shù)

在AQWA中可將連接到平臺的每條系泊纜建模為準靜態(tài)或動態(tài)懸線鏈。系泊纜的準靜態(tài)懸鏈線模型的局部坐標系如圖3所示。

圖3 懸鏈線模型局部坐標系

Fig.3 Local coordinate system of the catenary model

懸鏈線任意段的張力表示為:

式中，L是懸鏈線段的未拉伸長度；w是浸沒部分單位質(zhì)量密度；EA是每單位長度的剛度。

當某一段懸鏈線的未拉伸長度小于理論未拉伸長度L且已知頂端的拉力時，該段懸鏈線的底端位置推導(dǎo)為：

懸鏈線底端的張力分量表示為：

底端的張力分量表示為:

如果將系泊纜線建模為動態(tài)懸鏈線，則將考慮懸鏈線質(zhì)量、拖曳力、軸向彈性張力和彎矩的影響。系泊張力和平臺運動是相互作用的，每條系泊纜線均將建模為承受各種外力作用的一列Morison型構(gòu)件鏈。

任意懸鏈線段的運動方程如下：

式中，m為單位長度的質(zhì)量；Q為每單位長度的分布式力矩載荷；R為該段懸鏈線底端的位置向量；Se為該段長度；Fh和w分別為每單位長度的外部流體動力矢量和單元質(zhì)量；T和M分別為該段底端的張力和力矩。

系泊纜產(chǎn)生的恢復(fù)力將與水動力載荷和外力相加，以求解平臺的運動方程。

2 漂浮式風(fēng)力機系統(tǒng)耦合動力學(xué)模型

漂浮式風(fēng)力機運動過程中，風(fēng)浪對其的作用并非是各自獨立，而是相互間存在耦合作用。即風(fēng)載荷下產(chǎn)生的彎矩和扭矩作用傳遞到平臺引起平臺位置與形態(tài)的改變，還會影響到平臺上浪載荷的大小。反之，平臺在波浪載荷作用下的運動響應(yīng)，也會引起葉輪位置改變，導(dǎo)致氣動載荷發(fā)生變化。所以必須充分考慮作用于漂浮式風(fēng)力機上的風(fēng)波耦合作用，但是海工計算軟件AQWA無法實時計算漂浮式風(fēng)力機風(fēng)載荷的需求。

因此，本文通過對AQWA的二次開發(fā)，實現(xiàn)了AQWA與FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures,Turbulence,FAST）間實時的數(shù)據(jù)交換，AQWA計算出的平臺位置、速度及加速度等數(shù)據(jù)傳遞到DLL中，用于確定漂浮式風(fēng)力機上部結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，DLL中計算出的風(fēng)載荷經(jīng)由塔架作為外力傳遞到AQWA平臺上用于平臺響應(yīng)的求解。

FAST求解時域運動方程過程采用預(yù)測-校正算法，故將其載荷傳遞到AQWA之前，需對FAST求出的載荷進行校正，當塔基為慣性坐標系原點時，塔基處平動與轉(zhuǎn)動載荷轉(zhuǎn)換如式（6）與式（7）所示。

式中，F(xiàn)AQWA和FFAST分別為AQWA和FAST中的平動力向量；MAQWA是平臺質(zhì)心相對于AQWA慣性坐標系的力矩矢量；MFAST是在FAST中得到的相對于塔基局部坐標系作用于塔基的力矩向量。

3 不同位置系泊失效影響

如圖2所示：Barge平臺左側(cè)為迎風(fēng)側(cè)，由四根系泊（3,4,5,6）固定。右側(cè)為背風(fēng)側(cè)，由四根系泊（1,2,7,8）固定。在風(fēng)與波浪方向固定的條件下，因各系泊方向不同，為平臺提供的恢復(fù)力大小也不相同，不同系泊失效后對漂浮式風(fēng)力機的動態(tài)響應(yīng)也存在差異。漂浮式風(fēng)力機平臺的響應(yīng)包括平動（縱蕩、橫蕩、垂蕩）與轉(zhuǎn)動（橫搖、縱搖、艏搖）。

3.1 平動響應(yīng)

在風(fēng)載荷與波浪載荷的共同作用下，Barge平臺不同系泊失效前后六個自由度動態(tài)響應(yīng)和標準差如圖4和圖5所示。

圖4中三個時域圖分別表示在縱蕩、橫蕩及垂蕩三個自由度上系泊失效前后Barge平臺的動態(tài)響應(yīng)曲線，其中，1600～3100s為系泊正常工作狀態(tài)，3100s時系泊失效，3100～4600s為系泊失效后平臺的動態(tài)響應(yīng)。系泊失效后平臺失去平衡，并作往復(fù)運動，平臺的穩(wěn)定性顯著降低。其中橫蕩方向受到影響相對最大，其次是縱蕩，垂蕩受影響最小。

分析數(shù)據(jù)得出：在縱蕩方向上，系泊4與系泊5失效后對平臺穩(wěn)定性影響最大，其最大響應(yīng)幅值由失效前的25.6m分別增大到39.7m與40.1m，為失效前的1.5倍，剩余系泊失效對平臺縱蕩影響相對較小。原因是系泊4與系泊5位于平臺迎風(fēng)側(cè)，平臺縱蕩的恢復(fù)力主要由這兩條系泊提供，因此系泊4與系泊5失效對縱蕩響應(yīng)影響最大。

