考虑结构柔性的浮式风力机系统模型试验相关性研究

针对大型浮式风力机(FOWT)设计中结构柔性影响评估的难题，研究人员通过时域数值模拟系统研究了叶片与塔架柔性对不同MW级别(5-15 MW)半潜式与张力腿平台(TLP)动态响应的影响。结果表明，10 MW以上系统需考虑柔性以准确预测疲劳载荷，塔架柔性对推力与运动幅值影响显著，为模型试验提供了关键优化方向。

　　

随着全球海上风电向深远海和大兆瓦机组发展，浮式风力机(FOWT)成为开发深海风能资源的关键技术。然而，当单机容量突破10 MW、转子直径超过240米时，风机结构的柔性特征显著增强，传统基于刚性假设的模型试验方法面临严峻挑战。目前行业普遍采用的小比例水池试验中，风机模型通常被简化为刚性结构，这种简化可能掩盖柔性构件与流体动力的复杂耦合效应，导致对系统动态响应和载荷特性的误判。

针对这一技术瓶颈，Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems的研究团队在《Ocean Engineering》发表了一项开创性研究。该团队通过构建包含NREL 5 MW、IWT 7.5 MW、DTU 10 MW和IEA 15 MW四种不同兆瓦级别风机的参数化模型，采用Modelica?多体动力学仿真平台(MoWiT)结合Python自动化框架(PyWiT)，系统考察了"全刚性"、"塔架柔性+刚性叶片"和"全柔性"三种结构配置下，半潜式与张力腿平台(TLP)在典型海况中的动态响应特性。研究特别关注了7.4-40秒的纵摇周期范围和2°-7°的运动幅值，通过576组时域仿真揭示了结构柔性对关键系统参数的影响规律。

关键技术方法包括：1) 基于模态缩减的多体动力学建模，将塔架分割为10-22个柔性梁单元，叶片采用5-12阶模态简化；2) 考虑Froude相似律的强迫纵摇运动模拟，通过基座施加正弦波激励；3) 针对半潜式平台特化的桨距控制器设计，避免负阻尼效应；4) 自动化参数扫描分析功率、推力、塔基弯矩等14项关键指标。

2. Wind turbine systems
研究选取四种代表性风机，其中IEA 15 MW的塔架一阶固有频率仅0.17 Hz，呈现"软-刚"特性。通过对比不同柔性配置发现：全刚性模型会高估5 MW系统推力达17%，而15 MW系统塔基前-后弯矩振荡幅值被低估3.5倍。

3. Dynamic FOWT system motions
分析苏格兰海域等典型场址数据发现，半潜式平台纵摇固有周期集中在27-30秒区间，与15 MW风机1P(0.13 Hz)、3P(0.39 Hz)转频形成显著动力耦合。TLP平台因4秒以内的短周期特性，二阶波浪力可能激发叶片颤振。

4. Numerical simulations
自动化仿真揭示：在7.4秒波浪周期下，15 MW全柔性系统的推力波动幅值较刚性模型增加210%。TLP系统在1秒周期时，塔基垂向反力出现共振峰，显示柔性效应在波频段最为显著。

5. Simulation results
关键发现包括：1) 塔架柔性使10 MW以上系统的发电机功率波动幅值增加6-16倍；2) 叶片柔性会降低5 MW系统叶根摆振弯矩均值，但使15 MW系统振荡幅值增加40%；3) 在额定风速附近，全柔性TLP系统的偏航力矩出现控制器耦合振动。

6. Discussion
研究表明：对于10+ MW系统，忽略塔架柔性会导致运动幅值低估27%，使疲劳损伤计算出现数量级偏差。虽然叶片柔性对平台整体运动影响较小，但对叶根扭转载荷预测至关重要。建议模型试验至少采用"塔架柔性+刚性叶片"配置，并通过后置数值分析补偿叶片柔性效应。

这项研究为下一代20+ MW浮式风机开发提供了关键方法论指导，其建立的自动化仿真框架已被应用于欧盟Runwave等项目。成果特别指出，随着风机尺寸增长，传统刚性假设将导致越来越大的设计偏差，推动行业向高保真混合测试方法转型。研究同时揭示了控制器-结构-流体多物理场耦合的新机制，为优化大型FOWT系统稳定性控制策略开辟了新路径。