海上风机吊装作业船优秀毕业论文.pdf

江苏科技大学 硕士学位论文 海上风机吊装作业船 姓名：韩强 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海 指导教师：姚震球 2011-03-15 摘 要 i 摘 要 风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，也是我国能源发展战略的重点。海 上风能具有资源丰富、风速大、风向稳定、不占用土地资源、环境影响小等优点，且 海上风电场距离需大量消耗电能的沿海工业城市很近，是一种已经具备大规模工业开 发条件的绿色能源。目前欧美海上风电场已处于大规模开发前夕，欧洲国家率先兴建 了大型海上风电场。 风电机组的安装是海上风电场建设的关键技术之一。如何打造一个能够在海洋环 境中风浪流共同作用下高效、安全地完成风机吊装作业的海上工作平台，是各国海上 风电场建设的重要课题。自航自升式海上风机吊装作业船是海上风电场建设的第三代 吊装平台，具备自航、自升、运输、起重等复合功能，工作效率高，综合效益也高， 将成为海上风电场建设主流装备。这种新型船舶具有升降桩腿、大起重量的吊机、较 大的甲板荷载，长深比和宽深比均已超出现行规范要求，目前国内尚无专门规范可用 于直接指导该船型的设计，故对其进行全船有限元分析工作具有必要性。 本文首先开展了对国内外海上风电场发展情况、海上风电机组安装技术的演变、 海上风机吊装作业船及运输吊装方式发展情况的研究，运用 ug 软件对风机船的两种 起吊方式进行动画仿真模拟；并在本船设计方案的基础上开展了该船型的结构规范设 计和全船有限元分析工作。 该船船体结构主要按 ccs钢质海船船舶入级与建造规范 ，并部分参照钢质 内河船舶建造规范进行了结构规范设计；结合该船的布置情况、线型特征和结构特 点，完成了全船有限元模型的建立工作；通过该船的运输、安装等不同作业状况的分 析，确定了十种计算工况，分析并计算了该船在航行、起吊等多种状态下所受的各种 载荷；通过对该船在典型工况下的应力进行计算和分析，得到了全船详细应力分布、 变形情况和本船应力最危险的工况与状态，以及本船在桩腿、吊机基座处等重要位置 和主要结构的应力情况。在此基础上，对船体结构的强度进行评估，根据评估对高应 力区域船体结构进行了改进，降低了全船最大应力值。本文所获得的一些结论，对该 船型的设计具有一定的参考价值，以期对今后国内该船型的后续研究能有一些参考作 用。 关键词：关键词：海上风电；海上风机吊装作业船；结构设计；有限元分析； abstract ii abstract wind power is the worlds fastest-growing green energy technology, and also the focus of chinas energy development strategy. gaining the advantages of abundant resources, high wind speed, stability of wind direction, not occupation of land resources, less environmental impact, etc., and the offshore wind farms being very close to the coastal industrial cities which need to consume a lot of energy, offshore wind energy is a green energy which has conditions to start large-scale industrial development. and it is the first time european countries have built a large-scale offshore wind farm. installation of wind turbine is an important part in offshore wind farm construction. how to build a working platform to complete lifting operations of offshore wind turbine efficiently and safely in the marine environment is an important issue to all countries among construction of offshore