新型圓柱型離岸風機基座的設計與分析

許煬塏　楊慧君　高鑫

【摘 要】為了實現離岸風機的穩定性提高，通過對傳統離岸風機基座存在的優缺點分析，再結合幾代Spar平臺基座的優點，提出一種新型圓柱型離岸風機基座設計。對新型離岸風機基座細致剖析，再和傳統兩代離岸風機基座進行頻域分析。分析結果表明：使用垂蕩板和增加垂蕩板的數量均能使離岸風機的穩定性能提高，增加垂蕩周期，使風機具有更好的穩定性。

【關鍵詞】穩定性；傳統風機；Spar平臺基座；新型圓柱離岸風機基座；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

由于目前海上風機的穩定性不高，并且造價昂貴，限制著海上風能的獲取[1-2]。對風機基座進行改良是提高風機穩定性和降低造價的方法之一。Spar平臺和海上風機都屬于浮體，目前Spar平臺的發展程度遠遠高于風機，所以通過對Spar平臺基座的研究來提高風機基座的穩定性是切實有效的。自1991年丹麥安裝全球第一支商用離岸風機，其他國家也都紛紛開始在海上安裝離岸風機，荷蘭的Blue-H采用TLP型的風機，挪威西南部有一個風力發電機——Hywind采用的是Spar型風機，美國在葡萄牙海域使用的是Semi-Submersible型風機[3]。這些類型的風機結構復雜，有些制造成本高，一般國內也比較難去生產和應用，因此對新型離岸風力機的研究就顯得很有意義。

本文設計的新型圓柱型風機的基座，能有效的增加風機的穩定性，該基座主要包括垂蕩板、桁架、硬艙、軟艙、系泊系統[4]。風機通過垂蕩板增大平臺的勢流阻尼，增加垂向運動的周期，讓風機保持相對穩定。桁架結構能有效減少渦激震蕩，并且桁架簡易，重量較輕，節約材料。硬艙中的可調壓載水艙可以對壓載水進行調節，實現自我扶正，在服役狀態下也能變得更加的穩定。軟艙的存在會使整個裝置的重心降低，使風機達到無條件穩定。系泊系統能使裝置穩定在固定位置，不會由于波浪、風力等因素隨意浮動。各個部件之間相輔相成，各司其職，缺一不可。本文主要是將基座的結構仔細分析，再通過頻域分析將新型風機和傳統的兩代風機進行對比，得出結論。

1 新型圓柱型離岸風機的基座設計

1.1 總體設計

該風機總體分為兩個連個單元。上部結構與陸地風機大致相同，一般由風葉、機艙、發電機、塔管和傳動系統組成。基座包括硬艙、垂蕩板、軟艙、桁架、系泊系統。

該風機的總形態和具體單元模型如圖1所示。

1.2 風機上部結構

在設計深海風機的時候，首先最重要的一點是要確定風機的參數。該風機的參數具體如表1：

風葉用來捕捉風，并將風力傳送給轉子軸心的。機艙的作用是能量轉換的裝置，是風機的核心裝置，其作用是將風能通過傳動裝置、各種輔助設備轉換成電能。發電機是為風機提供電力輸出的，一般最大的電力輸出功率500-1000千瓦之間。

1.3 基座

以下為新型離岸風機基座參數分布如表2和結構如圖2。

1.3.1 基座各部分結構

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小艙室，同時在水線面設置雙層防水壁，以提高平臺的防撞性和抗沉性。在硬艙的底部裝有可調壓載水艙（通過壓載水實現），主要是用來調節平臺工作、自然狀態下的吃水和浮態，壓載水通過壓載水泵進行調配。

因為該平臺的硬艙艙室較多[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機的垂蕩性能的，降低裝置的響應幅值。在平臺運動時。垂蕩板帶動周圍的水一起運動，增加了平臺在垂蕩運動時的粘性阻尼和附加質量，增大了裝置垂向方向的周期，使平臺的垂向穩定性變得更強。

