16 MW张力腿平台浮式风机平台与张力腱动力特性的试验研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Experimental Investigation of the Platform and Tendon Dynamics of a 16 MW TLP Floating Wind Turbine

　　

摘要专业翻译 本研究通过试验手段考察了一台16 MW张力腿平台（tension leg platform, TLP）浮式风电机组的平台运动与张力腱张力特性。研究人员采用1:85缩尺混合模型，在自由衰减、规则波、不规则波以及风浪联合工况下开展了系列试验。在不规则波作用下，增大谱峰周期增强了纵荡与垂荡动力响应，但降低了所选张力腱的张力波动；而增大有义波高则同时增强了平台与张力腱的动力响应。风浪联合荷载引入了纵荡与纵摇的平均偏移，并改变了所选张力腱间的平均张力分布。纵荡动力响应仍接近相应纯波浪工况下的响应，而垂荡动力响应在风浪联合荷载下呈现明显增大。纵荡与纵摇的平均值在额定风速12 m/s时达到实测最大值，而纵摇与张力腱动力响应在更高风速下更为显著。频域分析表明，上风侧张力腱与平台纵摇在实测纵摇固有频率约0.249 Hz附近可能存在耦合；所选侧向张力腱与塔架二阶模态在2.1–2.2 Hz范围内亦可能存在耦合。试验结果为大容量TLP浮式风电机组的平台与张力腱动力特性提供了有价值的认识，并支撑了其在波浪及风浪联合荷载下的动力响应评估。

论文解读

一、研究背景与问题

随着海上风电向深水区域发展，浮式支撑结构的应用需求日益增长。风电机组的大型化要求对浮式风电机组的耦合动力响应进行精细评估。在众多浮式概念中，张力腿平台（tension leg platform, TLP）通过预张力腱提供定位能力与高垂向恢复刚度，该构型强烈约束垂荡、横摇与纵摇，而平台在水平方向保持相对柔顺。因此，平台运动与张力腱张力的动力特性需要系统评估，尤其是考虑风电机组及其荷载的影响。

水池模型试验能够提供浮式风电机组响应的试验数据并用于数值模型验证，可在受控环境条件下同步测量平台运动与系泊系统响应。然而，物理模型试验需兼顾水动力与空气动力缩尺的冲突要求：水池模型通常遵循弗劳德相似律，而转子空气动力学的复现还需考虑雷诺数效应，二者在几何缩尺模型中难以同时满足。混合试验方法通过数值计算气动荷载并施加于物理模型，可在一定程度上解决该矛盾。

已有研究涉及不同TLP构型与荷载条件，但缺乏在同一试验体系内对平台运动与张力腱张力对波周期、有义波高及风速敏感性的系统对比。尤其值得关注的是，风致平均响应变化是否伴随响应波动的相应变化，以及不同张力腱位置处张力与平台或塔架响应之间的频域关联。为此，本研究开展了一系列1:85缩尺混合模型试验，系统考察16 MW TLP浮式风电机组在多种环境条件下的平台与张力腱动力特性。

二、研究内容与主要结论

本研究通过自由衰减、规则波、不规则波与风浪联合试验，系统考察了16 MW TLP浮式风电机组的平台运动与张力腱张力响应。主要发现如下：

在纯波浪条件下，平台运动与张力腱张力对波浪参数呈现不同敏感性。规则波试验中，纵荡响应幅值算子（response amplitude operator, RAO）随波周期增大而单调增大，而张力腱张力RAO在约9–10 s周期处达到峰值。不规则波试验中，增大谱峰周期增强了纵荡与垂荡波动，但降低了所选张力腱的归一化张力波动；增大有义波高则同时增强平台与张力腱波动。

风浪联合荷载对平均响应与波动响应的影响不同。风荷载引入平台平均偏移并改变张力腱间平均张力分布，而纵荡波动水平仍接近纯波浪响应；垂荡与纵摇波动相对纯波浪响应增强。随风速增大，纵荡与纵摇平均值在额定风速以上降低，而纵摇与张力腱波动在更高风速下更为显著。这表明仅凭平均平台响应不足以表征动力张力荷载特性。

频域分析揭示了张力腱响应具有频率依赖性与位置依赖性：上风侧张力腱T2与平台纵摇在实测纵摇固有频率约0.249 Hz附近可能存在耦合；侧向张力腱T5与T6与塔架二阶模态在2.1–2.2 Hz范围内可能存在耦合。

三、关键技术与方法

本研究采用的主要技术方法包括：1:85缩尺弗劳德相似物理模型试验；六旋翼气动加载装置实现混合气动荷载复现，目标荷载包含F_x、M_x、M_y、M_z四个分量，系统以50 Hz运行并采用一步前向预测与异步指令释放降低执行延迟；光学运动捕捉系统测量平台六自由度运动；张力腱载荷传感器测量九根张力腱张力；波高仪测量波面高程；加速度计测量塔顶x向加速度。试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室波浪水池开展，水池长50 m、宽4 m、深3 m，试验水深1.58 m，对应原型134.25 m。每种试验工况重复三次，不规则波试验采用相同随机种子以保证波列一致性。

