GBT 47558-2026《风能发电系统 漂浮式海上风力发电机组一体化计算分析导则》

1风能发电系统漂浮式海上风力发电机组一体化计算分析导则本文件规定了漂浮式海上风力发电机组的风轮-机舱组件和塔架、漂浮式基础结构及锚定系统一体化计算分析的技术要求，主要包括一体化计算分析所需的基本资料、载荷与工况、数值模型、计算方法、结果整理与分析评价等。本文件适用于漂浮式海上水平轴风力发电机组的一体化计算分析。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T31517.1固定式海上风力发电机组设计要求GB/Z44047漂浮式海上风力发电机组设计要求NB/T10105海上风电场工程风电机组基础设计规范NB/T11084海上风电场工程建(构)筑物荷载规范NB/T11378漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则NB/T11600风电场工程抗震设计规范3术语和定义漂浮式海上风力发电机组floatingoffshorewindturbinesystems;FOWTS漂浮于海上的由风轮-机舱组件和塔架、漂浮式基础结构、锚定系统和动态海缆构成的风力发电系统。漂浮式基础结构floatingsubstructure漂浮式海上风力发电机组支撑结构中浮于海上、与塔架和锚定系统连接、用于承受运行载荷的浮动结构的组成部分。锚定系统station-keepingsystem将漂浮式基础结构的偏移和/或加速度限制在规定的范围内，并保持预期方向的系统。2系泊系统mooringsystem一种包括系泊缆、锚、连接器和配套设备，还可能包括浮筒、配重、转塔、解脱系统等其他部件的被动式锚定系统。动态海缆dynamiccable应用于漂浮式海上构筑物、带有相关浮力元件、在水中能跟随漂浮式基础结构在一定范围内移动的海底电缆。将气动、水动、结构、锚定和控制等系统进行耦合，通过数值模型对漂浮式海上风力发电机组开展的整体计算和分析。4.1一体化计算分析应取得气象、海洋水文、工程地质、漂浮式基础结构及锚定系统、动态海缆、风轮-机舱组件等资料；当资料缺乏时可根据工程类比等方法确定。4.2一体化计算分析应根据关注内容，开展气动性能、叶片变形及载荷、塔架变形及载荷、机械系统载荷和振动、漂浮式基础结构运动响应及载荷、动态海缆运动响应、锚定系统载荷等内容的分析。4.3一体化计算分析应根据分析目的、关注对象和资料完整性对漂浮式海上风力发电机组的耦合关系进行简化。5.1风况计算所需的风况资料应包含。a)空气密度、风速风向分布、风切变指数、湍流强度、风速的概率密度函数参数等，湍流强度需考虑风场中风电机组尾流效应的作用。b)轮毂高度处和海平面以上10m高度处的代表年平均风速、不同重现期最大风速值。台风多发地区宜收集台风相关资料。5.2.2海水的盐度、密度和温度。5.2.4波浪资料应包括不同重现期下的波向、波高和波周期，并宜以波浪散布图、等值线等形式描述波高周期联合分布特征。35.3风浪联合分布5.3.1风浪联合分布统计内容主要包括：b)按一定风速区间间隔统计不同方向下波高和波周期的概率分布；c)按一定风速区间间隔统计风、浪所有方向的联合概率。5.3.2波高的级差宜不大于0.5m,周期的级差应不大于0.5s;风速范围宜覆盖切入风速和切出风速，风速区间间隔应不大于2m/s,宜不大于1m/s。5.4工程地质地质资料应包括海床地形地貌、岩(土)层分布和各层岩性特征及力学特性参数，地震动参数及相应的地震基本烈度。5.5风轮-机舱组件、塔架和控制系统5.5.1风轮-机舱组件及塔架资料应包括：b)风轮锥角、传动轴预倾角；c)叶片或等效翼型参数；d)叶片、轮毂、机舱和塔架的材料、尺寸、质量、重心和转动惯量；e)轮毂中心高度；f)机舱倾角和加速度要求；g)推力曲线与功率曲线。5.5.2控制系统资料宜包括：a)控制系统型式及主要参数；b)控制系统逻辑和策略。5.6漂浮式基础结构a)主尺度参数及总布置图；b)结构布置和材料属性；c)不同吃水下的质量及分布、重心、浮心、排水量和转动惯量；d)压载的方式和布置等；e)一体化拖航的方式、布置和速度。