（流体力学专业论文）半潜式海洋潮流电站系统性能研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g s t u d y o nse m i - - s u b m e r s i b l et i d a lc u r r e n t p o w e rs t a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c e c a n d i d a t e ：l iz a i p e n g s u p e r v is o r ：p r o f s h e n gq i h u a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ： f l u i dm e c h a n i c s d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 、 气 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：乃确删够 日期：& 纠矿年月，日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：煮乐砂导师( 签字) ：撇j 日期：o 矿砗孑月，日洲9 年弓月，届 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 海洋潮流能是一种清洁的可再生能源，其利用价值高、潜力巨大。在大 力发展新能源的今天，潮流能必将占有重要的席位。我国拥有漫长的海岸线， 近海海域蕴含着丰富的海洋潮流能资源，开发前景广阔。 目前，国内外已经建成的示范运行的潮流电站，其基本结构形式有漂浮 式、悬浮式、桩柱支撑式和座海底式，选取特殊载体作为搭载水轮机和发电 机组的工作平台。国内哈尔滨工程大学研建的7 0 k w 和4 0 k w 潮流实验电站 采用了漂浮式和座海底式结构。由于潮流电站的生存环境十分恶劣，研究能 够适应恶劣海洋环境的安全性和可靠性高、制造成本低和维护检修方便的潮 流电站总体结构形式和定位系统，是潮流能利用向商业化发展的关键。 本文探索并设计一种半潜式水平轴水轮机潮流发电系统方案。该系统由 叶轮、载体平台( 安装增速器和发电机) 、稳定系统和锚泊系统组成，电站系 泊于海床上。论文主要包括三方面工作：首先，进行了电站系统总体方案设 计和系统布局研究，从稳性和浮态等因素进行分析计算，优化设计方案。然 后，进行各种外载荷和运动性能研究，基于三维频域势流理论，应用 h y d r o s t a r 水动力计算软件得到了不同浪向下电站系统的一阶辐射绕射力、 一阶运动响应以及二阶漂移力，并分析数值结果，提出了设计时应注意的问 题。再后，根据电站特点提出采用三根锚链布置，并按锚泊线成分比例的不 同，设计了三种锚泊线方案，利用a r i a n e 7 软件对系泊系统进行时域分析 和方案对比。最后，给出最优方案在不同海况和工况下锚泊线及平台六自由 度运动响应值，同时基于工作海床的状况和系泊性能要求，选取合理的抓力 锚。 论文研究表明，本半潜式潮流发电系统方案具有良好的抗风浪能力和运 动性能，可作为一种优选方案进一步研究。 关键词：潮流电站；半潜式平台；三维势流理论；锚泊系统 t i d a lp o w e ri sak i n do fr e n e w a b l ee n e r g yw i t hh i g hv a l u ea n dp o t e n t i a li n u s e ，w h i c hs h o u l dt a k ea ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h es o c i e t yn o w a d a y sw h e nf r e s h e n e r g yi sg r e a t l yd e v e l o p e d o u rc o u n t r yh a sal o n gc o a s t l i n ew h i c hi sr i c hi nt i d a l e n e r g yo f f s h o r e 、讲mag o o de x p l o i t a t i o np r o s p e c t a tp r e s e n t ，t h ea l r e a d yr u n n i n gs t a t i o ne x a m p l e si nt h ew o r l dh a v es e v e r a l b a s i cf o r m s ，s u c ha sf l o a t i n g s t r u c t u r e s ，s u s p e n d e ds t r u c t u r e s ，s e a b e