wind farms. self-propelled and self-lifting vessel of offshore wind turbine is the third generation of lifting platform in offshore wind farms construction which enjoys combined functions of self-propelled, self-rise, transportation, lifting and so on, high efficiency, high overall efficiency and it will be main equipment in offshore wind farm construction.the new ship has a self-elevating leg, a lifting device, a large crane of the weight and a larger deck loads, l/d and b/d have been beyond the current regulatory requirements. currently there is no special specification that can be used to directly guide the ships design. therefore, it is of great necessity to do the finite element analysis of the whole ship . i began my paper with research in national and international development of offshore wind farm, the evolution of technology of offshore wind turbine installation and the development of offshore wind turbine lifting ships and methods of transport of lifting. i have made use of ug software to animatedly simulate the two ways fan ships lift. whats more,i have done the finite element analysis of structural specifications of design of the whole ship on the basis of the ship design. the body of this ship being structured by standard design specifications of ccs, i completed the establishment of finite element model, determined ten calculations after analyzing different operating conditions of transportation and installation, analyzed and calculated kinds of loads, got stress distribution, deformation and stress capacity when sufferring a variety of loads. on this basis, i assessed the strength of ship structure, improved high stress areas and reduced the maximum stress value of the whole ship. some of my conclusions can help the design of the ship as well as future domestic follow-up study of the ship. key words: offshore wind power generation; offshore wind turbine installation vessel; structure design; finite element analysis； 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1 引 言 风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术， 在陆地风电场建设快速发展的同时， 人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制。