新型圓柱型離岸風(fēng)機(jī)基座的設(shè)計(jì)與分析

許煬塏　楊慧君　高鑫

【摘 要】為了實(shí)現(xiàn)離岸風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性提高，通過對傳統(tǒng)離岸風(fēng)機(jī)基座存在的優(yōu)缺點(diǎn)分析，再結(jié)合幾代Spar平臺基座的優(yōu)點(diǎn)，提出一種新型圓柱型離岸風(fēng)機(jī)基座設(shè)計(jì)。對新型離岸風(fēng)機(jī)基座細(xì)致剖析，再和傳統(tǒng)兩代離岸風(fēng)機(jī)基座進(jìn)行頻域分析。分析結(jié)果表明：使用垂蕩板和增加垂蕩板的數(shù)量均能使離岸風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性能提高，增加垂蕩周期，使風(fēng)機(jī)具有更好的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)定性；傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)；Spar平臺基座；新型圓柱離岸風(fēng)機(jī)基座；頻域分析

【Abstract】Aiming at improving the stability of offshore， wind， we analyze the advantages and disadvantages of traditional offshore wind as well as the advantages of several generations of Spar platform base. So we come up with a design of a New Spar offshore windy base. We did an in-depth analysis of the new offshore wind base. By means of frequency domain analysis on two generations of traditional offshore wind bases and the new one， we found the main influences. The analytic result shows that the adoption of heave-damping plate as well as increasing the quantity of heave-damping plate can improve the stability of offshore wind，Increasing the heaving cycle，making the stability of wind better.

【Key words】Stability； Traditional air blower； New Spar offshore wind base； New cylindrical offshore wind turbine base； Frequency domain analysis

0 引言

由于目前海上風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性不高，并且造價(jià)昂貴，限制著海上風(fēng)能的獲取[1-2]。對風(fēng)機(jī)基座進(jìn)行改良是提高風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性和降低造價(jià)的方法之一。Spar平臺和海上風(fēng)機(jī)都屬于浮體，目前Spar平臺的發(fā)展程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)機(jī)，所以通過對Spar平臺基座的研究來提高風(fēng)機(jī)基座的穩(wěn)定性是切實(shí)有效的。自1991年丹麥安裝全球第一支商用離岸風(fēng)機(jī)，其他國家也都紛紛開始在海上安裝離岸風(fēng)機(jī)，荷蘭的Blue-H采用TLP型的風(fēng)機(jī)，挪威西南部有一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)——Hywind采用的是Spar型風(fēng)機(jī)，美國在葡萄牙海域使用的是Semi-Submersible型風(fēng)機(jī)[3]。這些類型的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有些制造成本高，一般國內(nèi)也比較難去生產(chǎn)和應(yīng)用，因此對新型離岸風(fēng)力機(jī)的研究就顯得很有意義。

本文設(shè)計(jì)的新型圓柱型風(fēng)機(jī)的基座，能有效的增加風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性，該基座主要包括垂蕩板、桁架、硬艙、軟艙、系泊系統(tǒng)[4]。風(fēng)機(jī)通過垂蕩板增大平臺的勢流阻尼，增加垂向運(yùn)動的周期，讓風(fēng)機(jī)保持相對穩(wěn)定。桁架結(jié)構(gòu)能有效減少渦激震蕩，并且桁架簡易，重量較輕，節(jié)約材料。硬艙中的可調(diào)壓載水艙可以對壓載水進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自我扶正，在服役狀態(tài)下也能變得更加的穩(wěn)定。軟艙的存在會使整個(gè)裝置的重心降低，使風(fēng)機(jī)達(dá)到無條件穩(wěn)定。系泊系統(tǒng)能使裝置穩(wěn)定在固定位置，不會由于波浪、風(fēng)力等因素隨意浮動。各個(gè)部件之間相輔相成，各司其職，缺一不可。本文主要是將基座的結(jié)構(gòu)仔細(xì)分析，再通過頻域分析將新型風(fēng)機(jī)和傳統(tǒng)的兩代風(fēng)機(jī)進(jìn)行對比，得出結(jié)論。