dp i l e d s t r u c t u r e sa n ds i ts e a b e ds t r u c t u r e s ，s e l e c t i n gas p e c i a lc a r d e rw i t hh y d r a u l i c t u r b i n ea n dg e n e r a t i n gu n i t s t h ed o m e s t i ce x p e r i m e n t a l7 0 k wa n d4 0 k wp o w e r s t a t i o n so fh r b e uu s et h ef l o a t i n gs t r u c t u r ea n ds i ts e a b e ds t r u c t u r e s f o rt h e t e r r i b l ew o r k i n gc o n d i t i o n ，t h ed e s i g n i n go fs t r u c t u r ea n dm o o r i n gs y s t e mt o e n s u r et h es t a t i o ns a f ea n dr e l i a b l ei st h ek e yt od e v e l o pt h ec o m m e r c i a lu s i n go f t h ew o r kw h i c ht h ea r t i c l ec a r r i e so u ti sak i n do fe x p l o r a t i o na b o u t s e m i s u b m e r s i b l et i d a lc u r r e n tp o w e rs t a t i o ns y s t e md e s i g n t h ep o w e rs t a t i o n i n c l u d e sb l a d e s ，c a r r i e rp l a t f o r mw i t hg e n e r a t o r , s t a b i l i z a t i o ns y s t e ma n dm o o r i n g s y s t e m t h i st h e s i sh a st h r e ep a r t s ：f i r s t ，s t u d y i n go nt h ew h o l ep o w e rs t a t i o n d e s i g n i n ga n ds y s t e mc o m p o s i t i o nb ys t a b i l i z a t i o na n db u o y a n c yc a l c u l a t i o nt o c h o o s et h eb e s td e s i g n t h e nb a s eo nt h e3 一dp o t e n t i a lt h e o r y , f i r s t - o r d e rf o r c e s a n dm o m e n t s ，f i r s t - o r d e rm o t i o na n ds e c o n d o r d e rd r a f tf o r c e su n d e rd i f f e r e n t w a v eh e a d i n g sa rec a l c u l a t e db yt h es o f t w a r eo fh y d r o s t a r a n dt h ep r o b l e m s 人 w h i c hm u s tb en o t i c e dh a v eb e e np u tf o r w a r db ya n a l y s i so na b o v er e s u l t s l a s t ， a c c o r d i n gt ot h ep o w e rs t a t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n dt h em o o r i n gl i n ei n g r e d i e n t 、p r o p o r t i o n sd i f f e r e n c e ，t h r e es c h e m e sa b o u tm o o r i n gl i n e sa r ep r e s e n t e d w eg i v e t h ef o r c e sa n dt h er e s u l to fm o v e m e n ta b o u td i f f e r e n tm o o r i n gl i n e sb yu s i n gt i