锚定系统资料应包括以下内容：c)系泊缆或张力腱的组成及其材料、长度、直径、质量、刚度、最小破断力、水动力系数和附件信息；4d)系泊缆躺底段与海床的摩擦力系数；e)锚固基础型式及特征参数。5.8动态海缆动态海缆资料应包括以下内容：a)动态海缆的连接点位置、走向及构型参数；6计算载荷与工况6.1.1一体化计算分析输入载荷应包括驱动载荷、重力载荷、气动载荷、波浪载荷、流载荷、海生物附着载荷，并宜考虑海冰载荷、地震作用、撞击载荷等。6.1.2驱动载荷应包含发电机、变流器的扭矩控制载荷，偏航、变桨的驱动载荷和机械制动载荷。6.1.3气动载荷应计入叶尖损失、轮毂损失、塔影效应和气弹问题的影响，宜考虑漂浮式基础结构运动的影响。a)波浪载荷考虑水深、海生物附着、结构类型、尺度、形状和响应特性在内的所有潜在影响；b)波浪载荷宜考虑非线性波浪的作用和自由波面升高的影响；c)对于水线面较大的漂浮式基础结构(如驳船式等),宜考虑波浪的抨击作用，抨击载荷宜通过计算流体力学方法、水池试验或相关规程规定等确定。6.1.5流载荷：a)漂浮式基础结构的流载荷可通过整体系数法、莫里森公式或水池试验确定；b)当采用莫里森方法时，宜考虑附属构件的影响；c)流载荷宜考虑波流耦合、涡激振动的影响。b)海冰载荷应按照NB/T11084的规定确定；c)海生物影响宜根据海生物情况调整漂浮式基础结构及锚定系统、动态海缆模型的质量、浮力直径和有效拖曳力直径，当无实测资料时，密度一般可取1300kg/m³~1400kg/m³;d)撞击载荷取值可参考NB/T11084的规定确定。6.2计算工况及载荷组合要求和GB/Z44047的规定。6.2.2一体化计算分析时可不考虑载荷组合系数。7模型构建5和交换功能。7.1.3模型计算范围应覆盖漂浮式海上风力发电机组，以及整个系统的运动范围。7.2气动、水动模型7.2.1气动模型：a)风模型包括稳态模型、湍流模型、阵风模型，根据相应的计算工况确定模型类别及参数；c)当采用CFD方法时，气动模型网格大小宜根据叶片的气动载荷模型确定，且开展网格精度敏感性分析。a)波浪模型可采用规则波或不规则波两种波浪类型，并宜参考工程区域实际观测值确定波浪参数。b)采用规则波时根据波陡与水深选用适宜的波浪理论；采用不规则波时宜参考工程区域实际观测值选用波浪谱。c)海流模型应能表征工程区域的流速剖面；流速剖面应基于实际观测值或后报数据。拖曳力系数或流载荷系数宜通过拖曳水池模型试验或风洞模型试验确定。e)基于势流理论方法进行水动力计算时，湿表面网格尺寸宜不大于2m和波长的1/7。当需要绘制自由液面网格时，保证足够的网格数量，以确保波浪特征的准确捕捉。f)CFD方法进行水动力计算时在造波边界与结构物之间设置足够的空间，并在出流边界前合理设置消波方式以消除反射波的影响；同时模拟气动与水动过程时宜采用两相流方法，并结合界面追踪捕捉算法以刻画波浪破碎等复杂水面过程。g)当采用CFD方法时，水动模型网格大小宜根据水流波浪条件和漂浮式基础结构动力特性确定，且开展网格精度敏感性分析。7.3.1结构模型映真实反映各部件的质量分布、重心位置、刚度以及阻尼特性等，主要包括风轮-机舱组件模型、塔架结构模型、漂浮式基础结构模型、系泊系统模型和动态海缆模型等。7.3.2小变形结构、特征频率远离波激频率和风激频率的结构和变形对系统整体响应影响较小的结构可采用刚体模型。7.3.3风轮-机舱组件模型应包括叶片、轮毂、机舱等部件，叶片和塔架结构宜考虑变形的影响，其他构件可采用刚体模拟。在针对漂浮式基础结构和锚定系统的计算分析中，可采用集中质量和惯性属性等对风轮-机舱组件内部组件进行简化。7.3.4柔性叶片和塔架结构宜采用梁模型，并定义各节点的质量、刚度和阻尼比等。7.3.5漂浮式基础结构可采用刚体模型，当整体系统对于高阶波浪力、叶片通过频率、发电机转频等激6励较为敏感时，或当漂浮式基础结构本身尺寸较大、柔性较为显著时，应评估漂浮式基础结构的弹性。7.3.6系泊系统模型应包含系泊缆、系泊附件等，宜包含锚固基础，并计入系泊缆与海床之间的相互作用，海床模型应能够表征海床刚度、摩擦度和冲刷。当关注塔架、漂浮式基础结构和系泊缆的动力响应时，可对系泊连接装置与锚固基础进行简化处理。