海上有丰富的风能资源和广阔平坦 的区域，使得海上风力发电技术成为近年来研究和应用的热点。 我国东部沿海海域面积辽阔，而且距离沿海经济发达但电力紧缺区域很近，随着 海上风电场技术的发展成熟，风电必将成为我国东部沿海地区可持续发展的重要能源 来源。 建设海上风力发电场，可近距离直接将清洁的电力用于生产，大大缓解东部地区 电力短缺和对以煤炭为原料的火力发电的依赖。 我国第一个海上风电场-上海东海大桥 海上风电场已在 2010 年初完工， 其 34 台风电机组全部并网发电后， 与燃煤电厂相比， 每年可以节约 8.6 万吨标准煤，减轻排放温室效应性气体二氧化碳 23.74 万吨1。 海上风机吊装作业船是建设海上风电场的关键设备，而我国还没有专用于风电场 建设的船舶，因此研究、设计和建造海上风机吊装作业船是一项紧迫的任务。 1.1.1 国外海上风电发展概况 丹麦于 1991 年建成第一个海上风力发电场 vindeby 风电场， 在此后的十几年时间 里，英国、丹麦、瑞典、德国、爱尔兰、荷兰、中国、日本和比利时等国都相继建起 了海上风电场。 2007 年，世界海上风电场的总装机容量达到 1103mw，近十年来的年平均增长率 达到 58 %。截至到 2008 年 12 月底，全球海上风力发电场超过 30 座，累计装机容量 达到 1485mw，与 2007 年相比增加了约 35%2。 到 2030 年，欧洲海上风力发电的目标是 40-50gw，即 40000-150000mw3。若能 实现，这些项目将产生欧盟电能的 10%而避免 2 亿吨的二氧化碳排放量4。 江苏科技大学工学硕士学位论文 2 图 1.1 欧洲海上风力发电的目标 fig1.1 the target of offshore wind generation in europe 1.1.2 国内海上风电发展概况 在我国沿海及附近岛屿拥有非常丰富的风能资源，风能储量约 7.5 亿 kw，且开发 利用市场条件良好。国家各大电力公司正着手海上风电场的规划，具体地址有上海奉 贤、南汇；江苏响水、如东、东台、大丰、启东等；浙江嵊泗岛、慈溪；天津沿海， 河北黄骅5，辽宁营口，山东长岛，以及其他沿海地区。 2009 年 6 月，国务院正式将江苏沿海地区的海上风电开发上升到国家战略层面。 江苏近海海域水深一般不超过 15 米，海底地势平坦，可开发面积 3600 平方公里，风 能品质比较好，风功率密度比陆上大 25-30%，按照规划到 2020 年，江苏省将在沿海 初步形成 1000 万 kw 级风电基地，远期目标为 2100 万 kw。 我国首座也是亚洲首座海上风电场上海东海大桥风电场全部风机于 2010 年 2 月 27 日安装成功。该海上风电场由 34 台单机容量 3mw 的风机组成，总装机容量 102mw，设计年发电利用小时数 2624 小时，年入网电量 2.67 亿千瓦时。 1.2 海上风电场的构成 一个完整的海上风电场由一定规模数量的单个风电机组和海底输电设备构成。风 电机组的结构形式类似简易海上平台，其主要组成部分包括：叶片、风机舱与轮毂、 塔筒和基础。 1.2.1 风电机组的构成 1.2.1.1 叶片 现在大多数风机采用 3 桨叶设计，叶片的尺寸大小直接决定了风电机组的功率大 第一章 绪 论 3 小， 目前大多数的叶片长度在 4560m 之间，相应的风机容量也在 35mw 之间6。 表1.1 风轮直径与风机功率 table1.1 the relationship between turbine power and rotate dimensions of rotor 风轮直径(m) 75 88 107 126 160 风机功率(kw) 2000 3000 3600 5000 8000 为有效地利用风力所带来的能量， 风机叶片是由复合材料制成的流线型薄壳结构； 恶劣的环境和长期不停地旋转，要求叶片重量轻、具有极佳的抗疲劳特性性和机械性 能。玻璃钢质轻、刚度强，目前在叶片制造中使用广泛；随着叶片尺寸的加大，碳纤 维合成材料的使用也将成为一种趋势。 1.2.1.2 风机舱与轮毂 风机舱是风机的核心部件，是将风能转化为电能的装置。风机舱内安装风电机组 的传动装置、发电机及各种辅助设备，为一个封闭壳体结构。其内部结构有低速轴、 齿轮箱、高速闸、高速轴、发电机、油水冷却装置、风速计和维修设备等辅助设备。 