m e _ 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d o m a i na n a l y s i su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 研ma r i a n e 7 o nt h i sb a s i s ，w eg i v e t h eo p t i m u ms c h e m e f i n a l l y , w es e l e c ta n c h o rb a s eo ns e a b e da n db e r t h i n g f a c t o r s t h et h e s i sr e s u l t ss h o wt h a ts e m i - s u b m e r s i b l et i d a lc u r r e n tp o w e rs t a t i o n s y s t e md e s i g nh a sg o o da b i l i t yo fr e s i s t i n gw i n da n dw a v e ，a n da l s oh a sg o o d m o v e m e n tp e r f o r m a n c e i tc a nb ef u r t h e rs t u d i e da sp r e f e r e n t i a ld e s i g n k e yw o r d s ：t i d a lp o w e rc u r r e n ts t a t i o n ；w a v ef o r c e ；3 一dp o t e n t i a lt h e o r y ； m o o r i n gs y s t e m 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 潮流能利用技术的现状2 1 2 1 国外技术发展的状况3 1 2 2 国内潮流能利用开发情况5 1 3 锚泊系统设计的研究现状6 1 3 1 国外研究现状6 1 3 2 国内研究现状8 1 4 问题的提出9 第2 章半潜式海洋潮流电站的选型和稳性计算”1 0 2 1 半潜式海洋潮流电站选型方案1 0 2 1 1 潮流电站的选型方案1 0 2 1 2 潮流电站对流系统设计1 l 2 1 3 水轮机选取1 5 2 2 半潜式海洋潮流电站的稳性计算”1 6 2 2 1 潮流电站的重量和重心1 6 2 2 2 潮流电站的排水量和浮心1 7 2 2 3 半潜式海洋潮流电站的稳定性18 2 3 本章小结”1 8 第3 章半潜式潮流电站的水动力性能计算2 0 3 1 水动力的理论基础一2 0 3 1 1 水动力分析的主要方法2 0 3 1 2 三维频域势流理论的概述2 l 3 2 平台模型化”2 8 3 2 1p a t r a n 有限元软件应用2 8 3 3 2h y d r o s t a r 软件计算结果3 2 3 4 本章小结“4 0 第4 章锚泊系统设计的基本理论及分析“4 1 4 1 悬链线方程的推导4 1 4 1 1 全链悬垂线方程的推导4l 4 1 2 链加重块组合悬垂线的公式4 5 4 2 锚泊系统的静力分析4 7 4 3 锚泊系统的初步动力分析5 4 4 4a r i a n e 7 软件在锚泊设计中的应用5 6 4 5 本章小结5 6 第5 章潮流电站锚泊系统初步设计和分析5 7 5 1 锚泊系统的主要设计数据5 7 5 1 1 环境载荷5 7 5 1 2 锚泊系统的方案设计说明5 8 5 2 锚泊线方案的计算结果6 1 5 2 1 锚链受力的计算和强度校核6 1 5 2 2 潮流电站定位和运动响应6 2 5 3 锚的设计6 3 5 4 本章小结6 4 结论一6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 0 致谢”7l 附录ap c l 语言编写的模型转换程序“7 2 附录b 海浪谱公式7 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 进入2 l 世纪以来，世界各国都把发展的希望寄托于占地球表面积七成的 海洋上，都在重新估价海洋并坚定不移地向海洋进军。海洋是生命起源的摇 篮，现在也是人类实现可持续发展的重要基地。海洋是地球最大的能源储备 库，蕴含着丰富的无污染、可再生的新能源。越来越多的国家把合理有序地 开发利用海洋资源和能源、保护海洋环境作为求生存、求发展的基本国策。 利用海洋能发电既经济又不占用土地，不受气候影响，也不污染环境，实为 利用价值极高、潜力巨大的可再生能源。各国竞相研究如何利用蕴藏在深海 中的多种资源和能源，竞相研究利用海洋高科技开发技术。从蓝色的海洋中 索取应有尽有的资源和能源，使海洋资源和能源成为世界经济的新的增长点， 正成为时代的特征 1 - - 4 1 。 