毕业设计（论文）-龙门式潮流能发电支撑平台设计.docx

分类号密级 UDC 本 科 毕 业 设 计 龙门式潮流能发电支撑平台设计学生姓名 学号 指导教师 院、系、中心 工程学院机电工程系 专业年级 机械设计制造及其自动化2011级 论文答辩日期 2015 年 6 月 4 日中 国 海 洋 大 学龙门式潮流能发电支撑平台设计完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 摘 要潮流能是一种绿色可再生能源，越来越多的国家开始研究潮流能发电并已初步取得成效。现阶段，相比于对潮流能发电装置研究较早的英国，国内尚处于起步试验阶段，距离商业化运行还有远的距离，发电支撑平台有助于对发电装置进行检修和维护，对发电中存在的问题及时进行改善。所以不仅要研究发电装置，有关其发电支撑平台的研究也具有同样重要的意义。以龙门式潮流能发电支撑平台为研究和设计背景，研究其受到的所有环境载荷及计算方法，设计支撑平台的整体结构。主要研究内容包括水平轴水轮机支撑结构及其可靠性分析；水轮机升降方式及相关结构的可靠性分析。首先确定了整体的结构方案。包括维修平台的结构形式、水轮机的升降方式、支撑方式、与立柱相对滑动方式，确定了整体的运动模型，为后续设计分析奠定了模型基础。其次对环境载荷计算方法进行分析。给出该装置工作环境的水文资料，考虑可能的环境载荷因素，提供环境载荷的计算方法，并计算相应环境下水轮机等关键部件所受载荷，为后续设计奠定理论基础。最后按照设计顺序对关键部件依次进行设计及尺寸确定。同时利用CFX对水下支撑结构以及受到多种环境载荷的部件选取最不利情况进行单向流固耦合分析，对主要受稳定载荷的部件进行静载荷下的有限元分析，基于AWE对承受长期载荷的部件进行疲劳特性分析，对特殊结构如肋板进行优化设计，以确保整个支撑机构的稳定性。研究旨在为龙门式发电支撑平台的设计及其稳定性计算提供参考。关键词：潮流能；龙门式支撑平台；环境载荷；稳定性AbstractTidal energy is a kind of renewable energy, more and more countries have began the study on it and has obtained preliminary success. Currently, compared with British, who begun the research of tidal power generation at an earlier stage, China is still at the initial process, and far from putting the technology into commercial use. The support platform helps to maintain the power generation equipment to keep it in a good state and repair the trouble of the equipment. Therefore not only the power generation device itself, but also the support platform is of significant importance.On the basis of the gantry support platform, discuss all environmental loads and the calculation mode, design the whole structure of the support platform. Main research contents include the support structure of horizontal axis turbine and its reliability analysis; turbine lifting method and its structure reliability analysis. Firstly, determine the overall structure scheme. Including platform structure, turbines lifting mode, support structure