半潜式浮式风力机被动陀螺稳定器俯仰运动抑制的实验研究

推荐：针对浮式海上风力机(FOWT)俯仰运动降低能量转换效率并加速疲劳损伤的问题，研究人员通过1:60缩尺模型试验，探究了被动陀螺稳定器对Tri-floater型半潜式FOWT的俯仰抑制效果。结果表明，陀螺稳定器在波浪频率产生正阻尼，在低频产生负阻尼，风浪联合工况下俯仰抑制效果提升3倍，为深海风电平台运动控制提供了新思路。

　　

随着全球碳中和进程加速，海上风电正向着深远海领域快速发展。浮式海上风力机(FOWT)作为开发深海风能的核心装备，其俯仰运动会导致转子与风向错位，降低发电效率，同时引发塔筒振动和系泊缆绳冲击，严重威胁结构安全。传统半潜式平台虽具有优良稳性，但俯仰阻尼不足的问题始终制约其性能。现有TMD(调谐质量阻尼器)、TLD(调谐液体阻尼器)等控制装置存在质量大、维护难等缺陷，而陀螺稳定器凭借质量轻、安装灵活等优势，为这一难题提供了创新解决方案。

本研究基于Tri-floater设计，通过1:60缩尺模型试验，系统评估了被动陀螺稳定器在环境载荷(波高Hs、谱峰周期Tp、风推力Wt)和结构参数(立柱-甲板间距CDcS、压载质量、塔高)影响下的俯仰抑制效果。试验在河海大学牛首山科技园L型波浪水池进行，采用Qualysis六自由度测量系统采集运动数据，通过频谱分析和统计方法量化阻尼效应。

2.1 自由衰减试验结果

自由衰减试验显示陀螺稳定器使俯仰固有频率降低15.8%，阻尼比下降5.8%。风载荷会提升系统固有频率，而增大CDcS或塔高则降低频率。值得注意的是，陀螺稳定器对纵荡运动影响甚微。

4.2 环境载荷影响

在Hs=0.1m、Tp=1.7s工况下，陀螺稳定器产生0.127的正阻尼面积和-0.042的负阻尼面积。随着波高从0.06m增至0.1m，正阻尼增幅达189%，显著高于负阻尼的135%。风推力在2.7N时达到最佳抑制效果，此时俯仰角速度谱显示波浪频率分量占比达87.1%。

4.3 结构参数影响

当CDcS从0.655m减至0.514m时，正阻尼面积下降66.4%，而风浪联合工况下负阻尼激增5倍。压载质量增至2.7kg使正阻尼降低77%，塔高增加0.34m则使风载荷对波浪频率正阻尼的促进作用提升22%。

这项研究首次揭示了被动陀螺稳定器在FOWT应用中的双频阻尼特性：在波浪频率(约0.3Hz)产生有益的正阻尼，但在低频区(约0.1Hz)产生不利的负阻尼。这一发现为优化陀螺稳定器控制策略提供了关键依据。通过调节CDcS、压载等参数，可有效平衡正负阻尼效应，在风浪联合工况下实现最大3倍的俯仰抑制提升。研究成果发表于《Applied Surface Science》，为深海风电平台运动控制提供了创新技术路径，对提升兆瓦级风机运行稳定性具有重要工程价值。未来研究可结合主动控制策略，进一步解决低频负阻尼问题。