1 新型圓柱型離岸風(fēng)機(jī)的基座設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

該風(fēng)機(jī)總體分為兩個(gè)連個(gè)單元。上部結(jié)構(gòu)與陸地風(fēng)機(jī)大致相同，一般由風(fēng)葉、機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、塔管和傳動系統(tǒng)組成?；ㄓ才摗⒋故幇?、軟艙、桁架、系泊系統(tǒng)。

該風(fēng)機(jī)的總形態(tài)和具體單元模型如圖1所示。

1.2 風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)深海風(fēng)機(jī)的時(shí)候，首先最重要的一點(diǎn)是要確定風(fēng)機(jī)的參數(shù)。該風(fēng)機(jī)的參數(shù)具體如表1：

風(fēng)葉用來捕捉風(fēng)，并將風(fēng)力傳送給轉(zhuǎn)子軸心的。機(jī)艙的作用是能量轉(zhuǎn)換的裝置，是風(fēng)機(jī)的核心裝置，其作用是將風(fēng)能通過傳動裝置、各種輔助設(shè)備轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電機(jī)是為風(fēng)機(jī)提供電力輸出的，一般最大的電力輸出功率500-1000千瓦之間。

1.3 基座

以下為新型離岸風(fēng)機(jī)基座參數(shù)分布如表2和結(jié)構(gòu)如圖2。

1.3.1 基座各部分結(jié)構(gòu)

硬艙是為裝置提供一定的浮力，該裝置由四根小圓柱體和一根大圓柱體通過水平連接單元組成，多柱式有效減少了裝置的排水量，并且降低了建造的難度。硬艙分為固定水艙和可調(diào)壓載水艙，固定壓載水艙在硬艙的硬艙的上部，利用防水板分隔成多個(gè)小艙室，同時(shí)在水線面設(shè)置雙層防水壁，以提高平臺的防撞性和抗沉性。在硬艙的底部裝有可調(diào)壓載水艙（通過壓載水實(shí)現(xiàn)），主要是用來調(diào)節(jié)平臺工作、自然狀態(tài)下的吃水和浮態(tài)，壓載水通過壓載水泵進(jìn)行調(diào)配。

因?yàn)樵撈脚_的硬艙艙室較多[5]，所以按照長度具體可以分成如下表3：

垂蕩板是用來提高風(fēng)機(jī)的垂蕩性能的，降低裝置的響應(yīng)幅值。在平臺運(yùn)動時(shí)。垂蕩板帶動周圍的水一起運(yùn)動，增加了平臺在垂蕩運(yùn)動時(shí)的粘性阻尼和附加質(zhì)量，增大了裝置垂向方向的周期，使平臺的垂向穩(wěn)定性變得更強(qiáng)。

軟艙是裝置中最底部的部分，軟艙可以分為固定壓載艙和臨時(shí)浮艙。風(fēng)機(jī)大部分壓載由固定壓載艙提供。它的存在會使整個(gè)裝置的重心降低，使風(fēng)機(jī)達(dá)到無條件穩(wěn)定。固定壓載艙通常也分為幾個(gè)小艙室，根據(jù)不同需要加入海水或是密度更大的固體壓載物。臨時(shí)浮艙是風(fēng)機(jī)平時(shí)工作時(shí)，浮艙中充滿海水，也能為平臺提供一定壓載。并且平臺可以通過浮艙調(diào)節(jié)海水量和空氣量進(jìn)行拖航和自行扶正[5]。

下面是軟艙各艙室的壓載分布如圖 3所示。

桁架結(jié)構(gòu)類似于導(dǎo)管架[6]，是剛性結(jié)構(gòu)，其作用是用來連接硬艙和軟艙的，保證垂蕩板的剛度要求，降低平臺地豎直平面的陰影面積，減小裝置的水平外力載荷，并且它的造價(jià)不高，運(yùn)輸起來比較方便。