and the slide structure with the pillar slide. Besides, determine the overall movement mode to lay the foundation for the subsequent design and analysis. Then, analyze all the environmental load calculation methods, take the hydrological data of the equipment into consideration, and consider all the possible environmental loads, provide the calculation method of environmental load. Calculate the load of turbines key components according to the given data, lay the theoretical foundation for the design of the follow-up. Finally, design the parts in a casual sequence. While use the CFX to do the single fluid structure coupling analysis in the most unfavorable underwater condition as well as the condition of bearing a variety of environmental loads. On the basis of AWE, analyze the fatigue characteristic of long-term load beard component. As for special structures, such as ribs, optimization design should be undertaken to ensure the stability of the supporting machine. This study aims to provide design reference and stability calculation of gantry support platform.Keywords：Tidal current energy ; Gantry support platform ; Environmental load ; Reliability.目 录1 绪论1 1.1选题背景与意义1 1.1.1潮流能水轮机发展现状1 1.1.2潮流能水轮机支撑方式2 1.1.3支撑平台研究关键技术4 1.1.4本课题意义4 1.2论文主要内容与研究方案5 1.2.1主要工作内容5 1.2.2主要研究方法52 支撑平台总体方案设计7 2.1整体结构7 2.2升降方式选择8 2.3导向方案10 2.4水轮机支撑结构11 2.5维修平台12 2.5.1平台主要功能12 2.5.2平台结构方案12 2.6本章小结133 环境载荷计算方法及求解14 3.1海流载荷14 3.2波浪载荷15 3.3风载荷17 3.4求解环境载荷的步骤19 3.5水轮机叶片流体动力载荷21 3.6 本章小结234 支撑平台尺寸设计24 4.1水轮机支撑横梁24 4.1.1支撑横梁所受主要载荷24 4.1.2支撑横梁设计24 4.2平台设计27 4.2.1平台钢结构设计27 4.2.2栏杆设计30 4.2.3直梯设计30 4.3升降杆设计30 4.3.1升降杆所受主要载荷30 4.3.2升降杆尺寸设计31 4.4升降架设计32 4.4.1升降架整体结构32 4.4.2升降架选材32 4.4.3 滚轮参数32 4.5液压系统性能参数33 4.5.1垂直运动液压缸参数33 4.5.2销子尺寸33 4.5.3插销和固定销液压缸参数34 4.5.4销孔参数34 4.6液压缸支撑架设计34 4.6.1支撑架结构尺寸设计34 4.6.2基于AWE的结构优化设计36 4.7本章小结425平台关键部位有限元分析43 5.1箱形梁的有限元分析43 5.1.1基于CFX的单项流固耦合分析43 5.1.2基于 AWE的疲劳特性分析45 5.2升降杆的有限元分析46 5.2.1基于CFX的受力分析46 5.2.2基于AWE的疲劳特性分析48 5.3本章小结516支撑平台总体装配方案52 6.1整体装配52总结54参考文献55致谢57V第一章 绪论571 绪论1.1选题背景与意义在全球范围内，自2013年初以来，约有280个不同的公司已致力于研究潮能和波浪能发电装置，而有关潮流能共有超过300个处在部署阶段的项目1。