我国海岛众多，面积在5 0 0 所z 以上的海岛有6 9 2 1 个，是我国重要的国 土资源和海洋经济活动场所。近年来， 发展，开发活动密度与强度逐渐加大， 随着海岛人口增加和社会经济的高速 电力供应以及相应的生态环境保护等 问题己成为制约海岛可持续发展的瓶颈。在远离大陆的海岛，一般没有电网。 因此，发展远离陆地的独立能源系统意义重大。利用传统的矿物燃料( 煤、 石油) 解决海岛能源问题，极易导致海岛脆弱生态系统的破坏，且运输和维 护成本过高，而海洋能等可再生清洁能源，取之不尽，是海岛能源稳定供应 的最佳选择。海洋波浪能、潮流能具有较高的能流密度，易于开发出各种规 格的发电装置，适应不同用户的需要，容易实现独立发电，是海洋能独立能 源系统的首选。 潮流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流 动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。海流能的能量与流速的平方和流 量成正比。相对波浪而言，海流能的变化要平稳且有规律得多。潮流能随潮 流速在2 m s 以上的水 能。尤其在岛屿列礁的生成带，蕴藏着相当丰富的潮流能。潮流沿着固定的 路线在海面运动，其具有一定的流速、长度、宽度以及深度。在深海区域中， 潮流与海流很难区分，而且潮流能的利用比海流能来的更直观、更简便、效 益更高、投资更小【5 1 。 开发潮流能，对于2 1 世纪人类社会逐步认识海洋能源利用的技术进步和 经济前景，引导我国海洋可再生潮流能生产基地培育，装备制造业和人才培 养基地的建设，提升我国潮流能发电系统研发能力和技术水平并形成国际竞 争竞争优势，都具有重要的社会和经济意义。 1 2 潮流能利用技术的现状 当前，国内外对潮流能资源评估、潮流能转换装置的研发上有很好的技 术基础，特别是近十年来快速发展。新式的概念、技术和装置纷纷出现，逐 渐形成了理论研究、技术开发和工程示范同步发展的趋势。各国正着眼于大 型商业化电站系统设计理论研究、发电系统示范和工程验证、潮流电站群设 计以及对海洋环境和海洋生物的影响研究 6 1 。 潮流能发电原理就是把障碍阻体放入潮流中，将潮流双向水流运动转变 成部件其他形态的运动( 多数情况下变为旋转运动) ，进而驱动发电机发电的 方式。本质上就是对流体力能的利用。潮流电站包括载体系统、水轮机组、 机械传动系统、电能变换与控制系统、电力传输与检测系统等五个子系统。 电站从结构形式上分为漂浮式、半潜和座底式三大类，从能量转换上分为竖 轴水轮机式、水平轴式和震荡式机组技术方案。至今，世界上已建成多个示 范潮流电站。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 1 国外技术发展的状况 与其他海洋能相比，潮流能利用研究起步较晚，国际上对潮流发电研究 较多的是美国和日本【7 j 。1 9 7 3 年美国提出了采用巨型水轮机组发电，大规模 开发利用佛罗里达地区海流能的方案。1 9 7 6 年日本科学家们开始利用黑潮动 能发电。1 9 7 6 年美国科学家们设计了一种低速海流换能器，其灵感来自降落 伞原理，并在佛罗里达海流中试验运行。 8 0 年代开始美国、日本、加拿大等国便开始了试验研究几种转换装置。 但直至9 0 年初，都没有出现较有影响的转换装置或电站。近1 0 年，在海湾 口筑坝的潮汐电站在环境影响问题上争论不休。所以在美国、日本、英国等 国的不筑坝的潮汐能利用有异军突起之势，发展迅猛，并己成功研制了多种 设备在海上示范运行。并在不久的将来转入商业化。 在9 0 年代初期，在欧盟资金赞助下英国i t 动力公司联合几家公司开始 进行潮流发电研究。1 9 9 4 年夏，该公司设计了一种水下风车，在苏格兰近海 进行了试验，如图1 1 所示，该装置由两个叶片和直径3 5 m 的铸铝转子及变 速系统组成，装置在水下5 m 处固定在锚固于海床的桩柱上，当流速2 5 m s 时，输出功率达1 5 k w 。 图1 1 英国i t 动力公司潮流发电装置( 1 5 k w ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i t 公司在欧盟j o u l e 计划支持下，同时还在推行一个潮流能开发分段商 的计划。它将首先开展一个潮流装置连网发电的实验研究项目( 装机容 2 0 0 5 0 0 l ( w ) ，同时计划以此为基础，随后开发5 0 0 1 0 0 0 k w 的商用装 形成电站群，预计5 1 0 年中将会有商业性收益。据报导，第一阶段开发 已于1 9 9 8 年起动，初步方案装机容量为3 0 0 k w ，叶轮直径1 2 1 5 m ，安 装在水下3 0 m 处，通过电缆与国家电网连接。 