Truss-spar-buoy风机承载浮式平台的概念设计

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Tab.1 Parameters of the NREL 5MW wind turbine
5MW 风机
转轮方向 ， 配置 转轮直径 转轮中心高 转轮质量 控制室质量 塔身质量 塔身底部截面直径 ， 壁厚 塔身顶部截面直径 ， 壁厚 风机总质心位置 详细参数 迎风向 ，3 叶片
126m 90m 110 000kg 240 000kg 347 460kg 6m ，0.027m 3.87m ，0.019m
[3-4]
， 增大各平台水线面到水线面形心的距
离 ，以此增大平台的水线面二阶矩 ，达到增大平台稳性的目的 。 但是 ，由于叶片较长 ，为避免叶片的互相 碰撞 ，各风机需间隔很远 ，将各风机平台刚接需要很高的成本 ，因此 ，这种方法的经济性也是不好的 。 本文在借鉴以上几种平台形式的基础上 ， 参考了 Truss-spar 平台的结构特点 ， 设计了更适用于风 机发电的 Truss-spar-buoy 浮式平台结构 ，下文将对这种平台的结构特点及运动性能进行说明 。
2.2.2 水线面积
为了减小波浪对结构的作用 ， 大多数的风力发电浮式平台 ， 其水线面处面积都很小 ， 仅满足结构 承重要求 （barge 平台除外 ）。 但是 ，这样设计的平台 ， 会造成运输和安装过程的很多不便 。 为了施工上 的方便 ，本文设计的新型平台 ，其水线面处的面积将大于风机底面面积 ， 运输时可分为两段 ： 第一段为 风机结构 ，第二段则为除风机外的其余结构 。 在安装时 ， 将第二段通过锚泊系统固定于水底后 ， 第一段 吊装插入第一段固定即可 。
(1)
其中 ，酌 为海水容重 ，LBG 为浮心与重心的高差 ，V 为平台的吃水体积 ，Iww 为平台的水线面二阶面积矩 。 由前面分析可知 ， 完全通过增大平台水线面二阶面积矩的法是不经济的 。 对平台的改进方案 ， 应从 增大浮心与重心的高差 ，以及增大平台的吃水体积两方面考虑 。 如欲控制平台的偏转角度极值的大小 ， 仅依靠平台自身结构提供的偏转静水回复刚度是不够的 ， 因为这意味着巨大的水下体积 ， 这样会大幅地增加平台的建造成本 。 设计时 ， 应在平台保持自身稳性 的基础上 ， 同时采用系泊系统来控制平台的偏转极值 。 下面借鉴 truss-spar 平台的结构特点 ， 设计出满足这种要求的 Truss-spar-buoy 浮式平台结构 , 该 结构通过靠近水线处的浮箱提供浮力 ， 并通过水下深度较大的重箱提供压载 ， 二者之间通过桁架结构 连接 ， 并设置垂荡板结构以减小平台的垂荡响应 。
Conceptual design of a Truss-spar-buoy support platform for offshore wind turbine
ZHU Hang 1,2 OU Jin-ping 2,3
(1 Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China; 2 School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 3 School of Civil & Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)
（1 船舶工艺研究所 ， 上海 200032 ；2 哈尔滨工业大学 土木工程学院 ， 哈尔滨 150090 ；
3 大连理工大学 土木水利学院 ， 辽宁 大连 116023 ）
摘要 ： 参照 truss-spar 平台的结构特点 ，设计了适用于风机发电的 Truss-spar-buoy 浮式平台 。 与现有的几种设计 方案相比 ，该平台有着更为合适的吃水深度 ，更优秀的稳性 ，以及更为便利的安装方式 。 通过数值方法 ， 对比了平 台在几种海况下的风和浪载荷极值 ，并计算了平台在中国南海 10 年重现期自存海况下的时域运动响应 。 文中的 研究结果可以为浮式风力发电平台的设计提供参考 。 关键词 ： 风机 ; 浮式平台 ; 运动响应 中图分类号 ： P751 文献标识码 ： A
Abstract：According to the structural features of the truss-spar platform, a Truss-spar-buoy platform was de鄄 signed for offshore wind turbine. Comparing with other floating support platforms, the truss-spar -buoy plat鄄 form has many advantages: more suitable draft for power transmission, better performance of stability, and easi鄄 er to installation.The maximum value of wind loads and wave forces of the platform under several sea condi鄄 tions are compared by numerical methods,and the motion performance of the platform under 10-yr return peri鄄 od survival condition in South China Sea was calculated in time domain. The results may serve as a reference on the design for offshore wind turbine platforms. Key words: wind turbine ； offshore platform ； motion performance