这得之于潮流能各种显著的优越性。首先它是可以在不污染环境条件下被开发的海洋绿色可再生能源；其次较强的规律性和可预测性，使得潮流可以预报；再者它所需的开发投资少，开发装置在海面、水底都可安装，节约土地资源；在发电方面，功率密度大，能量稳定，发电转速慢、噪音低，不影响海洋生物的正常活动2。中国拥有十分丰富的潮流能储量。对我国130多个水道及其沿岸的潮流能资源储量进行估计，其中拥有较大利用价值的水道在东海沿岸最多，有95个，理论平均功率13948.2MW，是全国可利用的潮流能理论平均功率的78.6%。而浙江省的舟山群岛拥有极为有利的地理条件和开发环境，多处的潮流流速可高达4m/s以上，适合作为大型潮流发电场的选址 3。1.1.1潮流能水轮机发展现状（1）国外研究现状英国是最早开发利用潮流能技术的国家，潮流能发电技术在世界上也是最先进的。英国于2003在德文郡Lynmouth外海投入运行300kW的潮流能发电机组Seaflow；先阶段已投入商业运行的最大机组是2008年4月在北爱尔兰Strangford湖投入运行的1.2MW的SeaGen型潮流能发电机组。英国潮流（Tidal Stream）公司还开发了与SeaGen原理相似的Triton发电机组，现已对完成对第四代Triton的测试；德国Voith Hydro公司计划将在20102015年间完成600台1MW水轮机的设计制造及安装工作；英国SMD公司设计的转子直径18.5m的Tidel风车式水轮机，在水流速度为2.3m/s的情况下可发电1MW；在Roosevelt岛潮汐工程中,美国绿色能源公司（Verdant Power Co.）设计了固定倾角式三叶风车式水轮机；挪威Hammerfest Storm公司研制的水轮机， 2003年在挪威Kvalsund安装，现已成功运行并发电；2008年，法国Hydrohelix公司直径为3m的水平轴水轮机的发电测试3。（2）国内研究现状我国于1950年左右开始潮流能发电实验，是世界上最早开展潮流能发电实验的国家之一。1982年，哈尔滨工程大学开始研究潮流能发电技术，是我国较早开始研究海洋潮流能利用技术的机构，并于2002年3月在浙江省岱山县水道建造成我国第一台“万向I”70kW漂浮式潮流实验电站，又于2005年12月建造成功 “万向II”40kW座海底式潮流电站。此外，东北师范大学于2008年研制出1kW水下漂浮式潮流能发电装置。同年，机械科学研究总院联合国海洋大学，合作研制出5kW柔性叶片水轮机潮流能发电装置，2009年，浙江大学研制出25kW固定式水平轴潮流能发电装置3。 图1-1 SeaGen 图1-2 Open Hydro1.1.2潮流能水轮机支撑方式 （1）潮流能水轮机分类现阶段，在技术上比较成熟的潮流发电装置主要由四种形式：轴流式、横流式、震荡水翼式和套管式。统计数据表明，水平和垂直轴水轮机拥有更大的使用份额，分别为43%和33%4。水平轴流叶轮机通过高速水流带动叶片旋转来进行发电，其原理类似于常见的大型风力发电机。水平轴流水轮机的主要代表有英国MCT公司的SeaGen（图1-1）系列产品以及爱尔兰OpenHydro（图1-2）公司的OCT（Open Centre Turbine）。 水平轴式水轮机在概念上类似于广泛的水平轴风力发电机，它的水平轴平行于入射流5。目前我国潮流能发电站多采用水平轴水轮机，相关技术也趋于成熟6。水平式潮流能水轮机主要结构有三种，分别为风车式、空心贯流式和导流罩式。风车式的优点是结构简单、稳定性好、获能系数高。在现阶段，英国的MCT、SMD公司，美国绿色能源公司（Verdant Power Co.）和Voith Hydro Tidal等都相对青睐风车式结构3。本课题中的水轮机也采用水平轴水轮机。（2）水轮机支撑方式分类海洋结构系统由相关系泊系统和支撑发电装置的支撑载体共同组成，由于发电装置的转子一般由一个支撑结构固定，重要的是不仅要研究转子的性能，也充分理解流量特性下的支撑结构的相互作用。