塔架倾角对双转子浮式海上风力机（TwinFOWT）动力学行为及塔基疲劳损伤的影响研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Influence of Tower Inclination on the Dynamic Behavior and Fatigue Damage of Twin-Rotor Floating Offshore Wind Turbines

　　

双转子浮式海上风力机（TwinFOWT）在降低浮式风电成本方面具显著潜力。研究人员提出一种10 MW浮式TwinFOWT概念，由两台倾斜布置的5 MW风机与OO-Star平台构成。为揭示塔架倾角对系统动力学行为及塔基疲劳损伤的影响，研究人员在SESAM环境下建立六种倾角（35°至45°）模型，并在多种环境工况下评估水动力响应。结果表明：较大倾角在额定风速以下会轻微降低平均功率输出；倾角显著改变运行态平台运动，六种模型间平台纵摇与艏摇最大相对差异分别达32.73%与58.58%；倾斜导致的重力分布不均引起明显局部应力集中，存在结构强度失效风险；疲劳损伤随倾角增大而降低，45°模型相较35°模型累积疲劳损伤最高降低28.84%。该研究可为倾斜塔架TwinFOWT概念设计与优化提供参考。

研究背景与问题提出：浮式海上风电（FOWT）成本高于固定式基础，单纯增大单机容量会加剧制造安装与极端工况安全风险。多转子并行布置可在单平台集成中小容量机组，规避尾流干扰与复杂传动问题。既有研究多关注气动与尾流，忽视倾斜塔架带来的气-水-伺服-弹性（aero-hydro-servo-elastic）耦合、重心偏移、局部应力集中及疲劳演化。为此，研究人员提出V形构型TwinFOWT，基于OO-Star平台与两台NREL 5 MW机组，研究塔架倾角（35°–45°）对动力学行为与塔基疲劳的作用机制。

关键技术方法：研究人员采用SESAM集成Riflex与Simo实现时域全耦合建模，平台水动力由HydroD基于边界元（BEM）求解并经AQWA/CFD自由衰减校验；气动侧用叶素动量理论（BEM）结合动态失速模型，由TurbSim生成Kaimal湍流风场；疲劳评估采用名义应力法，雨流计数（rainflow counting）提取应力循环，按DNV-GL E级S-N曲线与Miner线性累积损伤理论计算塔基周向12点损伤；环境参数取自美国东海岸met-ocean数据集，含运行与停机工况。

研究结果

6.1 对平台运动的影响

通过六倾角模型运行态耦合仿真发现：额定风速以下，增大倾角降低轮毂高度与气动弯矩臂，使平台纵摇最大降低32.73%；额定风速以上，波流载荷主导，纵摇趋负向反转。艏摇呈相反趋势，倾角增大使气动推力力臂外移，11 m/s时艏摇最大增幅58.58%（45°达11.1°）。停机与极端工况下气动贡献减弱，倾角对纵摇与艏摇影响可忽略。

6.2 对塔基结构强度与疲劳损伤的影响

塔基周向热点应力分析显示：倾斜产生偏心重力弯矩，最大拉压点（#4/#10）应力随倾角增大而升，峰值差25.97%；但迎风点（#1）以交变气动弯曲为主，其应力幅值随倾角增大反而下降。疲劳方面，下风向热点损伤随倾角增大持续降低，45°相较35°塔基累积损伤最高减少28.84%；两台机组因同向旋转与空间湍流不对称，损伤差小于4%。

6.3 对发电性能的影响

低于额定风速时，大倾角轮毂高度降低、入流风速减小，11 m/s平均功率下降约2.44%；额定以上由变桨控制，功率基本持平。年化发电量差异仅1.48%，而疲劳损伤下降27.39%，说明大倾角在轻微弃电下可显著延长疲劳寿命。

讨论与结论翻译：研究人员指出，倾斜塔架以“降低轮毂高度—削弱气动倾覆弯矩—减小塔基交变载荷”为主线，在轻微牺牲低风速发电前提下，抑制平台纵摇、但放大艏摇，并显著降低塔基疲劳损伤；同时偏心重力引发局部应力集中，需在后续设计中补充极限强度与屈曲校核。未来应引入高保真双转子气动耦合、协同控制及偏航来流条件分析。

结论部分译述如下：

（1）TwinFOWT输出功率受倾角与风速共同影响，额定以下随倾角增大而略降。

（2）倾角增大削弱纵摇（10 m/s时35°比45°高32.73%），但艏摇反向增大，45°峰值11.1°，较35°增58.58%。

（3）拉压变形点应力对风速不敏感，最大拉应力随倾角增高达25.97%。

（4）下风向塔基疲劳随倾角增大降低，最高减28.84%；同转向双机间损伤差异微小。该研究为倾斜塔架TwinFOWT设计改进提供依据。

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把结论部分改写成期刊审稿意见

对比V形与串联双转子构型优劣

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