NAVAL ARCHITECTURE AND OCEAN ENGINEERING船舶与海洋工程2020年第36卷第6期(总第136期) DOI：10.14056/jki.naoe.2020.06.001
综述
胡志强1,2
(1.纽卡斯尔大学工程学院，英国纽卡斯尔NE17RU;
2.哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)
摘要：总结浮式风机动力响应的主要特点及技术难点、动力响应分析的内容和关键研究技术。详细介绍浮式风机的气动-水动-结构-伺服动力模型，在此基础上综述刚柔耦合多体动力学分析技术和计算软件。重点讨论浮式风机水池模型试验研究方法涉及的关键技术，包括尺度效应问题、开放空间条件下的稳定风场制造技术、叶片模型设计与加工制作技术和浮式风机系统惯量调节技术。此外，还总结了其他研究技术，包括计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)计算和实测研究技术，以及当前浮式风机动力响应分析技术的研究成果和瓶颈挑战，为相关技术研究提供参考。
关键词：浮式风机；动力性能；刚柔耦合多体；解析计算；模型试验
中图分类号：TK83；P752文献标志码：A文章编号：2095-4069(2020)06-0001-13
A Review on the Key Technologies of Dynamic Response
Prediction of Floating Offshore Wind Turbines
HU Zhiqiang1,2
(1.School of Engineering,Newcastle University,Newcastle upon Tyne NE17RU,UK；
2.Harbin Engineering University,Harbin150001,China)
Abstract:This paper summarizes the main characteristics and the technical difficulties of floating offshore wind turbines (FOWT),as well as the analysis content and the key technologies for prediction of the dynamic responses.It describes in detail the aero-hydro-structural-servo dynamic modelling,and the related rigid-flexible multi-body dynamics analysis technologies and computational software established on that basis.The focus is put on the basin experimental technologies,such as scaling-effect,steady wind field generation in open space,blade model design and manufacturing technology,and the floating wind turbine system's inertia adjustment technology.In addition,discussions are carried out on other key technologies,including Computational Fluid Dynami
cs(CFD)applications,full-scale measurement,and the achievements and bottlenecks of FOWT dynamic response analysis technology,which provides reference for the future endeavours on this subject.
Key words:floating offshore wind turbine;dynamic performance;rigid-flexible multi-body system;analytical calculation;model experiment
0引言