将支撑整个发电装置的结构称为支撑平台，对于发电装置而言主要的支撑结构有三种，分别为桩柱式、坐海底式和漂浮式 7。其中桩柱式支撑结构包含两种，一种是单桩支撑称为单立柱式，另一种为两桩支撑称为双立柱式。国外学者通过对不同支撑方式进行统计研究，数据表明，在所有水平轴潮流机组的结构中，37%采用座海底式，33%采用漂浮式，27%采用桩柱式 4。漂浮式安装把水轮机安装在浮体下，整个装置随潮位涨落而上下浮动，水轮机始终处于水面附近它在深水区作业的优点是：安装容易，基本上就是将其拖走，然后在停泊的位置；如需大修任务或者必要的搬迁，更易移动；近水面处潮流流速比水底大，有利于捕获潮流能量；由于漂浮式安装使得水轮机在水表面附近，所以日常维护比较容易。但漂浮式支撑平台受波浪影响大，不稳定波大时影响正常运行，极限海况时生存能力弱，难以安装和维护，由于在较高的压力下工作，更大程度地暴露在恶劣的海洋环境中8-9。座海底式支撑结构将水轮机安装于近水底处避开了水面波浪的影响，但水底潮流流速低于水面，比起漂浮式不能最大限度地捕获潮流能，同时长期在高压下工作，对结构的密封和防腐等性能要求较高，同时维护也比较困难。桩柱式支撑结构是将其基础固定安装于水底，而使水轮机位于水面附近。支撑结构的耐久性和极限海况下的生存能力好于浮式支承结构，从风电行业获得的经验和知识表明，由于所谓的塔坝效应，支撑结构总是会干扰涡轮叶片周围的流体流动，流体会在碰到支承结构时减慢速度10。所以桩柱结构受波流载荷影响较大，为了满足强度要求，其制造和安装强度较高。（3）水轮机支撑方式选择对于水轮机来说，虽然转子应尽可能放在水中的高处，以达到最大可用功率，但由于船舶航行等实际问题的限制，把它们安装在靠近水面处并不总是可行的。例如在塞文河口，吃水深度达14m的船只随处可见，而最深得可达35m11-12。应将海流、深浅、海床地址等因素加以综合考虑后，确定发电装置的支撑结构和安装方式。一般来说，水深小于40m的情况下采用座海底式和单立柱式，水深大于40m时采用双立柱式和漂浮式13。综合研究对象的实际情况，为龙门式潮流能发电支撑平台，发电装置为风车式水平轴水轮机，所以采用桩柱式支撑方式。本文的中心思想便是设计满足其强度和使用需求的支撑平台。 1.1.3支撑平台研究关键技术（1）易于上浮的坐底式技术这是潮流能发电领域的前沿技术14，其核心是完善的升降系统，使得发电装置可沿支撑立柱升降。这种技术可使得发电装置在不影响航运的情况下，最大化地利用潮流能，及时进行维护和检修，这也是本文旨在探讨的核心技术。（2）稳固的支撑结构这是在采用桩柱式支撑方式时必须更为慎重的问题，包括尺寸设计、连接部位设计、材料选择、防腐抗蚀方法选择等众多有关其稳定性的问题。由于柱式结构受波浪载荷影响较大，需要做好各个关键部位的受力分析，海上环境恶劣突变，需校核其强度能够满足在地震、暴雨、狂风等各种天气条件下也能正常工作。（3）避雷系统由于整个发电装置支撑结构较为庞大且位于海上，周围无建筑物，故避雷防护能够有效保证平台的安全使用。电气设备的内部系统需要增加避雷防护措施，并在将外部装置接地以避雷15。（4）支撑平台的安装技术正确到位的安装是整个平台能够正常使用的关键。尤其是对于桩柱式支撑而言，海面具有不可预知的危险，驳船可能会遇到较强的海流冲击，而产生的涡激振力可能会和整个结构物产生共振。安装之前对目标地点的海况研究显得尤为重要，正确的预估和评价是保证整个结构正常安装的重要环节 16。（5）载荷分析在设计支撑平台时应考虑一系列环境载荷的影响，包括海流、潮汐、风、波浪、地震、冰等。同时还要考虑各种极限条件下的组合荷载情况，主要是正常工作环境下和极端工作环境下的平台使用性能，此时应考虑活荷载和固定荷载相结合的情况15。1.1.4本课题意义有关潮流能发电装置本身的研究已广泛开展，但有关其所依托的载体和支撑平台的研究却。支撑结构关系到整个潮流能发电装置的稳定、安全、维修等各方面，是潮流能发电装置中十分重要的一部分，现阶段很多发电装置仍处于发电实验阶段，所以其检修和维护就显得尤为重要。本文在潮流能研究开发的趋势下，在限定的环境和龙门式结构基础上，研究适合水下涡轮机发电的载体和支撑平台。寻求稳定可靠的支撑系统，保证发电装置的正常工作，同时也要保证在关键时刻能及时对涡轮发电装置进行检修和维护，从而保证发电装置能够清洁、稳定、高效、安全地进行日常工作。对潮流能发电来说，研究支撑结构的重大意义并不亚于发电装置本身。