1 9 9 6 年意大利阿基米德桥公司开始垂直轴潮流发电装置研究，经过 4 0 k w 发电装置试验后，2 0 0 3 年1 2 0 k wk o b o l d 潮流电站采用了漂浮式载体 结构系泊方案，d a r r i e u s 型立轴水轮机的直叶片角度可调，已在意大利墨西 拿海峡开始运行。 英国2 0 0 3 年m c t 公司联合多家机构研制的称为世界首台商业规模的水 平轴式潮流发电装置( s e a f l o w ) ，如图1 2 所示，已安装在英国布里斯托尔海 峡进行试验，装机容量3 0 0 k w ，其改进型装置( s e a g e n ) 正在研制中。2 0 0 5 年p d a 公司获得了联合国工发组织( u n i d o ) 的支持，与我国合作将在中 国、菲律宾和印度尼西亚各建立一个示范电站。韩国在政府和工业界的支持 下，从2 0 0 0 年到2 0 1 0 年分两个阶段在南部海域进行潮流能利用商业开发， 2 0 0 7 在u l d o l m o k 水道完成了1 mw 装机。韩国人引进美国专利，采用三叶 竖轴螺旋式旋型水轮机，桩式塔架支撑，如图1 3 所示。英国爱丁堡大学的 s a l t e r 教授于1 9 9 8 年提出了一种1 2 m w 的无轴环形浮式直叶片潮流水轮机 与电站方案，如图1 4 ，并完成了系统设计。 图1 2s e a f l o w图1 3 三叶螺旋桨图1 4 无轴环形 2 0 0 6 年英国的e b 公司发明了一种叶片振荡式潮流能转换装置，在苏格 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 兰研制示范样机，完成了海上实验。另外，美、加和墨西哥均在其沿岸执行 规模开发潮流能的示范项目。在发电装置开发的同时，国际能源署已立项在 全球范围内开展海洋能技术标准的建设。 1 2 2 国内潮流能利用开发情况 在1 9 5 8 年建设潮汐电站的热潮中，广东顺德和山东荣成首先进行了潮流 发电试验，1 9 6 9 年南京在长江大桥下进行了水流发电试验。7 0 年代末，浙江 省舟山市的何世钧再次进行了潮流发电试验，采用装在船尾的两台卧轴螺旋 桨水轮机，通过油压传动发电成功，当流速3 m s 时，机组输出功率达5 7 k w 。 8 0 年代初，哈尔滨工程大学开始潮流发电研究，在国家科技攻关、“8 6 3 ”计 划支持在舟山市岱山县近海，采用竖轴自调、直叶、摆线式水轮机方案，2 0 0 1 年建成7 0 k w 漂浮式潮流实验电站，2 0 0 6 年建成4 0 k w 座底式潮流实验电站。 翼黪萝型缓：羔籀霹菇i ，毋甄懑蚕溺麟 一- u ，j。| _ “一jj j 冱二二：t 娄乏2 羞乇珏童己：越潞墓基么蕊 图1 5 龟山水道潮流实验电站( 7 0 k w )图1 6 坐底式潮流实验电站( 4 0 k w ) 国内其他单位就潮流能利用也进行了卓有成效的研究。广州能源所进行 了大量的发电机组能量稳定性和极端海洋环境分析等基础研究，浙江大学于 0 6 年4 月进行了5 k w 螺旋桨式潮流发电装置研究。东北师范大学在8 6 3 课 题支持下进行了l k w 样机试验，中国海洋大学也进行了小型装置实验研究。 以上成果表明，中国经过十几年的研究，在潮流水轮机的水动力性能理 论研究、模型试验研究、机构设计、叶片控制及电站总体设计等方面均取得 了较大的技术进步，并积累了丰富的经验，水轮机性能的研究已达到国际先 进水平。但是，中国潮流能利用研究还刚迈出实验室，进入实海况下的应用 5 a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 示范研究阶段，要使潮流能技术向商业化产业化发展，在提高水轮机性能、 完善设计方法、扩大单机容量以及电力并网技术、电站群体化技术、急流和 强风浪下水轮机、载体及锚泊系统运行可靠性与安全性等方面还有很多技术 问题有待研究。 1 3 锚泊系统设计的研究现状 锚泊系统可以看作为有浮体子系统与锚泊线子系统相互作用，相互耦合 的复杂的非线性系统。目前，对于锚泊系统的研究从根本上讲，就是分别研 究两个子系统的响应，然后通过在系泊点处耦合计算得到它的运动响应。 对于研究锚泊系统响应的方法，一般可分为：频域法和时域法。频域法 一般用于求解稳态的、线性的问题，对于弱非线性问题一般采用奇异摄动法 将问题线性化，以便于采用频域法计算。时域法既可以计算稳态问题也可以 计算瞬态问题；既可以计算线性或弱非线性问题也可以计算强非线性问题。 但相对于频域法而言，时域法计算复杂、耗时但是可以表达运动的时历，一 般用于模拟系泊系统的运动响应，同时方便于表达系泊系统的机理因而一般 用于研究系泊系统的运动机理。在目前的时域法中，又可以分为集中质量法、 有限元法和有限差分法。 1 3 1 国外研究现状 b l i e k t s 】与t r i a n t a f y l l o u 9 分别在等效线性阻尼条件下，应用由有限差分法 所得的矩阵变换公式计算了系泊缆索的频域动力响应；进而应用有限差分法， t h o m a s 和h e a m 计算了系泊缆索的时域动力响应。