自升式海上风电安装船的模型试验分析研究

刘建峰

(南通中远船务工程有限公司, 江苏 南通 226005)

自升式海上风电安装船的模型试验分析研究

刘建峰

(南通中远船务工程有限公司, 江苏 南通 226005)

主要阐述了具备自航能力的自升式海上风电安装船在船型设计阶段的模型试验和计算分析，为相似船型和类似海洋工程装备的设计研究提供了参考。

风电安装船 模型试验 航速 阻力 推进 流型

1 前言

为应对未来的能源危机和气候变化，以及保护环境，发展可再生能源是目前的大势所趋。风能与太阳能、生物质能等相比，其产业化基础和经济性方面优势明显，而且对环境的负面影响极小，是可预见时期内，最有可能大规模发展且具备商业化特质的能源。风能的最典型开发应用是海上风力发电，其具有资源丰富、风速稳定、开发利益牵扯面狭窄、使用空间和海域面积很小不影响其他项目的发展、可以大规模开发等优势，是世界上公认的将可再生能源商业化应用的绿色技术，是最具大规模推广可再生能源应用发展的重点。

具备自航能力的自升式海上风电安装船兼具自升式平台和浮式自航船舶的优点，具有将风机和基础一起运送至风电场的能力，并配备适合各种场景下安装的起重设备和定位设备，有效克服了风机安装的大型化和离岸化的限制，是当前发展海上风电场的首选装备。

2 简介

“SEA CHALLENGER”是为丹麦船东建造的新一代海上风电安装船，其船长133.25 m、宽39 m、型深9 m、设计吃水5.8 m，作业水深达45 m，装备有4条圆形桩腿结构液压提升装置系统和环绕桩腿的900 t旋转海洋起重机，如图1所示。艏部配备两个侧推和一个可伸缩式全回转推进器，艉部配备3个电力推进的VOITH橹桨，在浅水海域机动性能出众，并配有先进的DP2动态定位系统。具有3 000 m2以上的甲板重载货区域，甲板重载货区载荷达到15 t/m2，局部线性载荷达40 t/m，提升甲板载荷达到5 000 t。其每次可装载10套风车构件进行海上安装作业。设计符合DNV CLEAN绿色环保要求，并满足DNV船级社对自升式海洋工程装备和远洋自航货轮的双重规范要求，同时还符合丹麦的海事标准。

这种典型的具备自航能力的自升式海上风电安装船，能够为下一代海上风电场在最大水深45 m的海域提供基本的安装和维护功能。本文主要阐述了这类具备自航能力的自升式海上风电安装船在船型设计阶段的模型试验和计算分析。

图1 侧视总图

3 模型试验

3.1 试验水池主参数

试验水池主参数为：长180 m，宽10 m，深5 m，最大试验速度7.5 m/s。

3.2 模型与实船的参数比较

木制模型按照与实船1∶18的比例根据线型图制作，船体线型如图2所示，木制模型实体如图3所示。木制模型装备了一个推进马达和功率计，艉部装配3个由Voith Schneider Propulsor(VSP)推进单元组成的推进布置，以模拟实船运动和测试收集试验数据。具体模型参数如表1所示。

图2 船体线型

图3 木制模型实体

实船参数模型参数型长Lpp121.68m6.67m型宽B39m2.17m中部吃水TM5.30m0.29m艏部吃水TF5.30m0.29m艉部吃水TA5.30m0.29m浸水面长度LOS133.25m7.40m排水量体积V22284m33.82m3排水量D22863t3.82t浸水面积S5982m218.46m2方形系数CBPP0.8984方形系数CBOS0.8091

3.3 试验数据和计算

模型试验在静水池中进行，本文主要对常用工作状态5.3 m吃水状态的试验进行探讨研究。具体数据见表2、表3。

表2 模拟实船5.3 m吃水、无纵横倾，航速分别为9、10、11、12、13 kn状态下的阻力试验

表3 模拟实船5.3 m吃水、无纵横倾，航速分别为9、10、11、12、13 kn状态下的推进试验

如图4分析计算的图表所示，在实船5.3 m吃水状态下11 400 kW有效轴功率时，预测实船航速可达12.3 kn。

图4 试验计算

4 试验分析研究

4.1 试验中的推进器

试验过程中，在做阻力和推进试验时，模型的艏部侧推进器处的管隧封闭，这是一种依据试验水池通常经验，采用经验的修正系数对实船进行推算的方法。模型中显示的推进器管隧表面仅为示意表达，尺寸并不严格按实际设计，如图5所示。

图5 船模球鼻艏

图6 船模艉部推进器

实船的管隧边缘要比模型中示意的更为平滑。根据长久的试验经验，模型中这些示意造型的不精确性在整体的流型和阻力分析研究方面的影响很微弱，可以被接受。

在推进试验中，艉部推进器VSP安装在模型中，如图6所示。VSP是由Voith提供的直径200 mm的桨叶旋转轨道模型推进器。所有的VSP被一个单独的马达驱动，确保所有VSP具有同样的转速。每个VSP被单独地测量轴的扭矩。但与装备标准推进器的模型试验不同的是VSP提供的推力无法测量。在阻力试验中，艉部的VSP推进器被拆除，模型船体上的开孔被塞子封住。