橫蕩方向上，因為此方向垂直于風(fēng)浪來流方向，風(fēng)浪載荷在橫蕩方向的分力基本為零，故系泊未失效時平臺在橫蕩方向具有很好的穩(wěn)定性。系泊失效后，系泊4與系泊5對平臺穩(wěn)定性影響最大，其最大響應(yīng)幅值由失效前的4.3m分別增大到27.6m與26.3m，為失效前的6.3倍。系泊4與5失效對平臺橫蕩穩(wěn)定性產(chǎn)生了巨大的影響，其次為系泊2、系泊3、系泊6、系泊7。系泊1與系泊8失效后影響很小。原因同樣在于系泊4和系泊5位于平臺迎風(fēng)側(cè)，提供大部分平臺恢復(fù)力。而系泊1與8位于背風(fēng)側(cè)，在其它任何一根系泊失效的情況下，系泊1與8仍無需提供恢復(fù)力。

圖4 系泊失效前后Barge平臺平動響應(yīng)

垂蕩方向上，在系泊失效前后，風(fēng)浪來流方向都與垂蕩方向垂直，風(fēng)浪載荷的分力基本為零。故垂蕩響應(yīng)曲線在系泊失效前后無顯著變化，僅發(fā)生小幅波動。

3.2 轉(zhuǎn)動響應(yīng)

圖5中三個時域圖分別為Barge平臺在橫搖、縱搖及艏搖三個自由度上不同系泊失效前后的響應(yīng)曲線，得出系泊失效對平臺橫搖與艏搖響應(yīng)影響很大，對縱搖影響很小。在艏搖和橫搖方向，失效系泊的位置不同，平臺動態(tài)響應(yīng)差異明顯。

分析數(shù)據(jù)得出，在縱搖自由度上，8根系泊失效后的響應(yīng)幅值在14.6°左右，與失效前相比，變化范圍在6%以內(nèi)，影響很小。縱搖是由風(fēng)載荷對下部平臺的作用力矩產(chǎn)生的，這個力矩可由葉輪偏航等控制方法來減小，從而增強了風(fēng)力機的穩(wěn)定性。

橫搖自由度上，系泊4與系泊5失效后，平臺橫搖偏轉(zhuǎn)角分別由1.8°增大至7.0°與5.0°，為失效前的3.9倍與2.8倍，與橫蕩類似，系泊4與系泊5位于平臺迎風(fēng)側(cè)，失效后對平臺動態(tài)響應(yīng)變化很大。

艏搖響應(yīng)是因為平臺側(cè)向和縱向受力不均，產(chǎn)生軸向扭矩所致，用來描述漂浮式風(fēng)力機繞塔基發(fā)生的軸向運動。系泊4與系泊5失效后，平臺橫搖偏轉(zhuǎn)角由1.8°分別增大至17.5°與17.5°，為失效前的9.7倍，平臺艏搖響應(yīng)最大。這是因為此時平臺發(fā)生最大側(cè)向與縱向失穩(wěn)。此時因平臺橫縱向受力不均而產(chǎn)生的軸向扭矩最大，故對平臺艏搖響應(yīng)影響最大。

圖5 系泊失效前后Barge平臺轉(zhuǎn)動響應(yīng)

4 結(jié)論

漂浮式風(fēng)力機平臺因其特有的浮動特性，造成其比固定式基礎(chǔ)有較顯著的六自由度搖蕩運動，且對環(huán)境載荷更為敏感。風(fēng)浪較大時，漂浮式風(fēng)力機的搖蕩運動所帶來的響應(yīng)與載荷的增大會影響葉片、塔架及系泊等結(jié)構(gòu)的安全。尤其是系泊失效后導(dǎo)致?lián)u蕩運動的加劇，這不僅會降低風(fēng)力機的發(fā)電效率，甚至?xí)?dǎo)致在惡劣環(huán)境下這些關(guān)鍵部位因疲勞發(fā)生失效破壞。因此，本文基于AQWA和FAST建立了漂浮式風(fēng)力機整機的數(shù)值仿真模型，進而研究了風(fēng)波耦合下系泊失效對漂浮式風(fēng)力機平臺的影響，得出結(jié)論如下：

1）風(fēng)波耦合作用下，系泊失效后漂浮式風(fēng)力機平臺響應(yīng)增大、六自由度運動明顯增加，風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)安全性降低，其中迎風(fēng)側(cè)系泊失效對平臺影響最為明顯。

2）系泊失效后平臺失去平衡，并作往復(fù)運動，平臺的穩(wěn)定性顯著降低，其中橫蕩方向受到影響相對最大，其次是縱蕩，垂蕩受影響最小。

3）系泊失效對平臺橫搖與艏搖響應(yīng)影響顯著，縱搖變化較小。在艏搖和橫搖方向，失效系泊的位置不同，平臺動態(tài)響應(yīng)差異明顯。

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文章來源：風(fēng)機技術(shù)