在典型负载条件下，对17兆瓦半潜式海上风力涡轮机动态特性的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental study of dynamic characteristics of 17 MW semi-submersible offshore wind turbine under typical load cases

　　宋玉国|李欣|王文华|史伟|周一鸣|雷宇
中国辽宁省大连市大连理工大学海岸与海洋工程国家重点实验室，116024

**摘要**
随着浮动式海上风电技术的迅速发展，物理模型测试在评估浮动式海上风力涡轮机（FOWTs）的动态行为以及支持设计和数值验证方面发挥着至关重要的作用。本研究对一种新型17兆瓦半潜式FOWT在55米水深下的动态特性进行了详细的实验研究。针对这种17兆瓦FOWT，设计并测试了一种新型的三柱式半潜式平台，并通过大连理工大学的多功能波浪水池中的1:65比例模型进行了验证。建立了一个高保真建模框架，其中包括重新设计的低雷诺数叶片、基于执行器的控制系统、与第一阶弯曲频率相匹配的塔架、新开发的平台、设计用于满足几何和浸没重量相似性的悬链线系泊系统（该系统具有补偿的轴向刚度，以再现原型的恢复力特性），以及集成的传感装置，所有这些均基于弗劳德比例模型设计原则进行开发。随后进行了模型验证，涵盖了惯性矩和环境载荷方面的内容，所有相对误差均在可接受范围内。自由衰减测试显示与数值模拟结果高度一致，而白噪声激励测试进一步揭示了平台的动态特性，证实了物理模型的可靠性。此外，还在规则波、不规则波、风荷载以及风浪组合荷载条件下进行了全面测试。结果表明，即使在50年一遇的极端海况下，FOWT的稳定性也表现出色，平台的俯仰角始终低于10°。这些实验数据为下一代多兆瓦浮动风电系统的设计验证提供了可靠的基础。

**引言**
海上风电技术的持续进步已使空气动力效率接近理论上的贝茨极限，进一步改进的空间有限（Lopez-Queija等人，2022年）。因此，随着空气动力改进的边际效益减少，行业增长越来越依赖于更深水域的部署和更高功率的涡轮机（Bento等人，2019年），这提高了能量产出并增强了项目经济性，从而确立了超大型FOWT作为下一代技术发展的核心途径（Fan等人，2022年；Edwards等人，2024年）。

FOWTs主要分为四种平台类型：半潜式、Spar式、驳船式和张力腿式，每种类型都有其独特的优势和局限性（Lauria等人，2024年；Edwards等人，2023年）。然而，半潜式平台因其高效的海上安装、可靠的稳定性以及适用于深水场所的能力而被广泛认为是工程应用中最实用的类型，这一点从WindFloat、Kincardine、Guanlan和Yinlinghao等项目中得到了验证（Liu等人，2016年；Zeng等人，2024年）。关于浮动半潜式OWTs的研究主要涉及数值模拟和模型测试。随后，这些数值模拟被纳入FAST、OrcaFlex和SIMA等开发的完全耦合的空气-水力-伺服-弹性框架中（Meng等人，2025年；Xing等人，2023年；Wang等人，2024年；Kang等人，2022年，2023年），以研究FOWTs在风、浪和流共同作用下的动态响应。此外，计算流体动力学方法也被用于研究（Lei等人，2024年；Alkhabbaz等人，2024年；Yang等人，2025年；Zhang等人，2025年），以捕捉粘性效应、非线性波浪-结构相互作用以及完全耦合工具无法准确解决的复杂流动现象，但这些方法需要大量的计算资源，因此不适合迭代工程设计，而且其预测精度对数值参数的选择非常敏感（Cai等人，2025年；Ramezani等人，2023年）。

对于FOWTs的模型测试，准确捕捉空气动力载荷是首要任务。最初，空气动力载荷通过等效执行器盘模型来表示。Roddier等人（2010年）使用等效盘模型来模拟空气动力载荷，并通过塔顶电机来再现陀螺效应，并通过调整叶片质量和惯性以及配重来满足相似性要求，为后续的FOWT实验提供了一种简单实用的叶片缩放方法。Wan等人（2014年）在一个1:50比例的Spar型FOWT上进行了水池实验，该FOWT集成了波浪能转换器，并使用阻力盘方法来模拟空气动力载荷，观察到了在相应数值模拟中未再现的撞击事件、Mathieu型不稳定性和涡流诱导运动。Wang等人（2025年）测试了一个配备被动陀螺稳定器的1:60比例半潜式平台，使用盘模型替代风载荷，他们的结果显示俯仰运动的抑制效果与俯仰角速度密切相关，最大可减少40%，并且受到塔高和塔顶质量的影响。阻力盘方法无法再现真实的涡轮机空气-水力-伺服耦合、叶片载荷分布或非稳态空气动力行为，尽管多孔盘（Kurelek等人，2023年；Kopperstad等人，2020年）引入了部分尾流效应，但仍无法捕捉到真实的诱导速度和湍流结构，导致完全动态响应出现明显差异。此外，物理模型测试中另一种替代方法是使用弗劳德相似性，这可以确保正确的重力主导缩放和准确的平台水动力学特性，但由于缩放后的涡轮机在较低的雷诺数下运行，因此无法匹配全尺寸的空气动力性能（Hmedi等人，2023年）。在荷兰的Marin水池中进行了一项1:50比例的DeepCWind实验（Goupee等人，2014年；Martin等人，2011年，2014年），虽然实现了弗劳德和Strouhal相似性，并且使用了与TLP、Spar和半潜式平台几何形状相似的叶片，但在低雷诺数条件下叶片仍显示出明显的空气动力偏差，这限制了该方法再现原型风力涡轮机真实空气动力行为的能力。Ahn和Shin（2019年）应用相同的叶片设计方法对一个1:128比例的Spar型FOWT模型进行了测试，研究了海洋工程宽水池中的旋转转子效应，并强调性能匹配的叶片对于准确再现全尺寸空气动力行为的重要性。