为减缓全球气候变暖，降低CO2排放量，海洋可再生能源的开发与利用正受世界各国的广泛关注，其
收稿日期：2020-07-24
作者简介：胡志强，男，教授，1975年生。2008年毕业于上海交通大学船舶与海洋工程专业，现主要从事海洋可再生能源、海洋工程水动力学和船舶碰撞与搁浅等方面研究。
2船舶与海洋工程2020年第6期
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水深/m 图1风机基础成本随水深的变化中海洋风能开发的前景最为广阔。海洋风能开发用到的主
要装备是风机，虽然固定式风机是当前的主力装备，但随
着近海空间资源日益减少，海洋风电开发必然会从近海走
向远海，主力装备必然会由固定式风机变为浮式风机。相
比固定式风机，浮式风机距离海岸线更远，水深更深，会
国门之盾
带来成本控制方面的挑战。但是，浮式风机的商业化优势
也十分明显，主要体现在风速常年稳定、优质风能比例高、
风机功率更大、风电场开发空间局限性小和视觉污染少等
方面。图1为风机基础成本随水深的变化［1］，解释了为控 制成本，随水深增加而使用浮式风机的必然性。近几年， 欧洲浮式风机的发展十分迅速，例如：2017年9月，世界
上第一个商用浮式风电场Hywind Pilot Park 在英国Peterhead 建成投产［2］，标志着海洋风电正式迈入浮式风电 时代；目前欧洲正在建设Hywind Tampen 风电场，预计2022年建成。我国的海洋可再生能源储量丰富，当 前正在积极发展可再生能源，以减少对化石能源的依赖，履行《巴黎协定》的有关要求。海洋风能开发合作 是近年来国际合作的热点之一。例如，2019年英国政府设立“繁荣中国”基金，旨在推动中英两国在海洋 可再生能源领域的科研和工程合作［3］。但是，我国目前的海洋风电开发仍主要采用固定式风机产品，尚未深 入研究浮式风机示范产品，技术方面有进一步发展的空间。本文主要对浮式风机动力响应分析和预报技术的 发展情况和存在的问题进行总结，为浮式风机开发设计中的关键技术研究提供参考。
浮式风机相比固定式风机，无作用在固定边界上的支反力条件，取而代之的是惯性力与外界载荷的动 态平衡。该动态平衡特征决定了浮式风机动力响应与固定式风机动力响应的显著区别，主要包括：
1） 支撑平台六自由度运动。不同的支撑平台具有不同的水动力特性，例如Hywind 采用单柱式平台， 设计人员主要关心其纵荡、垂荡、纵摇和艏摇运动。平台的运动特性决定了系泊系统承受的载荷，平台运 动对长柔性叶片的结构动力响应有一定的影响。平台运动幅度对机舱内部机械设备的工作状态有一定的影 响。例如，Hywind 风机在大部分工作状态下呈7。〜10。的倾角，影响机械设备润滑油的均匀流动。
2） 系泊系统载荷响应。系泊系统载荷响应是指其在各种海况下承受的张力载荷。与传统海洋平台系泊 系统设计不同，浮式风机的系泊系统设计不能追求过高的安全系数，这是因为浮式风机数量多，安全系数 设计过高会导致系泊系统成本显著上升。系泊系统成本控制是浮式风机工程设计的最大挑战之一，该问题 己在英国Hywind 风电场实际运营中得到证实［4］。因此，在设计阶段需准确预报和分析系泊系统在不同海 况下承受的张力载荷，从而选择合理的系泊系统主尺度参数。此外，如何对浮式风机系泊系统进行实时监 测及如何清理锚链上的海生物也是Hywind 风电场运营商Equinor 公司提出的问题［4］。
3） 塔架和叶片结构响应。由于支撑平台六自由运动的影响，浮式风机塔架和叶片的结构应力水平与固 定式风机有所不同。但是，对于风力机来说，支撑平台运动和系泊系统起到了一定的缓冲作用，能降低恶 劣海况条件下的结构应力水平，体现出“以柔克刚”的特点。在当前的技术条件下，大部分叶片结构强度分 析计算和校核都忽略了平台运动的影响，而当叶片的尺寸很大时，平台运动引起的惯性载荷会对长柔叶片 的结构响应产生一定的影响，这是未来浮式风机动力响应分析技术发展需关注的问题。
4） 叶片桨距角控制方法。通过对叶片的桨距角进行控制，保证风机满功率发电。固定式风机通常采用 的叶轮推力恒定原则不能直接应用到浮式风机桨距角控制中，取而代之的是叶轮转矩恒定原则，这是因为 浮式风机存在负阻尼问题［5］，会影响风机整体的动力特性［6］。
诗歌与药材除了动力响应自身的特点之外，浮式风机动力响应的分析方法也与传统固定式风机和海洋浮式结构物 的分析方法有所不同。浮式风机动力响应分析方法的特点如下。