4.2 试验中的流型

试验观察研究了分别在9 kn和12 kn航速状态下5.3 m吃水推进试验时的流型。在球鼻艏上部连接艏部的过渡区域附近兴起较为明显的湍流，湍流向船艏部过渡传递，湍流波浪穿过船前部舷侧两肩位置，逐渐延续至艉部的波浪相对平缓；伴随着航行速度的增大，湍流和前部两舷侧的波浪呈现逐渐增大的趋势。球鼻艏上方的水面，水流形态较为平静。

由试验观察可见当拖曳速度变大时，沿球鼻艏处的水流增加。水流的传递在球鼻艏至联接的艏部区域由以水平为主的水流衍变成包含更大更多垂直成分的水流。在艏部区域，可以观察到相对缓和的由球鼻艏推动的水流向上而行至艏部区域倾斜面的顶部和边侧，水流从球鼻艏处分离，加速流向船艏区域的倾斜面。当水流冲击和碰撞艏部时，产生高压力水域，一部分的水流向船体前部的两舷侧做更进一步地流动；一部分在船体的下面分流，另一部分沿着艏部向后朝向球鼻艏和艏部船体连接处分流，如图7所示。

图7 艏部流型

在前部双肩两侧，波浪穿过明显，波浪由于前部肩侧相对较小的曲率半径产生。

总的来看试验时的流型，靠近艏部产生湍流，波浪穿过船舷前部双肩两侧，艉部有相对较小波浪。

4.3 阻力试验分析

试验计算分析应用了以下的假设：

(1) 形状系数(1+k)等于1.00。

这是一个保守的假设，实际上，阻力的更大一部分取决于雷诺系数而并非单一的摩擦阻力。例如，假设形状系数取1.15，实船阻力因此受到的影响变化将小于3%。然而，为了要从模型试验中确定这个形状系数，将需要做很多低拖曳速度的试验来进行分析，且得到的数值也很可能不够精确。

(2) 附加阻力系数Ca等于0.00011。

这是一个依据实船经验的关联系数。这个系数定义了大约为实船阻力2%的附加阻力。考虑到这种船型的创新性和独特性，船体底部桩靴端部突出部位的特殊细节在实船上和试验模型中有差异，如图8、图9所示。由于这些差异对于阻力的影响不确定。因此，增加的阻力因素未知。

图8 船模底部桩靴端部

图9 船体底部桩靴端部三维设计视图

4.4 推进试验

4.4.1 方法

在模型和实尺之间，计算使用了比例系数修正雷诺效应。采用这种方法的基础是设想VSP推进器在试验模型和实船上工作时具有同样的进程比。在开阔水面有效的VSP功效为了雷诺效应的结果被修正，实际上实船的推进器效率更高。

实船推进器的效率和增长速率的计算需要考虑到风阻力的影响。风阻力的增加使得推进器的负载增大和有效速率增长的降低，导致同样在开放水域中实船的推进效率低于没有风阻的模型试验。

4.4.2 计算中的假设

使用试验中的测量和得出的计算去推断相对实船的状况，一些假设如下：

(1) 实船的推减因子t和伴流系数w假定与模型测量值一致。实际上实船较小边界层的结果可以预测到较低的伴流系数，这将使实船的船体效率低于模型测量值，并可能因此对需求功率产生负面影响。

(2) 计算中采用的受风面积为2 928 m2(采用系数Cs=1.0)，相对于整个载货甲板满载风机部件的状态。假设附加蒲福风力两级逆风2.45 m/s。没有更进一步的余量或修正应用到速度预测的计算中。

5 试验结论分析

在球鼻艏上部连接艏部的过渡区域附近兴起较为明显的湍流，湍流向船艏部过渡传递，湍流波浪穿过船前部舷侧两肩位置，逐渐延续至艉部的波浪相对平缓。模型试验中的阻力测量和使用CFD方法预测的阻力一致。由于船型的创新性和特有的船底桩靴端部凸出的细节对于附加阻力的影响不确定，因此实船的阻力预测未知。此外，基于试验方法和计算应用中的假设，在11 400 kW的有效轴功率和5.3 m吃水状态下，预测实船可达到12.3 kn的航速。由于推进试验是在试验水池的开放平静水域中进行，与实船相比还存在试验模型比例推进器的机械效率方面的差异，模型的推进器功率和负载相对稳定，因此基于试验的计算和分析对实船的状态评估和速度预测方面，还是存在不确定性。

6 结束语

本文中的海上风电安装船的船型试验开创了国内同类海工产品从船型设计到建造的先河，为今后研究和设计建造同类型和相似类型的海工产品积累了宝贵的经验，对我国船舶与海洋工程产品设计制造能力的进一步自主创新提供了有益的参考。

Analysis and Research of Hull Model Test for Offshore Jack-up Wind Turbine Installation Vessel

LIU Jian-feng

(COSCO Nantong Shipyard, Nantong Jiangsu 226005, China)

This article mainly expounds the models test and relevant calculation & analysis of the wind turbine installation vessel with self-propelled & jack-up ability at the hull design stage, and provides reference experience and assistance for the design & research of similar vessels & marine engineering equipments.

Wind turbine installation vessel Model test Velocity Resistance Propulsion Flow pattern

刘建峰(1978-)，男，工程师。

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