因此，为了确保模型叶片的雷诺数与弗劳德缩放之间的一致性，重新设计的叶片轮廓对于实现推力相似性至关重要，这一点在最近的研究中得到了越来越多的应用（Lei等人，2022年）。平行的实验工作也推进了各种浮动平台配置的发展，包括半潜式、驳船式、Spar式和TLP概念。对于半潜式FOWT，Pham和Shin（2019年）对一个750千瓦的FOWT进行了1:40比例的测试，发现其与FAST V8模拟结果吻合良好，涡轮机在运行条件下表现出稳定行为和较小的运动，但在极端海况下会出现撞击和俯仰共振。为了解决这些问题，Kim和Shin（2020年）通过增加干舷高度和降低轮毂高度优化了平台设计，随后的1:40比例测试确认了极端条件下的性能显著提升。Zhao等人（2025年）引入了一种新的半潜式平台，并使用适合低雷诺数的性能匹配叶片进行了1:75比例的模型测试，结果显示其在风浪组合荷载下的运动响应主要由低频分量主导，除了在极端海况下的纵荡。Cao等人（2022年）对一个4兆瓦的半潜式平台进行了1:40比例的物理模型测试，该平台集成了水产养殖笼，以评估网具对涡轮机动态响应和阻尼性能的影响，Lei等人（2021年）也采用了类似的实验方法和结论。

除了半潜式平台外，由于驳船式FOWTs具有根本不同的稳定性特性，因此也对其进行了实验研究。Zhou等人（2025年）为DTU 10兆瓦风力涡轮机提出了一种新型驳船式平台，并通过1:75比例的测试在风浪组合条件下验证了其动态特性，确认了几何相似性和弗劳德相似性定律的适用性，并强调了在低雷诺数下需要修改叶片以实现推力相似性的必要性。Yang等人（2022年）在波浪水池中进行了1:20比例的实验，并在港口进行了现场测量，研究了一种5兆瓦驳船式风力涡轮机，结果表明该平台从正常海况到50年一遇的极端波浪条件下都能保持满意的运动稳定性，即使是在单线故障的情况下，系泊系统也表现出足够的冗余性，整体结构响应在相当于55米/秒的原型风速的极端风条件下仍然稳定。对于Spar平台FOWTs，Yang等人（2021年）对一个6兆瓦的Spar型FOWT进行了1:65.3比例的实验研究，并将结果与FAST模拟进行了比较，发现测试数据与数值预测结果相当吻合，同时揭示了风和流荷载倾向于减少FOWT的自然频率振荡，并增强了接近零频率的低频响应，尽管它们对波浪频率成分的影响相对有限（Meng等人，2020年）。此外，Madsen等人（2020年）基于DTU 10兆瓦涡轮机对TLP FOWT进行了1:60比例的实验，发现陆上控制器引起的负空气动力阻尼放大了涌浪运动和系泊张力，而海上控制器在波浪冲击前关闭时产生了更大的涌浪位移，这一行为后来被Kim等人（2023年）的数值结果所证实。Han等人（2022年）对5兆瓦WindStar多柱式TLP系统进行了1:50比例的模型测试，并澄清了二阶波浪载荷是运动响应的关键驱动因素，FAST模拟结果与测量结果吻合良好。Zhao等人（2018年）还基于相同的WindStar TLP配置进行了额外的模型测试。这些研究强调，物理模型测试对于验证和补充TLP FOWT动态的数值模拟仍然至关重要（J. Wang等人，2025年）。最近，实时混合模型测试作为一种研究FOWTs的有前景的方法出现了。与完全物理模型测试不同，这种方法将系统分为物理部分和数值部分，其中浮动平台和系泊系统在波浪水池中进行测试，而空气动力载荷则通过执行器实时计算并施加。通过将测量的平台运动与实时空气动力模拟相结合，它可以缓解雷诺数不匹配的问题，并更真实地表示空气动力阻尼、控制策略和涡轮机-平台相互作用（Gao等人，2024年）。Chuang等人（2021年）研究了配备NREL 5兆瓦涡轮机的1:64比例驳船式FOWT，其中转子模拟的风载荷和结合数值和水池测试显示平台运动和系泊张力吻合良好，强调了系泊刚度对低频漂移的重要性。Lee等人（2026年）对15兆瓦半潜式FOWT进行了1:64比例的混合测试，结合了物理平台-系泊建模和实时数值空气动力载荷，证明了低频和高频响应的准确预测，以及系泊刚度和线路故障对平台动态的影响。Yang等人（2025年）使用混合测试结合完全耦合的数值模型研究了16兆瓦TLP FOWT。平台和系泊系统进行了物理建模，转子载荷通过数值实时施加，证明了在极端条件下的稳定运动和系泊安全性，包括单线故障情况。然而，混合测试仍然受到高保真数值模型、执行器延迟以及准确捕捉复杂耦合响应挑战的限制（Shi等人，2023年）。

