半潜式浮式风机支撑平台首摇运动特性分析

借助FAST软件对OC4半潜式浮式风机平台进行数值计算,分析了影响海上浮式风机平台首摇运动的一系列重要因素及其变化规律(如风向变化、浪向变化、陀螺力矩等)。研究了平台首摇运动所诱导的风机系统动力响应,发现浮式风机首摇运动不仅会加剧平台耦合运动响应,而且还会影响风机的气动性能和加剧锚泊张力波动。提出并探讨了几种减小海上浮式风机支撑平台首摇运动的方法。     

不规则波中半潜式平台及其系泊系统动力响应分析

采用时域分析方法,研究某半潜式平台在不规则波作用下的动力响应特性。重点分析在不同浪向角情况下,平台系统有1根锚链缆发生断裂时,其运动谱与锚链缆张力谱的变化特性。研究表明,在该半潜平台遭遇恶劣海况时,一旦有某1根锚链缆发生断裂,则对整个平台系统的动力响应特性将是有很大影响的。     

深水半潜式平台系泊系统动力特性研究

探讨张紧式系泊系统的基本特征,比较张紧式和悬链线式系泊半潜平台运动和动力响应特性,分析拖曳力系数变化对张紧式和悬链线式系泊动力效应的影响,以及张紧式和悬链线式系泊缆节点运动特点,从而为改善半潜平台系泊系统动力效应提供参考.     

安装误差对半潜漂浮式风机悬链线系泊系统性能的影响

由于浅水深条件下悬链线系泊系统的性能对系泊缆长度和几何形状更为敏感,悬链线系泊系统的安装误差对其性能的影响较深水条件下的更为显著。因此首先对适用于半潜漂浮式风机的悬链线系泊系统施工进行研究,分别确定了锚安装位置误差、系泊缆预铺误差和系泊缆与漂浮式基础回接误差的来源,并根据施工条件给出了误差值。之后,以浮体动力学仿真作为手段,对系泊缆系统施工误差对其性能的影响进行基于时域仿真的量化研究。研究表明,锚安装位置误差对系泊系统性能影响不大,但系泊缆预铺和回接的误差对系泊系统性能的影响较大。系泊缆回接的误差可造成系泊缆张力平均值和标准差与设计值偏差近20%,可能对系泊系统疲劳寿命评估产生较大的影响。与系泊缆回接误差相比,系泊缆预铺误差的产生原因更为复杂,由于系泊缆预铺误差往往导致系泊缆长度增长,存在误差的系泊缆张力的各项统计值总体偏小,但可能会造成同组无误差系泊缆的张力过载。     

内孤立波下深水半潜式平台系统动力响应研究

我国南海海域海洋环境条件复杂且海水密度垂直层化现象显著,内孤立波活动频繁,因内孤立波而造成海洋开采平台破坏的案例屡见不鲜。依托水动力计算软件AQWA二次开发功能,采用Kdv方程,借助Fortran语言将深水半潜式平台立柱、浮箱、系泊系统3部分的内孤立波作用力叠加到外力项中,联合求解半潜式平台的6自由度动力响应特性。数值模拟结果表明,在内孤立波作用下,半潜式平台的运动及系泊线张力均受到了显著的影响。在不考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台在纵荡和横荡方向上产生较大的漂移运动,最大偏移量较无内孤立波情况下增加了8倍;系泊线最大张力提高了17%,增加了系泊线断裂的风险。在考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台的纵荡和横荡运动响应在原响应基础上继续提高15%,但是系泊线张力变化不大。内孤立波不同浪向下的平台纵荡和横荡响应相差也很明显;系泊系统合力在不同方向上的大小决定了平台不同方向上运动的大小。     

半潜式平台垂向运动低频响应特性

对半潜式平台垂向运动性能(包括垂荡、横摇和纵摇)进行数值计算分析。与模型试验结果的比较表明,对于半潜式平台这类由柱体组成的结构物进行水动力数值预报,忽略粘性力作用会使得低频运动响应计算结果产生偏差,需要应用三维势流理论和Morison公式相结合的方法。横摇和纵摇运动固有频率均低于波浪频率,在波浪慢漂力作用下会出现显著低频运动响应。垂荡运动是否出现低频响应则与所处海况联系紧密。     