在风机舱前端有螺栓，与安装叶片的轮毂连接。 图 1.2 风机舱内部结构 fig1.2 the internal structure of the nacelle 1.2.1.3 塔筒 塔筒是由钢材制成的空心的管状结构，用于支撑风机舱。可分 2 到 3 段，各段以 螺栓连接，其直径和高度大小与环境条件和风机功率有关。目前 3mw 以上风机，塔 筒高度已超过 80 米，这可使风叶片处于风力资源最丰富的高度。 塔筒内部结构有：电缆、电梯、起居室和电器设备等，还有专门为其他船舶或直 升机准备的额外入口，使进出塔架作业更方便。 江苏科技大学工学硕士学位论文 4 图 1.3 塔筒内部结构 fig1.3 the internal structure of the tower 1.2.1.4 基础 海上风电机组的基础采用类似海洋平台的基础形式，设计较为复杂，结构形式也 由于不同的海况而多样化。按形式可分为底部固定式和悬浮式两大类，两类基础适应 于不同的水深：固定式一般应用于浅海，适应的水深在 080m，应用较为广泛；浮式 基础能够适应 40900m 的水深，但目前仍处于研究阶段。 从世界其它国家海上风电的开发来看，很多风电场运行过程中出现的问题都与风 机的基础有关，所以了解风机的基础形式及其适用情况、优缺点等对我国未来大力进 行海上风电场的建设有着重要意义。 表1.2 一些风机基础类型的比较7,8 table1.2 comparison of offshore wind turbine foundations 基础类型 适用水深一些特点 单桩式 30m 直径大达4-6m；施工安装费用高 重力式 50m 受海浪影响小，可支撑较大风机 图 1.4 风机基础类型 fig1.4 foundation type of offshore wind turbine 第一章 绪 论 5 1.2.2 风力发电机组的开发 从 20 世纪 70 年代的 500kw、600kw 机组发展到目前的 5mw 机组，风机正趋于 大型化。丹麦、美、德等国已拥有具备海上风机生产能力的厂家，它们的单机额定功 率为 25mw。 这些风机供应商有 vestas、 ge、 siemens、 repower、 multibrid、 enercon、 nordex 和 bard 等公司，其中生产和应用已形成规模的是 vestas、ge 和 siemens 三家 公司9。 我国江苏华锐、上海电气风电等与国外厂商合作，如今也已开发了多型海上风电 机组。如上海东海大桥海上风电场采用的是江苏华锐自主生产的单机容量为 3mw 的 sl3000 离岸型风电机组。 表1.3 海上风力发电机技术参数10,11 table1.3 technical specifications of offshore wind turbine 生产商 风机型号 额定功率 (mw) 叶轮直径 (m) 叶轮转速 (r/min) 叶片数目 功率调节 vestas 丹麦 v90-2.0mw 2.0 90 9-19 3 变距桨 bonus 丹麦 bonus 3.6mw 3.6 107 5-13 3 变距桨 neg-micon 丹麦 neg-micon 72 2.0 72 12/18 3 主动失速 ge-wind 美国 ge 3.6mw 3.6 104 8.5-15.33 变距桨 nordex 德国 n80-2.5mw 2.5 80 10.9-19.13 变距桨 enerco 德国 e-112 4.5 114 8-13 3 变距桨 repower 德国 repowe 5mw 5.0 126 6.9-12.13 变距桨 1.2.3 风电场工作原理 1.2.3.1 风力发电的原理 风机获得风能以后，经过一个转换设备-齿轮箱，将低速的不能用来发电的风能 转化为高速的机械能，从而使发电机发电。 由于风力发电机发出的电压是不稳定的，发电机舱里安装的风机箱式变压器，用 来将风机端口的电压升至几十千瓦。再经过海上变电站的升压将电能通过海底敷设的 电缆传输到岸上的电网上来。 电能传输到岸上以后经过变电站， 高压传输和高低压变换， 最后供广大居民使用。 详情如下图： 江苏科技大学工学硕士学位论文 6 图 1.5 风电场传输示意图 fig1.5 transmission schematic of offshore wind farm 1.2.3.2 风电场的布置12 对风电场的排布关系到海上风力发电的经济性，海上风电场风电机组的布置可综 合考虑以下一些因素： （1）有利于海上风电场风机的安装，并降低风电场建设成本； （2）风机之间的尾流影响较小，风能的利用率最高； （3）风场的维护管理和其他配套设施的布置方便； （4）减少对环境的负面影响。 