在计算过程中，他们 主要考虑阻尼效应下缆索与海底的相互作用情况，以及海底对系泊缆索的升 力作用；k y o z u k a u 和h u a n g 纠等人分别应用有限差分法计算了二阶慢荡力 作用下的系泊缆索的时域动力响应。 k o t e r a y m a 叫叫提出了一种近似方法来计算规则波作用下的系泊系统动 力响应。他在考虑附加质量和拖曳力的情况下把缆索看成一个类似单摆的集 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 中质量。k o t e r a y m a 与n a k 觚肼a i ”1 把上述方法从频域分析推广到了时域分析， 采用该方法来计算系泊系统的时域动力响应，并且发现即使锚泊系统处于松 弛状态，其动力效应也会显著影响被系泊浮式结构物的慢荡运动。t o s h i o n a k a j i m a 1 6 m 7 8 1 等人采用了有限差分法来计算分析由多种材料组成的带浮筒 系泊系统的动力响应。t o s h i on a k a j i m a 比较了各种集中质量方法相互之间的 差异。b u r g e s s 1 运用理论进而推导得到考虑锚泊线刚度时的锚泊线运动方 程。n a k a j i m a 等详细地总结了集中质量法应用于锚泊系统计算的全部步骤。 之后集中质量法还被用来研究分析锚链线的动力问题，得到的结果表明锚链 线的动力效应使锚链力的最大值增大。其动力分量可通过增加有效刚度和系 统阻尼来影响到系泊浮式结构物的慢荡运动。 w e b s t e r t 。采用时域有限元法计算了水下缆索结构的动力响应。 s h a s h i k a l a t “1 等人采用有限元法分析解决了单点系泊的驳船与波浪相互作用 的三维问题。l e o n a r d ，j w 儿”1 采用了三维曲线单元的有限元法来分别分析 系泊系统的动力和静力响应。通过计算数值算例，在相同计算精度条件下， 证明采用一般有限元法比三维曲线单元的有限元法需要单元数量多。 c h a t j i g e o r g i o n 和m a v r a k o s 弘卅p 1 分别采用有限差分法和有限元法计算相同的 系泊系统。结果证明当计算结果的精度相同时，有限差分法需要较少的计算 时间。而在剖分单元相同的条件下，有限元法更容易得到合理的收敛结果。 m a v r a k o se ta l 通过实验检验和理论研究相结合，对带浮筒的深水锚链动力问 题进行了研究。其结果表明，在正确选取了浮筒时，锚泊系统的动力效应可 以得到很大减小。 y o e r g e r 等对拖缆所受的拖曳力和流体诱导的振动进行了研究，结果表明 拖曳力系数随锚链长度变化。k w a n 和b r u e n ( 1 9 8 8 ) 弘叫比较分析了频域法、 时域法和准静定法在锚泊系统动力问题上的应用。得出结论为准静定法计算 精度较差但速度快；频域法计算简单便捷但仅可用来计算分析线性问题或弱 非线性问题，而无法采用该方法分析强非线性问题；时域法可以对所有的锚 泊系统动力问题进行计算，但因其计算量较大顾需要的计算时间较长。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 国内研究现状 系泊系统作为一个复杂的、动态的和时变的系统，其由浮体和系泊缆索 构成。国内已经对系泊浮体和系泊缆索分别独立地进行了很多有意义的研究 工作，但目前还没有很完善的系泊系统耦合分析，尤其对于系泊系统时域非 线性动力响应与缆索张力分析。 近年来黄祥鹿、陈小红、范菊、马巍口刀圆冽3 们等人开发了一套系统的二 阶摄动理论分析方法。二阶摄动理论方法假设浮体的运动方程为线性方程， 考虑了波浪干扰力和锚泊系统提供的力的非线性特性，进行频域内摄动展开， 应用g o o d m a n - l a n c e 法求解锚泊线的一阶运动方程。改写二阶运动方程为齐 次方程和非齐次方程两部分，分别采用g o o d m a n l a n c e 法和格林函数法求解 两部分。上诉方法同时给出了计入动态耦合的结构物的慢漂运动以及锚泊系 统载荷特性。该方法的可靠性和实用性以经通过大量系统的试验结果的验证 比较得到证实。周崇庆、刘土光和李天匀p u 采用该方法分析频域内风浪中锚 泊渔船的锚链张力。 刘应中，缪国平和李谊乐p 纠等人采用准定常时间域方法分析了风、浪、 流联合作用下的海上系泊系统的动力特性及运动。由准静态方法得到每一时 间步的系泊力。之后，采用三维集中质量法求得锚链的动力特性。考虑了瞬 时湿表面变化引起的非线性作用对船舶的静水恢复力和f r o u d e k r y l o v 力计 算的影响。李向群采用时域切片法和经验公式分别计算了浮体的时域运动响 应和二阶平均漂移力。并采用耦合悬链线法计算得系泊浮体时域运动响应以 及缆索系泊张力p 1 。