1）多学科优化技术。海洋浮式风机是综合空气动力学、水动力学、结构动力学、机械力学和自动控制 等多学科技术的新型海上能源装备，其承受的各种环境载荷、部件运动、结构振动响应和相应的控制系统 执行响应都高度耦合，相互影响。虽然当前浮式风机的耦合动力特性仍未完全清楚，但可确定浮式风机系 统设计是一个多学科优化过程，其动力响应分析需采用非线性时历分析方法
。
胡志强：浮式风机动力响应分析关键技术综述3
2）刚柔耦合多体动力学和解析计算方法。海洋浮式风机是一个复杂的刚柔耦合多体系统。风机结构中变形很小或有变形但不影响其整体运动特性的部分可简化为刚体，包括支撑平台、轮毂和机舱，以简化计算模型；风机叶片和锚链等细长结构可模拟为柔性体；风机塔架可模拟为弹性体。适用于刚体、弹性体和柔性体动力响应分析的理论和计算方法有所不同，这对数学模型的建立和数学计算工具的选择提出了很高的要求。
3）传统水池模型试验技术不能完全适用。在海洋工程领域，水池模型试验是准确预报浮式结构物动
力响应情况的可靠技术之一，但存在诸多技术挑战，其中尺度效应是最大的挑战之一，因为传统的试验技术无法将模型尺度的试验结果直接转换成实型尺度结果（这是由于雷诺数相似与弗劳德数相似无法同时满足）。此外，开放水池条件下的稳定风场制造技术、模型叶片的空气动力性能模拟设计技术、测试仪器质量控制技术、桨距角控制机构的模拟技术等，都是采用水池模型试验技术开展浮式风机动力响应分析研究中亟待解决的问题。
4）计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）数值仿真的可靠性和可行性问题。CFD数值仿真技术在水动力领域取得了长足的进展，逐步应用到了海洋浮式风机动力响应分析领域中。0C6项目的主要目的之一是通过与水池模型试验数据相对比，验证将CFD数值仿真技术应用到浮式风机动力响应分析中的可靠性。CFD数值仿真技术具有适用范围广、直观性强和能获取丰富的数值结果等优点，但也存在计算成本高、结果的准确性依赖于使用者的经验等不足。
1浮式风机动力响应
浮式风机在复杂海洋环境条件下作业时会受到风载荷、波浪载荷、海流载荷、作业载荷和重力载荷等载荷的联合作用，其中：风载荷采用经典叶素动量理论计算；波浪载荷采用势流理论和Morison公式计算；海流载荷采用船级社经验公式计算。从动力响应分析的角度看，这些计算方法己能提供精度较高的计算结果，且计算速度较快。高精度的载荷计算方法会显著增加计算成本，本文不予讨论。
下面主要从刚柔耦合多体动力学方法、支撑平台六自由度运动和系泊系统结构动力响应等3个方面阐述浮式风机动力响应的分析技术和工程设计人员关注的关键问题。
1.1刚柔耦合多体动力学方法
浮式风机系统动力性能分析属于典型的刚柔耦合多体动力学研究。海上浮式风机的桨叶结构不仅细长、通常工作于高速状态，而且易受漂浮式支撑平台大范围运动的影响。在浮式风机系统中，基础平台的刚体运动和塔架、叶片结构的柔性变形同时出现，且相互耦合、相互作用，其强非线性、高耦合性、坐标系统定义和数学计算方法都是浮式风机动力性能分析的挑战。CHEN等⑺、陈嘉豪［8］和刘格梁［9］对浮式风机刚柔耦合多体动力学模型进行研究，给出了适用于浮式风机的旋转悬臂梁模型和多体动力学运动传递模型（见图2［7］），这些模型是在卡尔丹角坐标系定义基础上建立的。图3为浮式风机刚柔耦合多体模型示意。LEMMER等冋在介绍SLOW程序时阐述了该机理。
a）刚固于旋转运动边界的悬臂梁模型b）多体动力学运动传递
图2浮式风机刚柔耦合多体动力学模型示意
4船舶与海洋工程2020年第6期
a）风机多体组合
图3浮式风机刚柔耦合多体模型示意
刚柔耦合多体动力学模型的数学求解方法也是浮式风机动力性能分析的一项关键技术。凯恩方程［11］是一个比较好的数学求解方法，具有边界约束小、计算速度快和适于编程求解的特点oLIKINS［12］提出的“混合坐标动力学模型”也可描述刚柔耦合多体系统的动力学行为。目前，浮式风机领域应用较广泛的FAST 和HAWC2等软件都是在刚柔耦合多体动力学模型的基础上建立的。
1.2支撑平台六自由度运动
与固定式风机相比，浮式风机最大的不同是其支撑平台的六自由度运动影响。与传统的海洋平台相比，浮式风机支撑平台六自由度运动主要有2个特点：微粒体
1）巨大的叶轮转动面承受风载荷，使得平台六自由度运动表现出明显的低频运动特性；
2）六自由度运动之间的相互影响比传统浮式平台运动复杂，表现出较多的运动耦合性能。
电子商城MA等［13］针对Hywind单柱式风机六自由度运动特性的研究充分体现了以上2个特点。Hywind浮式风机运动表现出明显的低频特性和纵摇/垂荡/纵荡运动之间的耦合特性。以Hywind平台垂荡运动响应给孩子适宜的爱