图 1.6 一种海上风电场的布置 fig1.6 a typical layout of offshore wind farm 第一章 绪 论 7 1.3 海上风机吊装作业船及运输吊装方式的研究与发展 1.3.1 海上风机吊装作业船的应用与发展 吊装作业船是海上风机吊装的主要装备，大致可分为以下几类：起重船，带定位 桩腿的自航船，非自航自升式船舶，自航自升式吊装作业船。 1.3.1.1 起重船 起重船也叫浮吊，一般分成两大类，一类是起重臂能够 360 度回转的，另一类是 吊臂固定，通过船的移动而实施重物回转的。起重船可以对风机进行整体吊装，但极 其依赖天气和波浪条件，对控制工期不利13，且额外需要专门的驳船运输风机。 东海大桥风电场前期三台风机吊装所用船舶四航奋进号，是由广州中港四航局总 投资、国内自行设计建造的双臂架全液压固定式起重船，主要用于跨海大桥的架桥工 程、港口内装卸大型重物以及大型沉船的打捞等起重作业14。 1.3.1.2 带定位桩的自航船 该类型船是自航自升式船与起重船之间的一种折中方案。通常由驳船等其他船舶 改造而成，定位桩是在改建中添加的。安装作业中船体依靠自身浮力漂浮在水中，定 位桩起到提高船体稳性的作用。 如 a2sea 公司的 sea energy、sea power 号，均由集装箱船为风机安装专门改建。 1.3.1.3 非自航自升式驳船 这是一种拥有桩腿能自行升降的平台，不能自航，需要用拖船将其拖到指定的工 作地点15。到达现场后桩腿插入海底支撑驳船，通过升降装置使驳船抬出水面，形成 不受波浪影响的稳定平台，然后平台上的起重机完成对风机的吊装。其甲板面积决定 一次性可以运载风机的数量。 这种平台在拖航及工作时对天气的依赖比较大，且因为不能自航，操纵性较差。 荷兰玛姆特（mammoet）公司与 van oord acz 联合建造了“跳爆竹号”船，该船有 四根桩腿， 是一种用缆索绞车升降的起重驳船， 适于基础施工及风机的吊装， 在 arklow bank 项目中发挥了巨大的作用，现在属于 a2sea 公司，改名为“sea jack”16。 图 1.7 早期的风机吊装船 fig1.7 some early offshore wind turbine installation vessels 江苏科技大学工学硕士学位论文 8 1.3.1.4 自航自升式吊装船 海况对吊装作业影响很大，对复杂海况适应性更强的可自航自升的专业风机吊装 作业船应运而生。 2003 年 12 月 6 日，山海关船厂为英国五月花能源有限公司建造的世界上第一艘 风机吊装船交船，该船被命名为“mayflower resolution”号。它自动化程度高， 全船可实现一人驾驶，在驾驶台可对全船设备进行操纵，检测设备工作状态17。 2009 年 4 月 30 日，南通中远船务“决心 1 号”风机吊装船开工割板。该类型船桩 腿 6 条，插销式液压升降装置18。其起重机设置在桩腿的升降室上，增大了甲板空间， 增加了风机的装载量。 继开发出“五月花”号后， 丹麦 knud e.hansen a/s 公司又开发出新一代风机安装船 “blue ocean ships”号。该船拥有 6 个桁架桩腿，即使其中一条桩腿出现问题，仍能够 保持安全。其航速达到 14kn，利于减少航行时间和增加操作时间19。 gaoh offshore 安装船是英国风力能源公司为深水海上风电场的建设而造，甲板装 载总面积 6000m2， 主甲板负载达 10t/m2， 桩腿截面为 4m4m， 能装载 16-18 台 3.6mw 的风电机组，设计波高 2m 20。 该类型船兼具自升式平台和自航船舶的优点： (1) 配置有较大起重能力和起吊高度的起重机。 (2) 驳船箱型船体，甲板空间大，可以一次性运载更多的风电机组； (3) 能够自航，操纵性好，安装效率更高，可以单独完成海上作业任务； (4) 设有可升降桩腿来抬起船体，安装作业稳定安全，对天气依赖程度降低； (5) 在一定水深和工程作业范围内，自航自升式平台更具价格优势。 图 1.8 自航自升式吊装船 fig1.8 some self-rise and self-propelled vessels 1.3.1.5 新型概念安装船 一些公司提出了具有特殊船型和特殊安装装置的自航式船舶的概念。 荷兰的 hlv-svanen 号是一艘双体吊装船，它的超级构造使其起重重量可达 8700 吨，起重高度达 75 米，能安装风叶直径达 130-140 米、额定功率 67mw 的风机， 且可以运输直径 22 米的混凝土沉降基础。 第一章 绪 论 9 huisman 公司提出了 swath 小水线面双体安装船的概念，它的系泊系统和 dp3 动力定位系统，使其拥有极好的操纵性，可在波高 3.5m 的情况下进行作业。