聂孟喜、王旭升、王晓明和张琳为解决风、浪、流联合 作用下的系泊系统系泊力的计算问题，在时域内建立了一种防风水鼓系泊系 统系泊力的计算方法p 。其使用了设计波法和非线性s t o k e s 五阶波来计算分 析波浪荷载，并根据经验公式来求出船舶的风、浪、流作用力。先由准静态 方法计算初始条件，之后忽略锚链和水鼓动态效应对船舶运动的影响以求解 船舶的运动和系泊力。再根据二维集中质量法建立了数学模型，用h o u b o l t 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方法求解锚链和水鼓的运动方程，并修正系泊力。结果显示模拟计算能较好 吻合经验公式计算的结果，且其时域表征突出，这证明建立的时域计算方法 用于防风水鼓系泊系统的系泊力计算是可行的印1 。 杜度、张宁、马骋等人采用时域仿真方法来研究系泊系统的非线性动力 学特性。其以三阶的操纵运动方程为基础，引入风、浪、流的定常力，同时 采用m c k e n n a 和w o n g 的经验公式来求得系泊缆索张力，以此建立系泊系统 的三自由度的运动微分方程。在此数学模型的基础上，建立了系泊系统的多 自由度的计算机仿真模型p 。 1 4 问题的提出 本论文研究工作是国家海洋公益性行业科研专项“典型海岛综合开发利 用技术研究与示范 ( 编号：2 0 0 8 0 5 0 4 0 ) 课题中有关潮流能发电系统研究工 作的一部分，目标潮流发电系统拟安装在浙江省大陈岛海域。 潮流电站总体设计需要考虑多方面的因素，除了系统本身有良好的性能 之外，还必须考虑对海洋恶劣环境( 如台风) 的适应性、海上运输安装和维 护的方便性、长期运行的可靠性以及推广应用的可扩展性和经济性。 为此，本文提出并探索研究和设计一种半潜式海洋潮流电站，通过理论 分析和数值计算的手段，开展总体方案设计、系统布局、系泊方式、水动力 和运动性能研究，给出可行性分析结论，为深入探索研究奠定理论基础。 1 5 本文工作要点 根据研究内容的技术特点及整个研究的要点，本论文侧重研究计算以下 几部分： ( 1 ) 进行潮流电站构型总体设计，对自动对流系统进行设计计算； ( 2 ) 对潮流电站进行水动力性能分析； ( 3 ) 包括潮流电站在内的锚泊系统的风浪流载荷、运动响应分析和锚系 的选型。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章半潜式海洋潮流电站的选型和稳性计算 在潮流电站的具体设计中，首先要考虑的是电站选型。根据设计构想的 基本方案以及限制性因素的影响，确定海洋潮流电站的几种主要尺度。本论 文期望通过对潮流电站的稳性研究，得到此类型潮流电站的基本构型，方便 以后的设计工作开展。 2 1 半潜式海洋潮流电站选型方案 2 1 1 潮流电站的选型方案 在确定基本的载体船平台主尺度之前，首先要考虑几个限制因素： ( 1 ) 根据既有水轮机固定工作直径的大小确定中体和浮力筒的大小尺 度。 ( 2 ) 吃水、型深以及实际排水量设计选取必须考虑避免水轮机工作时发 生水轮机叶片上缘出水。 ( 3 ) 考虑自动对流，对尾翼翼型的选取。 主要设计参数：功率3 0 k w ，流速2 m s 。 本文提出半潜式潮流电站概念，电站系统由叶轮、载体平台、稳定系统 和锚泊系统组成，电站系泊于海床上。叶轮采用浆型水平轴叶轮，载体平台 内安装增速器和发电机，稳定系统采用垂 向浮力管、水平尾翼和垂直尾翼，稳定系 统保持电站主体的稳定性并实现自动对 流。电站示意图如图2 1 所示。 潮流电站系统锚泊于潮流水道中，水 轮发电机组搭载于中部中体内，水流推动 水平轴水轮机的叶片转动，水轮机主轴直 接驱动永磁低速发电机发电。 1 0 图2 1 半潜式海洋潮流电站示意图 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 在海洋潮流水道海域长期工作下的漂浮式载体，要抵御狂风、巨浪、暴潮的 袭击。为了确保半潜式海洋潮流电站在这些危险海况下可以保证安全和在一 般海况下确保正常工作，潮流电站的系泊系统的设计就非常重要。 半潜式海洋潮流电站，工作时需要保证其叶轮不能出水，保证电站工作 状态的稳定性。作为尝试性的水平轴水轮机潮流电站，水轮机载体设计是关 键。本文采用圆筒型平行中体作为载体，在中体上设有浮力筒。浮力筒的设 计使潮流电站满足稳性要求，保证电站不会倾覆，纵倾时叶轮不会出水。潮 流电站搭载水平轴水轮机，要保证其在来流方向变化时，电站能自动对流， 使叶轮叶面垂直流向，因此在电站的中体尾部加装尾翼。 通过设计方案预想，初步选择海洋潮流电站主尺度如下表2 1 ： 表2 1 海洋潮流电站的主尺度 载体长度( l )中体直径( b ) 浮力筒长半浮力筒短半浮力筒长度 轴轴 ( l ) 尾翼翼型 【m 】【m 】 ( r 1 ) 【m 】( r 2 ) 【m 】【m 】 4l0 80 37 n a c a 系列 在此初步预选电站主尺度，通过第三章对潮流电站进行水动力性能分析， 来校核潮流电站主尺度是否满足电站工作要求。 