7.3.8系泊缆及系泊附件、张力腱、动态海缆可采用有限单元法等方法建模，应准确模拟其尺寸、刚度、7.4控制模型7.4.1控制系统应包括叶片变桨控制、扭矩控制、安全控制、偏航控制，并宜考虑振动控制或动态压载。7.4.2控制器可采用动态链接库或自定义程序进行建模。8.1通用要求8.1.1一体化计算应根据分析目的和要求选择合适的气动模型、水动模型、结构模型与控制模型构建一体化分析模型。8.1.3当需要对漂浮式海上风力发电机组进行快速评估时，一体化计算可采用简化方法(见8.3.4)。8.2计算方法及要求a)采用叶素动量理论进行气动载荷计算时，将叶片划分为多个叶素，独立计算各叶素气动力。需通过动量平衡结合尾流模型处理湍流和动态失速效应，并与漂浮式基础运动实时耦合，通过动态入流模型更新入流速度分布间接修正叶素攻角。b)采用广义动态尾迹模型时，通过时滞微分方程描述尾流动量演化，修正叶素动量理论的稳态尾流假设。针对漂浮式基础低频振荡，引入尾流对流时滞效应修正入流速度，并结合动态失速模型处理大攻角下的气动力迟滞与突变。c)采用致动线模型时，将叶片简化为线状体积力源，通过高斯分布的体力投影到CFD网格。需在致动线附近加密网格以解析叶片尾流，远场可粗化。漂浮式基础运动通过动网格技术实现，需显式耦合分步求解流场与结构运动。d)塔架和漂浮式基础的气动载荷可通过阻力系数法简化计算，将其离散为多段，每段赋予经验阻力系数，采用准静态假设忽略涡激振动，仅计算平均风载。8.2.2对于直径或宽度小于或等于0.2倍波长的构件，其波流载荷可采用莫里森公式计算，并应符合NB/T11084的规定。对于直径或宽度大于0.2倍波长的构件，波浪载荷可采用势流理论叠加莫里森公式粘性效应的方式计算。8.2.3基于势流理论方法进行计算：a)粘性效应可通过附加阻尼系数矩阵或莫里森公式进行考虑；b)附加阻尼系数矩阵可通过水池试验或经过验证的数值模拟确定；c)宜考虑二阶波浪力的影响；d)张力腿型式的漂浮式基础结构系统宜考虑三阶或者更高阶波浪力；e)进行频域分析时，波浪频率应覆盖整个波频范围，且应增加共振区域附近波浪频率划分细度以反映最大响应幅值。8.2.4基于CFD方法进行计算。c)在出流边界前合理设置消波方式，避免波浪反射对计算结果造成影响。d)自由液面附近处应设置足够的网格数量，确保波浪特征的准确捕捉；物体表面应设置边界层网格过渡，并宜通过敏感性分析确定网格尺寸。8.2.5对于水线面面积变化较大等具有强非线性静水回复刚度的漂浮式基础结构，应计入非线性静水回复力的影响。8.2.6单柱式型式的漂浮式基础结构应评估马修不稳定性的影响。8.2.7张力腿型式的漂浮式基础结构应评估高阶和频水动力引起的弹振及鸣振，以及叶片、塔架和漂浮式基础结构的弹性变形及风轮高频气动载荷引起的高频振动对筋腱载荷的影响。8.2.8一体化计算的总时长应满足统计可靠性要求。模拟时长与模拟次数应通过敏感性分析确定。对于风载荷占主导的设计工况，模拟时长不应少于10min。对于波浪载荷占主导的设计工况，模拟时长不应少于3h。随机种子数应根据设计工况、模拟时长等因素，通过敏感性分析确定。当波浪载荷占主导时，随机种子数不应少于6个。8.3.2完全耦合方法应构建漂浮式海上风力发电机组及海洋环境多物理场整体模型，在每一时间步开展气动、水动、结构及控制的同步求解。8.3.3子系统耦合方法可分别计算气动载荷、水动力载荷、运动响应以及控制指令的反馈，通过迭代求叶轮-机舱组件叶轮-机舱组件漂浮式基础结构锚定系统海流工程地质空气动力水动力控制系统动态海缆图1各子系统之间的相互作用88.3.4简化计算时可采用以下方法：b)当缺少详细信息时，选择已有同等或相似类型风轮-机舱组件信息，建立等效模型；c)忽略驱动载荷与控制系统造成的影响，气动载荷以时程曲线、风力系数或定常力等方式施加；d)水动力载荷不考虑全矩阵二次传递函数，二阶水动力载荷采用Newman近似方法求解；f)对于漂浮式基础结构不考虑结构弹性影响。8.4合理性分析8.5.1分析结果验证可采用平衡条件估算、解析解比较、不同软件结果对比、工程类比、和模型试验验证等方法。9结果整理与分析评价9.1.1叶片载荷与变形应包括叶根载荷、