两个大型 可变螺距螺旋桨，使其航速达 14kn。船只省掉了抬出水面所需要的时间，安装效率更 高。一次性可装载两个风机21。 图 1.9 新型概念安装船 fig1.9 new concept of installation vessel 下图为几艘风机吊装作业船的性能数据对比10,22-27。 图1.10 一些安装船的性能参数 fig1.10 performance parameters of some installtion vessels 江苏科技大学工学硕士学位论文 10 1.3.2 运输吊装方式的应用与发展 1.3.2.1 风机分体运输吊装方式14,28-29 风机吊装至基座上之前是在岸边完成装配，如先安装好塔筒各部分，再安装机舱 和叶片。早期，风机的配件通常是被水平的运到场地然后竖起安装。这种方法已被证 明是极其花费时间和依赖天气的30，现在多是塔筒被竖直起来进行运输。 （1）“兔耳式”运输安装 a2sea 公司的“sea energy”号驳船， 在船中部有支架可以放置两个由机舱和两 个叶片形成类似兔子耳朵的组合体，另外两个叶片分别安置在尾部的舷左和舷右，依 次对各部件进行吊装。 图 1.11 “兔耳式”安装 fig1.11 installation of rabbit ears （2）“三叶式”运输安装 a2sea 公司的“sea power”号安装船，机舱放置在船中部，塔筒分布两侧，装 配好的类似于叶子的叶片与轮毂组合体安置在船尾的支架上， 依次对各部件进行吊装。 图 1.12 “三叶式”安装 fig1.12 installation of clover 1.3.2.2 风机整体运输吊装方式31 为了进一步缩短工程建设周期，提高安装效率，风机的塔筒和风力发电机可作为 一个整体进行安装。首先吊装基座，之后吊装在码头装配好的塔筒、机舱和叶片的风 机机组。英国的 beatrice 风场32和我国东海大桥风电场采用的就是这种吊装方式。 图 1.13 风机整体吊装 fig1.13 the integral installation 第一章 绪 论 11 1.3.2.3 风电机组的创新型运输安装方式33,34 （1）导管架基础的运输和安装 通过船上的液压系统，以及两个移动式升降门架和两个滑移轨道单元将导管架从 船上装载位置进行转移、安装。在目前的配置概念中，可同时运载 4 个导管架基础。 （2）风机的运输和安装 概念一：不使用起重机，不采用吊装方式，而是将安装船定位于基础旁，通过旋 转升降安装系统，把风机整体从船上夹紧抱起，逐步旋转移送、降下、固定在基础上。 概念二：该系统有一个起重机，移动夹紧装置，纵向滑移轨道系统，空中吊运台 车。在基础旁，通过空中吊运台车将风机整体在纵向轨道上滑移到起重机旁，起重机 上的移动夹紧装置夹住抱起风机，逐步移送、降下、固定在基础上。 概念三：船上有一个支架，支架的两侧有夹紧和滑动平衡装置，支架的顶部有一 吊机。船到达安装地点后，支架顶部的吊机通过滑动平衡装置将风机抬高到适合和基 础对接的位置，逐步移送、降下、固定在基础上。 图 1.14 新型概念安装方式 fig1.14 installation of new concepts 1.4 本课题的主要研究内容 本课题的工作思路为：在通过对海上风电机组安装技术的研究，基于江苏沿海海 上风电场建设而提出的海上风机吊装作业船船型方案的基础上，深入开展船型的结构 规范设计和全船有限元分析工作。 本课题主要工作内容如下： 一、针对江苏沿海风电场建设要求，对国内外海上风电场发展状况、海上风电机 组安装技术的演变、海上风机吊装作业船及运输吊装方式发展情况开展研究。 二、运用 ug 软件对海上风机吊装作业船两种风机起吊方式进行动画仿真模拟， 以选择合适的起吊方式。 三、选择合适的参照规范，完成海上风机吊装作业船主体结构规范设计。 四、根据海上风机吊装作业船的布置情况、线型特征和结构特点，完成全船有限 元建模工作。 五、通过海上风机吊装作业船的运输、安装等不同作业状况的分析，确定典型计 江苏科技大学工学硕士学位论文 12 算工况，并进行典型工况下的载荷分析和计算工作。 六、进行典型工况下的全船应力和应变计算工作。 七、评估全船结构强度，根据可能出现的危险的工况与应力、应变状态，改进高 应力区域船体结构，并再次进行计算和比较，以优化船体结构，降低应力水平。 第二章 海上风机吊装作业船船型 13 第二章 海上风机吊装作业船船型 本船是一艘基于江苏沿海风电场建设，用于海上风机运输、安装和海上风电场维 护的海洋作业船，以常规船舶运输、自航与自升式平台的自升、起重船的起重等多种 功能融为一体为概念来设计的新船型。