（-0.2m ，0.0m ，64.0m ）
2.2 设计理念 2.2.1 平台水下主体结构设计
从风力发电对浮式平台需求可知 ， 适用于风力发电的浮式平台 ， 需要有很好的稳性 ， 即平台在风 的作用下发生偏转时 ，平台会有自我回复能力 。 也就是说 ， 对平台结构的改进 ， 首先要使平台具有正的 偏转静水回复刚度 。 平台的偏转静水回复刚度可表示为 ： · V+Iww " LBG · K= ! 酌
平 桁架直径 , 数量 垂荡板直径 ， 顶面高程 ， 底面高程 压载舱截面直径 ， 顶面高程 ， 底面高程 风机平台整体重心位置 纵摇 （ 或横摇 ） 回转半径 台 详细参数 浮箱截面直径 ， 顶面高程 ， 底面高程
16m, 5m, -40m 2m, 4 根 16m ，-55m ，-56m 16m ，-70m ，-85m
2 Truss-spar-buoy 平台参数说明
2.1 风机参数
由于浮式平台结构为承载风机所用 ， 首先对其上承载的风机参数进行说明 。 以 NREL 5MW 风机 为例 ， 其详细参数如表 1 。
[5]
第 11 期
朱
航等 ： Truss-spar-buoy 风机承载浮式 … 表 1 NREL 5MW 风机参数
1 引
言
随着能源需求的增加与不可再生能源的消耗 ，可再生新能源的发展受到人们的日益重视 。 风能发 电是可再生能源的利用中技术成熟 、具开发条件的发电方式之一 ，有着非常广阔的发展前景 。 据欧洲风 能协会报告预测 ：2020 年时 ，全球风能发电将占发电总量的 12%[1]。 目前 ，风力发电设备主要用于陆上和近海地区 。 与陆上风相比 ，海风有着风速高 、静风期少 、风速随 收稿日期 ： 2012-05-20
船舶力学
第 16 卷第 11 期
图1
风机浮式平台常见结构形式
Fig.1 Main structures of the floating wind turbine platforms
第一种平台 （ 左一 ）， 为 spar-buoy 式平台 ， 有着 spar 平台的结构特点 ， 采用压载舱使得平台的浮心 高于重心 ，以此保证结构的稳性 ，并配以锚泊系统以控制平台的水平位移 。 这种平台需要很深的吃水 ， 按文献[2]介绍 ，该平台整体的吃水在 120m 左右 。 第二种平台 （ 左二 ）， 为 TLP 式平台 ， 有着 TLP 的结构特点 ， 平台的浮力大于重力 ， 并通过张力腿系 统固定于海底 ，以此保证结构的稳性及控制水平位移 。 在结构完好时 ，这种平台的力学性能合理 ，但是 ， 由于这种平台无自我回复刚度 ， 如果张力腿发生意外断裂 , 平台有极大的可能发生倾覆 。 因此 ， 这种平 台有着很大的安全隐患 。 第三种平台 （右一 ），为 barge 式平台 ，有着巨大的水线面积 ，以此保证平台的稳性 ，并配以锚泊系统 以控制平台的水平位移 。 这种设计的理念是通过平台偏转时 ， 两侧入水体积的变化所产生的浮力差来 提供弯矩 ， 但是 ， 这种平台的水线处面积过于庞大 ， 平台所受到的波浪力也因此很大 ， 会对锚泊系统的 性能有很大需求 。 因此 ，这个方法的经济性不好 。 此外一些学者通过将风机平台联合固接于一起的方法
2.3 尺寸参数 图 2 为 Truss-spar-buoy 平台风机之下结构的示意图 。 表 2 为相应的尺寸参数 。 这些参数可以根
据不同的海况或需求而调整 。 表 2 Truss-spar-buoy 平台尺寸参数
Tab.2 Parameters of the Truss-spar-buoy platform
作者简介 ： 朱 航 （1983- ）， 男 ， 博士 ， 主要从事深水平台运动响应的研究工作 ， Email: zhuhang00@ ； 欧进萍 （1959- ）， 男 ， 中国工程院院士 ， 博士生导师 。
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高度变化小 、 不必限制噪音 等诸多优点 ， 可以大幅度地 增加发电量和延长设备寿 命 。 随着近海地区风力发电 技术的成熟 ， 如何利用深海 地区的风力发电 ， 已成为学 者的研究热点 。 与陆上和近 海地区的风机下体固定式结 构不同的是 ， 在深海地区 ， 由 于水深的增加 ， 风机需安置 于浮式平台上 ， 以降低安装 成本 。 用于深海地区风力发电 的浮式平台 ， 常见的有三种 结构形式 ，如图 1 所示 。 基于 各自的结构特点 ， 三者的设 计概念也有很大不同 ， 下面 将分别对这几种结构形式进 行介绍 。