畸形波作用下半潜浮式风机系泊失效停机响应分析

半潜浮式风机逐渐在深海风电开发中受到关注,建立风机、平台与系泊结构耦合数值计算模型,通过FAST与AQWA链接进行风机塔基荷载及平台运动响应相互耦合传递,基于随机波与极限波组合模型生成畸形波时程序列,进行半潜浮式风机系泊失效全过程时域模拟计算分析,得出系泊锚链张力、风机、塔筒和平台运动时程响应,探究系泊失效、风机停机和叶片变桨速率对浮式风机平台系泊结构动力响应的影响。结果表明：畸形波作用下浮式平台和系泊结构动力响应显著,系泊失效导致塔基剪力增加,平台纵荡和纵摇运动响应显著增大;风机停机会引起系泊锚链张力显著减小,转子推力、塔基剪力和叶尖挥舞位移响应逐渐衰减,平台纵荡、纵摇和横摇运动响应显著减小;随着叶片变桨速率增加,风机转子推力和塔基剪力波动幅值增大。     

新型半潜式海上风力机基础水动力特性研究

概念性地设计了一种新型半潜式海上风力机基础,确定了结构的型式和尺寸,对风浪联合作用下不同工况的风力机基础稳性进行了校核.考虑黏性阻尼和二阶波浪力的作用,计算分析了风力机基础的水动力系数、幅频运动以及动力响应特性.结果表明,经过改进的新型风力机基础具有良好的稳性和水动力性能,特别是在垂荡性能上有大幅的提升.波浪入射角度对垂荡的影响不大,但对其他自由度RAOs影响较大.垂荡、横摇和纵摇RAOs均存在一个主峰值和次峰值,但峰值周期均远离波能集中区.此外还发现,不同工况下风浪入射角对风机系统的动力响应和系泊力均有较大影响,相对于工作工况,极端工况下所受风荷载较小,但是系泊力更大.     

半潜式支持平台系泊系统的设计方法及应用

系泊系统是半潜式支持平台抵抗恶劣海洋环境作用、限制平台偏移、实现海上定位的重要设备,辐射状多点系泊是常用的布置方式。针对该平台系泊系统开展了设计方法和分析流程研究,阐述了系泊系统配置设计,包括系泊缆的数量、抛出长度、单根系泊缆的刚度、直径、破断负荷、定位锚的型式、最大抓力等;系泊系统的布置设计,包括系泊缆之间的水平夹角、系泊绞车、导缆器、定位锚的位置等;同时归纳风载荷、流载荷以及波浪慢漂载荷的常用估算方法;总结适用于该类平台系泊系统设计的规范要求。将上述方法和流程应用于某型半潜式支持平台系泊系统的开发和设计,采用系泊定位分析程序MIMOSA对该系统的定位能力进行分析,研究了系泊缆形状、夹角等参数随张力的变化特征,同时系泊缆按照船级社的规范要求进行衡准,反复调整和优化系泊系统的配置和布置方式,直至系泊系统满足要求,最终设计出较合适的系泊系统。相关方法、流程和结论为实际工程项目提供重要的设计思路。     

一种新型Semi-Spar式海上风机平台系泊系统优化分析

参考英国的Kincardine风机采用的新式的Semi-Spar概念,结合spar式基础和半潜式基础的特点,提出了一种新式海上浮式风机平台模型,并基于三维势流理论,利用AQWA软件进行水动力计算,验证新式平台可靠性。分析了在风、浪、流荷载联合作用下,锚链竖向夹角、系缆数量对风机浮式平台运动性能和系泊张力的影响,对系泊系统进行优化,并验证极端工况下的可靠性。结果证明风机平台水平运动和纵摇运动幅值较小,但垂荡幅值略大,而通过减小锚链竖向夹角可以控制平台运动响应幅值,增加系缆数量可以同时减小系泊张力大小。计算结果证明了新型Semi-Spar式海上风机平台可行性,为浮式风机平台及系泊系统的设计提供参考。     

畸形波作用下张力腿浮式风力机动力响应特性

针对张力腿系泊浮式风力机的基础运动,忽略柔性构件的影响,建立气动—水动—系泊非线性耦合运动方程。在运动控制方程中包含张力腿系泊系统的非线性回复刚度,桨距角控制以及浮式基础运动对空气动力载荷的影响。在波浪载荷的计算中考虑二阶波浪载荷的作用。采用随机频率相位角调制法生成畸形波波面时历,计算在畸形波作用下张力腿型浮式风力机的动力响应特性。数值模拟结果表明,在畸形波作用下,浮式基础的运动及空气动力性能均受到了显著的影响。其中浮式基础的纵荡和纵摇运动分别受二阶差频与和频波浪力的影响,而垂荡运动的增加则主要是受下沉运动的影响。在畸形波经过的时刻,风力机的功率系数迅速下降,水平方向的风载荷波动先减小,随后其数值急剧下降,而垂直方向的风载荷波动增大。     