谱曲线（见图4）为例，当只有波浪作用时，平台垂荡运动响应谱曲线只表现出波频峰值，这与传统海洋平台垂荡运动性能一致；但是，当风、浪联合作用时，除了波频峰值以外，平台垂荡运动响应谱曲线增加了2个低频峰值，这是平台纵摇运动与纵荡运动耦合响应引起的。
最初的浮式风机动力性能研究集中在Hywind单柱式浮式风机上。WAYMAN等［14］与美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory,NREL）合作，较早开展了浮式风机运动耦合特性的研究，提出了MIT/NREL TLP和MIT/NREL SDB2种浮式风机支撑平台概念（2006年）。Hywind支撑平台是细长型单柱结构，最初其水动力分析采用Morison公式（FAST 6.0软件），以简化数值计算。随着更多的支撑平台形式出现，例如Principle Power公司设计的半潜式海上浮式风机WindFloat［15-17］，NREL的DeepCWind半潜式浮式风机概念［18］，Ideol公司提出的Floatgen驳船式浮式风机，在这些概念方案中，波浪二阶力非线性波浪载荷影响不能被忽略，因此波浪二阶力逐步被加入后续程序开发中。LI等［19］利用SESAM软件开展了波浪二阶差频力对浮式风机的影响。与传统海洋平台载荷分析不同，风载荷是浮式风机运动性能分析中的主导载荷。DUAN等［20］在Hywind浮式风机的涡激运动特性试验研究中观察到风载荷能明显抑制支撑平台的涡激运动幅度。TANG等［21］研究发现，半潜式浮式风机的纵荡运动主要是风载荷主导，而垂荡运动是波浪载荷主导的。LI等［22］在Hywind涡激运动研究中分析了各自由度运动与风浪流之间的耦合对应关系。此外，张力腿平台浮式风机动力性能分析多采用模型试验方法开展［23-24］，TLP浮式风机解析计算方
法的挑战性较高，VIJAY等［25］和SHEN等［26］通过建立数学模型研究了该类型浮式风机的运动特性。
胡志强：浮式风机动力响应分析关键技术综述5
a）垂荡运动
泰晤士报高等教育
c）纵荡运动
图4Hywind单柱式平台六自由度运动响应谱曲线
在浮式风机动力性能研究中，0C3项目［27］是体现国际合作的一个具有里程碑意义的项目。NREL提供
—Hywind概念，即单柱式浮式风机。通过0C3项目，NREL分享了5MW 了一个良好的浮式风机研究对象—
浮式风机设计资料［28］和叶片设计资料［29］，这是NREL在浮式风机研究领域的突出贡献之一。0C4项目［30］和0C5项目⑶-32］着眼于水池模型试验技术和数值分析技术在平台运动预报上的可靠性研究；OC6项目则将研究重点转移到了CFD技术应用上。
负阻尼现象是浮式风机的一个独特运动特性。由于风速的变化，风机叶片桨距角根据一定的策略调整，以保证额定输出功率。但是，若将应用在固定式风机上的恒功率策略直接应用在浮式风机上，会产生负阻尼现象，导致风机摇摆运动产生共振，幅度增大，损伤风机结构。JONKMAN［6］详细阐述了负阻尼产生的要素；LARSEN等⑸提出了浮式风机负阻尼抑制机制和方法。目前，浮式风机采用的桨距角控制策略采取的优化措施有2个，即：
1）降低控制器的操作响应频率，使其低于系统运动一阶固有频率，保证变桨动作不产生负阻尼；
2）在额定功率处将转速扭矩控制策略由适用于固定式风机的恒功率策略变成恒扭矩策略，这样可保证变桨距角操作时不出现负阻尼现象。
1.3系泊系统结构动力响应
浮式风机的系泊系统设计具有很大的挑战，与海洋平台系泊系统设计以安全性为首要目标不同，浮式风机系泊系统设计必须重点考虑如何降低成本。因此，浮式风机系泊系统必须兼顾安全性和经济性，而两者之间的矛盾使得准确预报动力响应显得尤为重要。此外，风机叶轮旋转产生的附加陀螺力矩也是由系泊系统承担的。Hywind风机的系泊系统采用Delta line方式［33］的一个重要目的就是提高艏摇运动刚度。此外，浮式风机其他结构安全性问题，包括叶片和塔架结构的疲劳安全性能及分析方法，与固定式风机结构强度分析方法类似。
KARIMIRAD等［33-34］对悬链线式和张紧式系泊系统等Hywind系泊系统在作业海况和极端海况下的随机动力特性进行了系统研究；同时，利用HAWC2软件和USFOS软件分析了塔架承受弯矩载荷特性，指
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