四、研究结果

4.1 自由衰减试验

自由衰减试验在静水中进行，确定了组装后的16 MW TLP模型六个刚体自由度的固有周期。实测纵荡、垂荡与纵摇固有周期为后续规则波及频域响应的解释提供了参考频率。

4.2 规则波试验

规则波试验采用波高4 m与5 m、波周期8–15 s。纵荡RAO从T=8 s时的约0.25–0.28单调增大至T=15 s时的1.21；垂荡RAO在约0.008–0.011间非单调变化；纵摇RAO范围约0.037–0.055 deg/m。四种张力腱（T1、T2、T5、T6）的张力RAO均在约9–10 s周期处达到最大值，最大值范围约0.55–0.70 MN/m，其中T1与T5的最大值大于T2与T6。两种波高下各RAO保持接近。

4.3 不规则波试验

在H_s=5 m条件下，T_p从10 s增大至16 s时，纵荡标准差从约0.73 m增大至1.66 m，垂荡标准差从约0.011 m增大至0.019 m，纵摇标准差保持在约0.061–0.064 deg，而归一化张力腱张力标准差从约7.8–10.0%降至6.8–8.2%。在T_p=10 s条件下，H_s从4 m增大至6 m时，纵荡标准差从约0.62 m增大至0.87 m，垂荡与纵摇标准差分别从约0.010 m与0.050 deg增大至0.014 m与0.071 deg，归一化张力腱张力标准差从约6.2–7.9%增大至9.4–11.8%。

4.4 风浪联合试验

在U=12 m/s条件下，风浪联合荷载使纵荡平均值从纯波浪下的约0.03–0.07 m增大至约2.74–2.90 m，而纵荡标准差比（联合/纯波浪）保持在约0.90–1.06；垂荡与纵摇标准差比分别为约1.49–2.22与1.13–1.29。张力腱平均张力方面，T2的归一化平均值大于1，T5与T6小于1，表明风荷载改变了张力腱系统的平衡张力分布。随风速从8 m/s增大至21 m/s，纵荡平均值从约2.19 m增大至额定风速12 m/s时的2.80 m；纵摇平均值从0.171 deg增大至0.205 deg后降至0.128 deg。纵摇标准差比从U=8 m/s时的约1.07增大至U=21 m/s时的2.10；在U=21 m/s时，所选张力腱归一化张力标准差达到约12.6–16.3%。代表性工况（U=12 m/s，H_s=6 m，T_p=12 s）下，T1–T3归一化平均张力比纯波浪增大0.138–0.156，而T4–T9降低0.043–0.146。

4.5 频域分析

频域分析针对代表性风浪联合工况及其对应纯波浪工况开展。纵荡功率谱密度（power spectral density, PSD）在两种荷载条件下差异较小；垂荡PSD在约0.56–0.64 Hz范围内联合荷载下更高；纵摇PSD在约0.25 Hz附近谱能量增强，接近实测纵摇固有频率约0.249 Hz。张力腱张力PSD在约1.0–1.5 Hz范围内联合荷载下呈宽带增强，T4–T9尤为明显；部分张力腱在约2.1–2.2 Hz范围内呈现局部谱特征。塔顶x向加速度PSD在2.1–2.2 Hz范围内存在局部谱峰，该范围包含实测塔架二阶固有频率约2.15 Hz。幅值平方相干性（magnitude-squared coherence, MSC）分析表明：平台纵摇与T2张力在约0.249 Hz附近呈现显著局部相干峰，提示T2张力响应可能与纵摇固有频率附近的共振放大相关；塔顶x向加速度与T5、T6张力在2.1–2.2 Hz范围内相干性约0.5–0.6，提示侧向张力腱的高频张力响应可能与塔架二阶模态共振放大相关。

五、讨论与结论

讨论部分指出，纵摇PSD增强与纵摇–T2相干峰在约0.249 Hz处重合，表明T2张力腱响应可能与纵摇在其实测固有频率附近的共振放大有关；塔顶加速度与侧向张力腱的相干峰位于2.1–2.2 Hz范围内，与塔架二阶固有频率重合，提示侧向张力腱高频响应可能与塔架二阶模态共振放大相关。尽管纯波浪与风浪联合试验允许比较有无气动荷载下的总体响应，但现有试验数据无法独立量化气动荷载、水动力激励与结构构型对各观测响应的贡献。

研究结论可概括为：在纯波浪条件下，平台运动与张力腱张力对波浪参数呈现不同敏感性；风浪联合荷载对平均响应与波动响应的影响不同，平均平台响应不足以单独表征动力张力荷载特性；张力腱响应具有频率依赖性与位置依赖性，上风侧张力腱T2可能与平台纵摇在约0.249 Hz处耦合，侧向张力腱T5与T6可能与塔架二阶模态在2.1–2.2 Hz范围内耦合。总体而言，大容量TLP浮式风电机组的动力响应应通过平台运动与张力腱张力响应的联合考虑来表征。本研究聚焦于所测波浪条件与正常运行工况，未来工作将考察极端风暴条件下的平台与张力腱动力响应。