偏航工况下海上浮式风力机基础运动响应及锚泊载荷影响分析

海上浮式风力机受风、浪、流等外部载荷影响,运营期间经常处于偏航工况,给风力机基础运动响应和锚泊载荷带来重要影响.基于经典叶素动量理论及势流理论,建立海上浮式风力机水—气动力耦合分析模型,对在非定常风、不规则波浪联合作用下,风力机偏航时基础运动响应及锚泊载荷等进行分析.研究发现,额定风速工况下,风力机偏航对平台纵荡和纵摇运动影响较大,偏航30°时纵荡和纵摇平均值比偏航0°时分别下降20.68％和37.36％,垂荡运动响应受风力机偏航影响较小;锚泊载荷变化趋势与平台运动及锚链布置有关,平台纵荡对锚泊载荷影响较大,偏航30°时锚链#1有效张力平均值比偏航0°时下降12.98％.     

新型浮式基础的海上风机系统动力响应研究

概念性地设计了一种新型半潜—Spar混合浮式基础,以5 MW水平轴风机为例,研究了该新型浮式基础支撑的浮式风力机系统的动力响应。基于三维势流理论和Morison公式,应用SESAM软件建立浮式基础模型,在频域内计算了该浮式基础的水动力参数和响应算子,分析了浮式基础的运动性能。考虑叶片气动载荷和浮式基础波浪载荷,应用FAST软件对风机—浮式基础系统进行时域计算,分析风力机系统的运动性能。结果显示,该浮式基础运动幅值较小,具有良好的运动性能。     

新型激光雷达浮标运动响应特性数值研究

以新型激光雷达浮标系统为研究对象,基于ANSYS/AQWA开展了激光雷达浮标系统运动响应特性数值研究,研究了浮标吃水深度、形状参数对于激光雷达浮标运动响应的影响规律,分析了附加质量、辐射阻尼、运动响应RAO及一阶、二阶波浪力等水动力参数。采用时域分析方法对不同风浪流荷载入射角度下的激光雷达浮标锚泊系统张力特性进行了计算分析。研究结果表明:随着浮标吃水深度的增加,浮标纵荡方向响应无明显变化,垂荡响应显著增大;随着浮标底部圆台直径的增大,浮标纵荡方向响应变化较小,而圆柱形浮标垂荡运动响应显著大于圆台形浮标;当浮标系泊锚链发生松弛—张紧状态变化时易出现极端张力,且极端张力出现的幅值和频率随有效波高的增大和谱峰周期的减小而增大。     

立管对深水半潜式生产平台定位性能影响研究

基于三维频域势流理论,计算船体的水动力参数;采用动态耦合方法分析了深海半潜式生产平台各系统之间的相互作用特征,研究了立管系统对锚泊系统定位能力的影响。计算结果表明,立管系统在一定程度上增加了整个系统的刚度,其所受的附加质量和阻尼可降低平台的低频响应,从而降低平台的偏移和系泊缆的张力;海流将增大立管上的拖曳力,使平台偏移更远,锚索上的张力更大;立管系统对锚泊系统定位性能的最终影响需综合考虑多种因素的叠加。对目标平台而言,由于服役海域的流速较大,对立管的拖曳作用较为明显。因此,为确保平台的安全性,当服役海域流速较大时,带有多立管的平台,其锚泊系统的设计应考虑立管的影响。     

TLP风机基础二阶动力响应研究

针对概念设计的位于南海的三腿TLP浮式风机基础,应用基于水动力与空气动力耦合的FAST程序在时域内开展了风机基础的动力响应分析。结果表明,风载荷对TLP风机基础六个自由度的动力响应,尤其是纵摇影响显著。由于耦合作用,二阶波浪力进一步增大了基础的纵荡、横摇和艏摇响应。谱密度分析表明,风载荷及二阶波浪力显著地增大了浮式基础水平面内的低频运动。此外,基于风机基础运动时程,应用ORCAFLEX软件开展了时域内筋腱的顶部张力特性分析,结果表明,风载荷和二阶波浪力增大了筋腱顶张力幅值。