因而本海上风机吊装作业船船型比较独特，其 总布置与组成装置也比较特殊。 航区：近海航行和沿海作业。 适航环境：风级浦氏6级、风速10.813.8m/s；5级海况，浪高34m。 以下将对该船的主尺度、船型特征及主要装置、总布置等作详细介绍。 2.1 海上风机吊装作业船的主尺度 2.1.1 风机吊装作业船主尺度及主要参数 本论文所述风机吊装作业船主尺度及主要参数如下： 总 长：. 86.26m 垂线间长：. 84.00m 型 宽：. 30.00m 型 深：. 5.00m 设计吃水：. 3.0m 方形系数：. 0.85 航 速：. 8kn 肋 距：. 0.60m 定 员：. 76人 最大工作水深：. 15.00m 升降桩腿数量：. 4根 定位桩腿尺寸：.55m3.103.10 m 起重能力(吊重吊幅吊高)：.300t21m100m 自持力：. 20天 推进装置（360全回转） ：. 3900kw 首侧推：. . 2480kw 长宽比(l/b)：. 2.88 宽度吃水比(b/d)：. 10 主机功率：. 4000kw 起重机功率：. 300kw 江苏科技大学工学硕士学位论文 14 桩腿升降功率：. 1200kw 2.1.2 桩腿和升降装置 自升式工程船的主体依靠桩腿的支撑才得以升离水面，使工程船处于作业状态。 桩腿的作用除了支撑工程船的全部重量外，还要经受住各种环境外力的作用。 （1）桩腿）桩腿 桩腿的数目与船体主尺度、结构型式、船舶造价及安全性、升降操作等因素有关 35。三腿可减少钢料重量、降低造价。但腿数越少，则要求每一根桩腿的举升能力越 大，使得升降装置的设计与制造更加困难。在预压或风暴中，若三腿中有一腿发生突 然下陷，平台将随之产生倾斜，造成升降装置、桩腿、平台主体等结构的损坏。四腿 支承平台具有较大的刚性，相应的矩形结构在总布置和制造等方面也要比三角形平台 方便一些。借鉴一些成熟的风机吊装船的经验，考虑布置及结构强度等因素，确定本 船桩腿数目为4根。 桩腿的结构型式可以分为壳体式和桁架式两种。 壳体式是钢板焊制的封闭式结构， 制造简单，结构坚固，其截面形状有圆形与方形，壳体内壁设有加强构件。它一般适 用于 60m 以内的水深。桁架式桩腿为透空形式，适用于水深 60m 以上的作业区36。 本船桩腿的型式采用壳体式，其截面形状为圆柱形。为了与升降装置相配合，在 桩腿上沿轴线方向附设有两根长齿条。 桩腿下端为桩靴，这部分结构直接与海底接触，是支撑船体的基础。本船桩靴最 大直径为12m，上面的锥面锥角为25,下面的锥面锥角为12。 桩腿的主要尺寸参数： 总长 55m 直径 3.1m 壁厚 50mm 材料 e36 图 2.1 桩腿结构图 fig2.1 structure of spud leg （2）升降装置）升降装置 本船作业适用水深为15米。桩腿的升降由升降装置完成。大多数自航自升式船采 用齿轮-齿条升降装置，主要是它们的操作性能良好，并有平稳连续升降的能力，升降 速度快、操作灵活。因而本船采用齿轮齿条式升降，马达传动。 第二章 海上风机吊装作业船船型 15 本船每条桩腿设齿条2根，每道齿条上设有三个小齿轮与之啮合。升降速度为 1m/min。每根桩腿的升降功率为252kw。在中央集控室集中操作，实行plc操作，每 桩设桩边控制台。 图 2.2 桩腿升降装置示意图 fig2.2 schematic of leg lifting devices 2.1.3 起重机 本船主要采用分体式的吊装方式，对起重机的吊重要求相对较低，但提升高度较 大，起升机构采用液压驱动。本吊机是全回转的，其主要技术参数如下： 最大起重量：300t； 最大起升高度：100m； 最小起吊半径：rmin=21m； 起升速度：3 m/min 回转速度：n=0.3r/min； 变幅速度：6m/min 起升仰角：30 80； 吊钩下放最小距离：10m； 吊臂长 110m，宽 6m，高 4m； 主杆截面：d外=299mm，d内=275mm 腹杆截面：d外=102mm，d内=82mm 2.2 型线图特征 主尺度对船舶性能有很大影响，但它们仅给出船舶形状的主要特征，最后确定船 舶形状的是船舶型线。船舶型线是评定船舶设计质量好坏的一个重要指标，型线设计 江苏科技大学工学硕士学位论文 16 是否优秀，对船舶的航海性能、使用以及建造等方面有很大影响37。本船型线特征如 下： 本船长宽比2.88，宽度吃水比10，主船体为驳船箱型船体，船宽较大，首尾尖削 以改善耐波性，提高快速性。没有脊弧和舷弧。 （1）总体型线变化较小，主体部分有较长的平行中体。 对于本风机吊装作业船，船体肥大，利于风机装载，提高船舶稳性；中部平行中 体，易于建造，降低建造成本。 （2）船尾为方艉，结构简单，具有良好的回转性，可提高推进效率以及改善船尾 激振。 