新型離岸風(fēng)機(jī)的系泊系統(tǒng)，采用半張緊的懸鏈線系泊系統(tǒng)[7]，下樁點(diǎn)在水平距離上遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)，并且由多條系泊索構(gòu)成的纜索系統(tǒng)覆蓋很寬闊的區(qū)域。該風(fēng)機(jī)的系泊系統(tǒng)有四部分組成：首先是系泊索，系泊索是半張緊的狀態(tài)，并呈懸鏈狀線型。系泊索分為三段，最上段、最下段和錨鏈組成。中間是鋼纜結(jié)構(gòu)。其次是導(dǎo)纜器，其一般安裝在風(fēng)機(jī)的重心位置附近，因?yàn)檫@能減小系泊索的動力載荷。而且導(dǎo)纜器位于水下較深位置，也會減少表面波對系泊索的作用。起鏈機(jī)是風(fēng)機(jī)基座對系泊系統(tǒng)進(jìn)行操控的重要設(shè)備，位于主體頂甲板上，起鏈機(jī)有計(jì)算機(jī)自動控制，能夠控制系泊索的長度和預(yù)張力。風(fēng)機(jī)處于下樁狀態(tài)也能通過起鏈機(jī)對錨鏈?zhǔn)辗?。最后還有海底基礎(chǔ)，一種是傳統(tǒng)的樁基，還有一種是吸力式基礎(chǔ)。

2 頻域分析

應(yīng)用勢流理論計(jì)算風(fēng)機(jī)的垂蕩板的水動力系數(shù)，無法計(jì)算垂蕩板和壓載艙的黏性阻尼。據(jù)滕斌等的研究表明[8]，垂蕩板的輻射阻尼在總阻尼中的比例很小，幾乎可以忽略，而黏性阻尼成為總阻尼的主導(dǎo)部分。所以垂蕩板的縱蕩和垂蕩的黏性阻尼系數(shù)按照下列公式計(jì)算：

式中：M表示慣量矩陣，A（w）為頻域下的附加質(zhì)量矩陣，B（ω）p為頻域下的興波阻尼矩陣，Bv為黏性阻尼矩陣，C為靜水回復(fù)力矩陣，Ce為外部回復(fù)力矩陣。F（ω，β）是入射波頻率為ω，浪向角為β時(shí)的激勵力矩陣。

運(yùn)用頻域水動力分析對Spar式風(fēng)力機(jī)平臺進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，得到六個(gè)自由度上的勢流阻尼曲線。并且，橫（縱）蕩、垂蕩及橫（縱）搖勢流阻尼給出的是無因次化的曲線。

為了研究新型圓柱型離岸風(fēng)機(jī)的運(yùn)動性能相對傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的優(yōu)越性，所以將新型離岸風(fēng)機(jī)的基座和傳統(tǒng)兩代離岸風(fēng)機(jī)的基座進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。新型離岸風(fēng)機(jī)和第一代離岸風(fēng)機(jī)[9]和第二代風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)[10]如圖4所示。

3 結(jié)論

本研究提出的新型圓柱型離岸風(fēng)機(jī)基座結(jié)合Spar平臺的優(yōu)缺點(diǎn)，并與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行頻域?qū)Ρ确治?，并對三代風(fēng)機(jī)進(jìn)行頻域分析對比，結(jié)果表明：

垂蕩板可顯著提高平臺的垂蕩性能，通過增大平臺的勢流阻尼，能有效降低平臺響應(yīng)幅值峰值，但對橫縱蕩和恒縱搖無明顯影響。桁架結(jié)構(gòu)簡易輕便，相對于傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)，能有效減少平臺重量和渦激震蕩。硬艙能使平臺自我扶正并在服役時(shí)也能達(dá)到穩(wěn)定。軟艙就是固定壓艙，位于平臺最底部能使重心低于浮心，達(dá)到穩(wěn)定。系泊系統(tǒng)能固定平臺，錨鏈緊張，讓裝置不會隨意運(yùn)動，提高穩(wěn)定性。

垂蕩板的使用和垂蕩板的數(shù)量增加均能使風(fēng)機(jī)的垂蕩性能提高，增加垂蕩周期，使風(fēng)機(jī)具有更好的穩(wěn)定性。

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[責(zé)任編輯：侯天宇]