基于TLP原理的海上风机浮式基础研究

摘要

海上蕴含丰富的风能，海上风力发电为人类提供了大量可再生清洁能源。海上风电从浅海的桩柱型向深海的漂浮式发展是必然趋势。深海的漂浮式风力发电已成为国外研究的热点领域，但在我国尚处于起步阶段。对海上浮式风机而言，浮式基础结构显得尤为重要，因此，急需开展海上风机浮式基础的研究。
　　本文参考IEC-61400-3规范（国际电工协会《海上风机设计要求》）及DNV海上浮式平台相关规范，对基于TLP原理的海上风机浮式基础进行了概念设计及相关力学性能的系统研究。主要研究内容及相关结论如下：
　　（1）对基于TLP原理的海上风机浮式基础进行了概念设计。通过对不同平台型式的特点分析，选定了TLP平台基础型式；初步确定了浮式基础的主尺度。同时对概念设计的浮式基础进行了稳性和运动性能初步计算，通过计算发现海上张力腿浮式风机主要性能指标均满足要求，并对计算结果进行了初步分析。
　　（2）对海上张力腿浮式风机整体结构进行了动力响应研究。建立了全耦合一体化海上张力腿浮式风机整体结构有限元模型并对其进行了动态特性分析，分析发现浮式风机系统的整体结构固有频率有效的避开风轮激励频率和主要海浪频率；选取风机正常发电状态下的工况对海上张力腿浮式风机在风浪流联合作用下的动态响应进行时域耦合仿真分析，并计算和分析了海上张力腿浮式风机在特定风浪组合下不同响应变量的变化特点；通过不同响应变量的谱密度函数特征比较了不同风速、不同波高对浮式风机响应变量的影响，分析发现在特定风速范围内，风载荷对浮式风机系统的影响要比波浪载荷大。
　　（3）对基于TLP原理的海上风机浮式基础进行了水动力性能研究。在频域范围内计算了TLP型浮式基础的水动力系数，得到了一阶波浪激励力和六自由度运动响应的RAO；通过对RAO进行分析，给出了可能使TLP型浮式基础处于危险海况的波浪频率范围；并研究了张力腿预张力、张力腿刚度、张力腿长度、张力筋腱根数等特征参数对浮式基础运动响应的影响；对TLP型浮式基础受到的一阶波浪激励力和六自由度运动响应分别进行了短期和长期预报。
　　（4）对基于TLP原理的海上风机浮式基础进行了结构设计。参考DNV海洋平台规范，使用载荷抗力分项系数设计法选取不同极限状态下的载荷系数，确定了TLP型浮式基础不同部位的设计载荷；根据设计载荷确定了浮式基础不同部位的最小设计板厚以及加强筋和桁材的最小剖面模数。
　　（5）对基于TLP原理的海上风机浮式基础进行了波浪载荷预报。建立了详细的TLP型浮式基础波浪载荷计算模型；计算了TLP型浮式基础典型剖面载荷并得到了各工况下典型剖面载荷分量的传递函数；完成了典型剖面载荷的长期预报，得到各工况下典型剖面载荷分量的长期统计值，并确定了TLP型浮式基础总体强度分析所需的设计波参数。
　　（6）对基于TLP原理的海上风机浮式基础进行了总体强度分析。建立了TLP型浮式基础总体强度分析的有限元模型；完成了不同载荷工况下TLP型浮式基础总体强度计算；对TLP型浮式基础的总体强度计算结果进行分析并对高应力区进行讨论，给出了影响TLP型浮式基础总体强度的关键因素及修改意见。
　　（7）设计了海上张力腿浮式风机缩尺比试验模型，进行了试验方案设计。试验方案中拟安排主要测量海上张力腿浮式风机在风浪联合作用下的运动响应性能，以及风载荷的模拟方法对于张力腿浮式风机运动响应的影响。

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2国内外研究现状和方法

1.3主要研究内容和创新点

第二章 海上浮式风机研究基本理论

2.1概述

2.2空气动力学理论

2.3水动力学理论

2.4基于SWT的全耦合动力学分析理论

2.5基于IEC规范的环境载荷

2.6本章小结

第三章 基于TLP原理的海上风机浮式基础概念设计

3.1浮式基础概念设计方法及流程

3.2浮式基础的设计要求及设计条件

3.3浮式基础的平台型式选择

3.4海上风机型号选择

3.5 TLP型浮式基础排水量的确定

3.6 TLP型浮式基础主体尺寸设计

3.7系泊系统设计

3.8稳性计算

3.9运动性能分析

3.10本章小结

第四章 海上张力腿浮式风机动力响应研究

4.1面向风机正向设计软件SWT的有限元建模特点

4.2海上张力腿浮式风机整体结构动态特性分析

4.3海上张力腿浮式风机动态响应时域耦合分析

4.4本章小结

第五章 TLP型浮式基础水动力性能研究

5.1三维无航速频域势流理论

5.2水动力响应分析

5.3 TLP型浮式基础响应预报

5.4本章小结

第六章 TLP型浮式基础结构设计

6.1海上浮式结构设计方法概述

6.2浮式基础结构布置

6.3设计载荷的确定

6.4板和加强结构的尺寸

6.5立柱结构板和加强筋尺寸计算

6.6悬臂结构的板和加强筋尺寸计算

6.7浮式基础桁材尺寸计算

6.8本章小结

第七章 TLP型浮式基础波浪载荷预报

7.1波浪诱导载荷计算原理和流程概述

7.2波浪载荷预报与分析方法

7.3环境参数与装载工况

7.4 TLP型浮式基础波浪诱导载荷计算模型

7.5 TLP型浮式基础典型剖面载荷计算

7.6 TLP型浮式基础波浪载荷长期预报

7.7 TLP型浮式基础设计波参数

7.8本章小结

第八章 TLP型浮式基础总体强度分析

8.1结构强度分析概述

8.2 TLP型浮式基础结构有限元模型的建立

o

8.3 TLP型浮式基础总体结构强度分析

8.4本章小结

第九章 海上张力腿浮式风机模型制作与试验方案设计

9.1概述

9.2海洋工程试验相似理论与坐标系

9.3模型试验中模型制作

9.4试验测量仪器

9.5海洋环境模拟

9.6试验内容

9.7本章小结

第十章 总结和展望

10.1本文主要研究成果及结论

10.2进一步研究工作及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文

致谢