随着FOWT的规模从15兆瓦级别向接近25兆瓦级别发展，并且面临更恶劣的海洋环境，它们的运动响应变得越来越复杂，使得物理模型测试成为研究动态特性的重要工具。因此，在本研究中，开发了一种17兆瓦半潜式FOWT的初步工程设计，并进行了1:65比例的物理模型测试，该模型采用了新设计的叶片，在低雷诺数和弗劳德数条件下实现了空气动力推力相似性，同时配备了具有匹配第一阶弯曲刚度的塔架以及满足所需缩放定律的子结构和系泊系统，从而能够详细评估代表性风浪条件下的平台运动分析，并为后续工程设计提供了必要的数据。本研究的主要内容如下：第2节介绍了原型17兆瓦FOWT系统的参数；第3节介绍了实验设置，包括缩放定律、关键部件的设计、实验场地布局以及定义的环境载荷条件。第4节进行了模型安装和验证过程，确认物理模型的所有相对误差都在可接受范围内。第5节描述了为识别系统动态特性而进行的自由衰减和白噪声测试。第6节对FOWT在组合风浪载荷条件下的动态响应进行了全面分析。最后，第7节总结了主要结论并展望了未来的研究方向。

**17兆瓦半潜式FOWT的描述**
如图1所示，本研究中使用的FOWT的转子直径为257米，转子-机舱组件（RNA）的总质量为807,000千克。其切入风速、额定风速和切出风速分别为3米/秒、12米/秒和25米/秒，对应的额定功率输出为17,000千瓦，额定转速为7.8转/分钟。关键的可公开性能特性，包括风速-推力曲线和风速-功率曲线，分别显示在图A-1和图A-2中。

**缩放律**
为了确保完整的物理模型测试能够准确反映原型的性能，缩放模型必须保持与原型的几何相似性。除此之外，线性尺度范围内的物理量也应保持几何相似性，包括长度、宽度、高度、吃水深度、重心坐标、水深、波高、波长等。几何相似性条件由公式（1）给出：
$$ L_s/L_m = \lambda $$
其中λ是几何缩放比。

**模型验证**
在测试之前，验证已完成模型的准确性和可靠性是至关重要的。对于模型塔架，需要确保其一阶弯曲频率与设计值一致。将塔架底部固定在支撑结构上，使用锤击法反复激励塔架，并通过安装在机舱位置的加速度传感器收集加速度信号。然后对测量信号应用快速傅里叶变换（FFT）。

**自由衰减测试**
在进行正式测试之前，对模型进行了静态水衰减测试，以获得如纵摇、横摇和升沉等自由度下的自然周期，并验证其几何形状和质量分布是否满足相似性标准和测试要求。图16显示了当前模型测试中三个自由度的自由衰减时间历史曲线。通过对时间历史数据进行傅里叶变换，得到了模型的相应频率谱。

**组合风浪条件下的平台运动分析**
图19通过展示100-300秒稳定间隔内的升沉、纵摇和横摇时间历史，以及仅在风作用或仅波浪作用条件下的相应响应，比较了半潜式FOWT在组合风浪载荷下的运动响应特性。图20进一步提供了同一间隔内纵摇、横摇和升沉运动的箱线图统计信息，包括最大值、最小值、平均值和5-95%百分位数范围。

**结论**
本研究通过进行1:65比例的物理模型测试，研究了在55米水深下运行的17兆瓦半潜式FOWT的动态特性。该测试建立了一个综合建模框架，其中包括重新设计的低雷诺数叶片、基于执行器的控制系统、铝制塔架、新开发的半潜式平台、悬链线系泊系统、实验布局以及集成的传感和数据采集系统。

**CRediT作者贡献声明**
宋玉国：撰写——原始草案、方法论、调查、概念化。
李欣：撰写——审阅与编辑、方法论、调查、资金获取。
王文华：撰写——审阅与编辑、可视化、监督。
史伟：可视化、数据整理。
周一鸣：监督、调查。
雷宇：方法论、调查。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2022YFB4201304）的支持。