2 1 2 潮流电站对流系统设计 潮流电站在工作情况下，在来流方向垂直于桨叶叶面时，水轮机效率最 高。系统的浮力筒和尾翼的设计保证了水轮机组稳定的工作姿态。浮筒的设 计保证潮流电站在摇摆时不会发生倾覆，提供恢复力矩。尾翼的设计也能提 供一定的恢复力矩，但最大的作用是使潮流电站自动对流。水平轴水轮机在 来流方向垂直于叶轮叶面时，工作效率最高。在来流方向不是正对叶轮叶面 时( 侧向流) ，便需要尾翼使电站自动对流。 q = 上1 2 p v 2 a = 南 c n = c l c o s + c o s i n a 另舵所受的升力，即垂直与来流方向的力； b 舵所受的总阻力，即顺来流方向的力； c ，升力系数； c n 阻力系数； c 法向力系数； 么舵的表面积。 尾翼的要素主要包括尾翼的面积、外形尺寸、展弦比、剖面形状等。尾 翼设计的主要步骤是，如何选择合适的舵面积，确定外形及剖面形状。本论 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 文选取柱状柱状翼型，采用n a c a 系列翼型剖面。选取了n a c a 0 0 1 2 、 n a c a 0 0 1 5 、n a c a0 0 1 8 常用的这三种剖面。应用二维机翼理论下得到的 n a c a 0 0 1 2 、n a c a 0 0 1 5 、n a c a 0 0 1 8 的升力系数和阻力系数的实验值，求 得在来流流速为l m s ( r e = 1 0 e 6 ) ，2 m s ( r e = 2 0 e 6 ) ，3 m s ( r e = 3 0 e 6 ) 时 的法向力系数，如下图： 图2 3 不同雷诺数下的法向力系数 通过对比三种翼型的法向力系数随流速变化的曲线，发现攻角0 。6 0 。 内n a c a 0 0 1 5 翼型法向力系数变化曲线较平缓，大角度时回复能力强，所以 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 翼选择n a c a0 0 1 5 翼型。 程实际中，翼的形状总是三维的。因此运用三维机翼理论，考虑展 水动力性能的影响，对以上的二维机翼理论下求得的升力系数和阻 力系数进行修正。如果无界流场中二维翼的升力系数关于攻角的导数为c ， 则对应的三维有限展弦比翼的升力系数关于攻角的导数可以表示为p 7 1 ： r 搿3 一 也一再丽 对应的三维有限展弦比翼的升力系数和阻力系数为 q 3 = 口3 + ) 为机翼在无界流中的零升力攻角，对于对称翼型，= 0 1f 3 1 c d o ) = c d 。+ 7 几 展弦比名对升力的影响显著，升力系数c ，随着展弦比的增大而增大，对 压力中心影响不大。翼端效应使得翼的尾端产生尾涡系，并产生诱导阻力。 且展弦比越小，这个尾涡系越靠近翼的尾部，展弦比的增大可以使尾涡系向 后推迟，从而减少了翼端效应的影响，降低了阻力。由此可见，增大展弦比 有利于提高升阻比。对n a c a 0 0 1 5 翼型二维升阻力系数进行三维修正，五取2 。 得到新的法向力系数c ，并得到c 随r e 的变化曲线，如下图 图2 4 修正后的不同雷诺数下的法向力系数 1 4 哈尔滨： 程大学硕+ 学位论文 机叶轮的实际直径取1 2 m ，估算其侧向流时所受的侧向力，选取 0 5 m ，展弦比五取2 ，尾翼翼型选取十字型。当来流方向是斜向的， 产生回复力矩，使电站自动对流。电站的六自由度运动中，横摇、 纵摇、艏摇对电站的系统发电效率影响较大，对流系统对横摇、纵摇、艏摇 有较强减缓作用，跟有利于提高电站发电效率。电站的浮筒结构在纵摇时也 可起到自动对流作用。 2 1 3 水轮机选取 根据站址潮流分布情况，对水轮机的主尺度和运行参数进行选取，水 轮机初步选取的设计参数如表2 2 表2 2 水轮机的设计参数 名称单位值 设计流速v d【m s 】 2 最大流速v 一 m s 】 3 水轮机直径d m 】 1 2 0 装机容量n k w 】 3 0 0 0 弦长 m 】 0 2 0 展长 m 】 0 5 0 偏心率e 0 6 0 翼型 n a c a 0 0 1 8 翼数 3 0 0 工作寿命 y e a r 】 1 0 0 0 此外，考虑到主轴系统的受力特性和海洋环境，需要对轴承进行特殊处 理，所体现的轴承特征为大孔径、大载荷、抗腐蚀等。由于主轴系统庞大， 根据受力方向和安装工艺需要选择多种类型的轴承，包括推力轴承、调心轴 承、球轴承等。根据海洋环境腐蚀性强的缘故，主轴、轮辐和叶片拟采用抗 腐蚀材料和绕玻璃钢；对于轴与轴承连接处拟采用具有压力温度补偿功能的 充油式复合密封结构。 1 6 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 半潜式海洋潮流电站的稳性计算 船舶受到倾斜力矩作用偏离其初始平衡位置，当倾