论文部分内容阅读
海上浮式风机是海洋工程的一个新兴领域，其设计与建造涉及到空气动力学、波浪力学、结构动力学及风机系统控制等多个学科的交叉。设计方面的创新和对数值模拟及试验的研究可以帮助增加建造及运行过程中的安全性，减少各环节的成本，推进海上浮式风机的发展。本文综合 Spar 式、半潜式及张力腿平台三类浮式风机形式的优点，提出了一种小水线面、可自浮拖航的新型潜式张力腿平台（Submerged Tension LegPlatform，STLP）浮式风机。以STLP浮式风机为研究对象，采用理论推导、数值模拟及模型试验相结合的方法，对其在风浪联合作用下不同工况的耦合动力特性进行了深入研究。
根据STLP浮式风机小水线面、可自浮拖航的设计理念，研究了STLP浮式风机的频域水动力参数及自浮静稳性，结果表明：小水线面可以有效减小波浪载荷，且STLP浮式风机的静稳性满足拖航规范要求。为得到STLP浮式风机系统的自振频率，通过模态分析法及数值模拟自由衰减两种方法计算了STLP浮式风机六自由度运动的自振频率。STLP浮式风机的设计可以使结构自振频率很好的避开常见波浪频率及风机运行时的1P和3P频率。
海上浮式风机所受环境载荷复杂多变，作用到浮式风机上将会引起结构局部和整体的耦合动力响应。为了研究STLP浮式风机系统复杂的非线性及瞬时动力特性，建立了海上张力腿平台浮式风机耦合动力分析方法，研究了风浪联合作用下STLP浮式风机的动力响应及多自由度运动的耦合特性。明确了风浪的入射角度不同及所在海域水深的大小对浮式风机系统动力响应的影响。研究了STLP浮式风机系统在极端海况下的动力响应及二阶和频和差频波浪载荷对动力响应的影响，结果表明相对于工作海况来说，二阶波浪载荷效应在极端海况下更加明显。
浮式风机变桨系统故障后紧急顺桨停机会引起风机叶片桨距角的快速变化，引起叶片空气动力失衡，产生明显的冲击载荷。不同海况下作用在风机叶片上的空气动力载荷和作用在浮式平台上的波浪载荷变化较大，处在不同风浪环境中的风机变桨故障引起的载荷及弯矩变化也有较为明显的差别。基于变桨故障停机时控制叶尖速比和桨距角的理念，提出了变桨故障后刹车减速顺桨的优化控制方法，较为明显的缓解了由于紧急顺桨停机导致的载荷和弯矩的增加。
STLP浮式风机建造安装灵活，可以利用其自浮特性，通过整机浮运拖航至安装地点后与系泊系统连接完成安装，增加了施工的安全性并减小了成本。但是STLP浮式风机作为一种高耸结构，在拖航过程中的受到环境载荷引起的倾覆力矩较大，需要对拖航浮运过程中的稳性进行分析以保证施工过程的安全。本文基于多体动力学方法，建立了拖船-拖缆绳-浮式风机整个拖航系统的动力学模型，研究了风浪流环境、拖航速度及拖缆点高度对STLP浮式风机拖航过程中运动响应的影响。研究结果显示，STLP浮式风机在恶劣拖航环境下（有义波高5m、风速 17m/s）也可以保证拖航稳性；在拖航时选用合理的拖轮可以减小施工成本；拖缆点设置在水线面附近时，可以减小浮式风机的纵摇及拖缆力的变化。
为了更加直观的研究 STLP 浮式风机的动力响应并验证数值模型的准确性，设计了缩尺比为1∶80的STLP浮式风机模型，并进行了一系列的模型试验研究，包括静水自由衰减、规则波、风浪联合作用（不规则波）及整机拖航试验。试验结果与数值模拟结果吻合较好，验证了海上张力腿平台浮式风机耦合分析方法和拖航系统多体动力学模型的准确性。
根据STLP浮式风机小水线面、可自浮拖航的设计理念，研究了STLP浮式风机的频域水动力参数及自浮静稳性，结果表明：小水线面可以有效减小波浪载荷，且STLP浮式风机的静稳性满足拖航规范要求。为得到STLP浮式风机系统的自振频率，通过模态分析法及数值模拟自由衰减两种方法计算了STLP浮式风机六自由度运动的自振频率。STLP浮式风机的设计可以使结构自振频率很好的避开常见波浪频率及风机运行时的1P和3P频率。
海上浮式风机所受环境载荷复杂多变，作用到浮式风机上将会引起结构局部和整体的耦合动力响应。为了研究STLP浮式风机系统复杂的非线性及瞬时动力特性，建立了海上张力腿平台浮式风机耦合动力分析方法，研究了风浪联合作用下STLP浮式风机的动力响应及多自由度运动的耦合特性。明确了风浪的入射角度不同及所在海域水深的大小对浮式风机系统动力响应的影响。研究了STLP浮式风机系统在极端海况下的动力响应及二阶和频和差频波浪载荷对动力响应的影响，结果表明相对于工作海况来说，二阶波浪载荷效应在极端海况下更加明显。
浮式风机变桨系统故障后紧急顺桨停机会引起风机叶片桨距角的快速变化，引起叶片空气动力失衡，产生明显的冲击载荷。不同海况下作用在风机叶片上的空气动力载荷和作用在浮式平台上的波浪载荷变化较大，处在不同风浪环境中的风机变桨故障引起的载荷及弯矩变化也有较为明显的差别。基于变桨故障停机时控制叶尖速比和桨距角的理念，提出了变桨故障后刹车减速顺桨的优化控制方法，较为明显的缓解了由于紧急顺桨停机导致的载荷和弯矩的增加。
STLP浮式风机建造安装灵活，可以利用其自浮特性，通过整机浮运拖航至安装地点后与系泊系统连接完成安装，增加了施工的安全性并减小了成本。但是STLP浮式风机作为一种高耸结构，在拖航过程中的受到环境载荷引起的倾覆力矩较大，需要对拖航浮运过程中的稳性进行分析以保证施工过程的安全。本文基于多体动力学方法，建立了拖船-拖缆绳-浮式风机整个拖航系统的动力学模型，研究了风浪流环境、拖航速度及拖缆点高度对STLP浮式风机拖航过程中运动响应的影响。研究结果显示，STLP浮式风机在恶劣拖航环境下（有义波高5m、风速 17m/s）也可以保证拖航稳性；在拖航时选用合理的拖轮可以减小施工成本；拖缆点设置在水线面附近时，可以减小浮式风机的纵摇及拖缆力的变化。
为了更加直观的研究 STLP 浮式风机的动力响应并验证数值模型的准确性，设计了缩尺比为1∶80的STLP浮式风机模型，并进行了一系列的模型试验研究，包括静水自由衰减、规则波、风浪联合作用（不规则波）及整机拖航试验。试验结果与数值模拟结果吻合较好，验证了海上张力腿平台浮式风机耦合分析方法和拖航系统多体动力学模型的准确性。