船尾从0站到31站。尾部横剖线为u型，使轴向伴流比较均匀，船体振动较小，提 高推进效率；纵剖线平顺，尾部外板沿流线方向逐渐上扬，利于减小流体阻力。水线 丰满，易于布置，且对桨和舵起到保护作用。 （3）首部线型呈v型，下部有球鼻艏，以获得良好的整流作用与减阻效果。 船首从110站到142站。首部横剖面形状为v型，其湿面积较u型小，可减小摩擦阻 力；水下部分较瘦，易于使水流沿纵剖线方向流动，对阻力性能有利；采用球鼻艏， 能减小兴波阻力、破波阻力，并为侧推的安装提供位置；首部的水线为凸形，利于增 大甲板面积。 图 2.3 风机吊装作业船型线图 fig2.3 contour map of offshore wind turbine installation vessel 第二章 海上风机吊装作业船船型 17 2.3 海上风机吊装作业船的主要装置 （1）船体和推进装置 本船是自航自升式船，属驳船箱型船体，船尾为方艉，首部线型呈 v 型，设有球 鼻艏。 船尾配有三台全回转舵桨，船首配有两台侧推装置，以提高船舶的操纵性，使船 定位更加准确。 （2）桩腿和桩靴 该船有四根桩腿，船的左右两舷各设两根，且左右对称；桩腿截面为圆柱形，带 桩靴。 （3）升降装置 该风机吊装作业船采用齿轮齿条式升降装置，液压马达传动。 （4）吊机和甲板 吊机能力和甲板装载能力是自升自航式船的重要性能指标， 船上共有一台主吊机， 位于尾部两个桩腿之间， 可以 360 度旋转， 最大起吊能力为 300 吨， 最大起升高度 100 米，最大起升仰角 800。甲板可装载运输 3 台单机容量 3mw 的风机。 （5）dp 动力定位装置 动力定位是一种闭环的控制系统，可以不用锚系而自动保持在海上要求的位置 38。该系统由船位显示仪、电子计算机控制机构和推进器等部件组成。可分为 3 个等 级：dp1，dp2，dp3。早期的风机安装船一般是 dp1，现在制造的大多是 dp2，有些 已经达到 dp3 级别。本船是 dp2。 （6）生活设施 自升自航式船的甲板上布置生活楼和驾驶室。有些船还配备有直升机平台，本船 主要定位于江苏近海，且相对国外吊装船来说较小，因而没有设置直升机平台。 2.4 总布置 本船的总布置与其他船舶不同，除常规布置内容外，还要合理安排首楼，吊机及 桩腿的位置以留出足够大的甲板空间进行风机的装载，并对风机的装载位置进行合理 布置。 2.4.1 主船体 主船体是指船的连续露天甲板以下的部分。这部分的总布置设计主要是确定水密 舱壁、甲板和平台、边舱等的设置与划分。这是一项影响全局的工作，划分时要满足 规范的规定，要符合使用要求，要与适宜的船舶性能相配合，还要考虑诸如结构、强 江苏科技大学工学硕士学位论文 18 度以及建造工艺等因素。 （1）水密舱壁 为了保证船舶的安全与结构强度上的需要，主船体内必须设置一定数量的水密舱 壁。本风机吊装船共设7道水密横舱壁，分别在fr7、fr19、fr40、fr61、fr88、fr118 和fr133处，其中fr133处为防撞舱壁。设3道水密纵舱壁，与中纵舱壁相距7.5m各设一 道纵舱壁。 （2）机舱的部位与长度 本风机吊装船fr88fr118为机舱，长度18m。留下的横向和纵向空间比较大，以 满足主机安装的需要。采用三机、三桨推进系统，首部设置两个侧推。 （3）甲板与平台 全船共六层甲板，设首楼。除主甲板外，其他甲板均在上层建筑部分。 （4）液舱 液舱的设置应与机舱布置相协调，并注意对浮态、完整稳性和破舱稳性的影响。 详细的舱室布置见总布置图。燃油舱、压载水舱、淡水舱、锚链舱 尾部的两舷均设有一个锚链舱；尾部设置四个压载水舱，首部设置两个，左右两 舷对称分布；燃油舱位于船的中部，与机舱相邻；其他诸如淡水舱、生活污油水舱等 舱室位于首楼下面的船舶舱室内。 2.4.2 上层建筑 总布置设计中，当初步完成了总体布局的划分后，就要对上层建筑内的各个舱室 进行划分，并对其内部进行布置，同时还要规划全船的通道。 所有甲板室均为钢质焊接结构，设加强筋对结构进行加强。首部上层建筑主甲板 以上分别设有艇甲板、起居甲板、驾驶甲板及顶甲板。 二层甲板和主甲板之间的舱室布置有冷藏室、空调机室、应急机房、二氧化碳间、 锚链舱、储藏室、工具间和油漆间等，两侧还放置有救生艇。 卫生间、会议室、医务室、厨房等工作舱室设在二层甲板与三层甲板之间，首部 靠近机舱位置两侧设置烟囱及风机间，中间设置二氧化碳室及应急发电机室。 本船普通船员主要分布在三层甲板，二层甲板有部分普通船员；高级船员分布在 四层甲板，每个高级船员设独用卫生间；另外四层甲板设有高级会议室。 在首尾尖舱、燃油舱、舱口盖下、到烟囱顶、到驾驶室顶和方便维护与修理地方 的到达等处设置直梯，所有室外斜梯设