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浮艙。風機大部分壓載由固定壓載艙提供。它的存在會使整個裝置的重心降低，使風機達到無條件穩定。固定壓載艙通常也分為幾個小艙室，根據不同需要加入海水或是密度更大的固體壓載物。臨時浮艙是風機平時工作時，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節海水量和空氣量進行拖航和自行扶正[5]。

下面是軟艙各艙室的壓載分布如圖 3所示。

桁架結構類似于導管架[6]，是剛性結構，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，并且它的造價不高，運輸起來比較方便。

新型離岸風機的系泊系統，采用半張緊的懸鏈線系泊系統[7]，下樁點在水平距離上遠離風機，并且由多條系泊索構成的纜索系統覆蓋很寬闊的區域。該風機的系泊系統有四部分組成：首先是系泊索，系泊索是半張緊的狀態，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。中間是鋼纜結構。其次是導纜器，其一般安裝在風機的重心位置附近，因為這能減小系泊索的動力載荷。而且導纜器位于水下較深位置，也會減少表面波對系泊索的作用。起鏈機是風機基座對系泊系統進行操控的重要設備，位于主體頂甲板上，起鏈機有計算機自動控制，能夠控制系泊索的長度和預張力。風機處于下樁狀態也能通過起鏈機對錨鏈收放。最后還有海底基礎，一種是傳統的樁基，還有一種是吸力式基礎。

2 頻域分析

應用勢流理論計算風機的垂蕩板的水動力系數，無法計算垂蕩板和壓載艙的黏性阻尼。據滕斌等的研究表明[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部分。所以垂蕩板的縱蕩和垂蕩的黏性阻尼系數按照下列公式計算：

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

運用頻域水動力分析對Spar式風力機平臺進行建模和數值模擬，得到六個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機的運動性能相對傳統風機的優越性，所以將新型離岸風機的基座和傳統兩代離岸風機的基座進行實驗分析。新型離岸風機和第一代離岸風機[9]和第二代風機結構[10]如圖4所示。

3 結論

本研究提出的新型圓柱型離岸風機基座結合Spar平臺的優缺點，并與傳統風機進行頻域對比分析，并對三代風機進行頻域分析對比，結果表明：

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幅值峰值，但對橫縱蕩和恒縱搖無明顯影響。桁架結構簡易輕便，相對于傳統的風機，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也能達到穩定。軟艙就是固定壓艙，位于平臺最底部能使重心低于浮心，達到穩定。系泊系統能固定平臺，錨鏈緊張，讓裝置不會隨意運動，提高穩定性。

垂蕩板的使用和垂蕩板的數量增加均能使風機的垂蕩性能提高，增加垂蕩周期，使風機具有更好的穩定性。

【參考文獻】

[1]李曉燕，余志.海上風力發電進展[J].太陽能學報，2004（25）.

[2]張亮，吳海濤，荊豐梅，等.海上漂浮式風力機研究進展及發展趨勢[J].海洋技術，2010（29）.

[3]張方南，蔡亞霖，涂景欽，等.離岸風電之浮動式平臺概念設計及風機受力分析[C].臺北，2013.

[4]張帆，楊建民，李潤培.新型多柱桁架式Spar平臺水動力性能研究[J].海洋工程，2007（25）.

[5]索雙武，肖麗娜，許靖，等.一種新型Spar深水平臺的總體壓載方案設計[J].船舶工程，2013（35）.

[6]張帆.深海立柱式平臺概念設計及水動力性能研究[D].上海交通大學，2008.

[7]王子寒.新型Spar平臺方案設計和分析[D].哈爾濱工程大學，2012.

[8]滕斌，鄭苗子，姜勝超，等.Spar平臺垂蕩板水動力系數計算與分析[J].海洋工程，2010（28）.

[9]張亮，趙玉娜，馬勇，等.Spar式風力機平臺設計及水動力影響因素研究[J].哈爾濱工程大學學報，2013（36）.

[10]唐友剛，李嘉文，曹菡，等.新型海上風機浮式平臺運動的頻域分析[J].海洋工程，2013（46）.

[責任編輯：侯天宇]