1.2论文主要内容与研究方案1.2.1主要工作内容研究潮能发电装置的支撑结构是为了在关键时刻能及时进行对涡轮发电装置的检修和维护，这对发电装置在海底的正常工作具有十分重要的意义。良好的支撑结构必然能实现稳定有效的基本功能，升降系统能最大化地减小升降及检修维护过程中对发电装置的伤害，保证在突如其来的天气影响下维修人员得以安全地进行相关工作。升降系统应具有的特点有：灵活性，操作方便；稳定性，在各种环境条件下仍然安全可靠；准确性，对于操作命令的执行能到位，比如在定位、刹车等情况下能够较准确地停留在某个位置。主要完成的内容有：（1）进行有关龙门式支撑平台整体结构的设计，包括平台设计、升降方案、关键连接部位方案等。（2）进行升降系统的设计，难点在其驱动系统，要求达到桩腿间的同步，有安全保护，启动与刹车的设计等。（3）根据长期统计结果进行载荷计算，包括单一载荷和组合载荷情况。（4）在已知的环境载荷和静载荷基础上，对设计结构进行有限元分析，使其满足各种条件下的强度要求。1.2.2主要研究方法（1）文献研究利用各种互联网站和数据库如中国知网、EI工程索引IEEE-IEL数据库、Elsevier期刊、等进行文献的查询。（2）个案研究借助已有的潮流能发电设备如SeaGen的有用信息，浏览其网站如http：/，http:/www.tidalstream.co.uk/index.html。（3）设计验证首先通过工程软件SolidWorks进行辅助设计，然后根据所得模型进行验算分析，如若满足条件则方案可行，如若不能满足则需就问题进行修改，也是工程案例中常见的试错法。（4）定性分析借助科学的公式进行计算，例如有关波浪载荷的计算，需要通过专业知识来定义，得出合理地值。并借助专业有限元分析软件如ANSYS进行定性分析。（5）优化设计除了试错法，还可以在设计中采用优化设计方法，通过建立模型，设置优化参数，利用计算机自动求解出目标参数的最优解。第二章 支撑平台总体方案2 支撑平台总体方案设计2.1整体结构整体结构呈龙门式，通过龙门式结构，平台将主要载荷传递给立柱。平台分为上下两层，上平台安放液压装置，下平台主要为维修平台，供人员通行，上下平台安装有楼梯可供通行。升降杆和水轮机都通过法兰盘固定在箱型横梁上，升降架用于固定横梁并装有滚轮，可沿立柱上的滑槽上下滑动。液压机构通过提升升降杆的方式，整体提升水轮机、升降架、支撑横梁。整体结构如图2-1所示。1液压装置 2上平台 3楼梯 4下平台 5升降杆 6立柱 7水轮机 8升降架 9支撑横梁图2-1 支撑平台2.2升降方式选择自升式海洋平台有比较成熟的升降方案。故龙门式潮流能发电装置的升降也参考其升降方式，主要有两种，齿轮齿条式和顶升液压式17，如图2-2和2-3所示。齿轮齿条式工作连续，控制简单，升降速度快，易于对位，操作性能好。但是由于齿轮和齿条啮合需要较高的精度，桩腿制造时难度增大。公差要求小，对桩腿的制造工艺要求也很高，小齿轮的在和分配也是一个复杂问题。所有这些因素式导致齿轮齿条系统部件比较容易损坏的重要原因。顶升液压式由于采用销子销孔的配合上升，是间断式工作，升降速度慢，但是液压机构减震性能较好，能够无极调速，工作较为平稳可靠，桩腿的制造要求也相对较低。同时，由于销子销孔需要配合， 它们之间存在摩擦问题，操作较为浮躁，可能会导致成本较高18-19。龙门式潮流能发电支撑平台，和自升式海洋平台相比，对于升降的频繁次数并没有那么高，发电平台的水轮机大多数情况下在海底工作，只需要定期对它进行维修和保养，因而考虑到实际应用造价以及操作灵活性方面，选择顶升液压式升降。顶升液压式升降主要利用销子销孔式来进行。表2-1 顶升液压式和轮齿条式优缺点比较齿轮齿条式顶升液压式升降速度快慢是否可连续升降是否操作灵活性灵活方便方便进行无极调速，调速范围大，低速性能好运行平稳性动力驱动部分易发生故障，结构复杂液压系统有弹性，有较好地吸震性能，步序转换时有冲击加工制造难易程度庞大复杂变速机构，体积大，齿轮齿条材料制造工艺要求高易于实现标准化，系列化，通用化成本高较高图2-2 顶升液压式 图2-3 齿轮齿条式世界上现有的潮流能发电装置中，SeaGen采用的是直接提升杆件的方式，而Open Hydro采用的是钢丝绳式。钢丝绳式的优点是提升方便，安装和制造简单，但是由于钢丝绳不受压力作用，在下降过程中很有可能卡住以致无法正常下降。综合考虑，采用液压升降方式，而直接提升的机构借助SeaGen的思路，采用液压提升杆件来达到提升水轮机的目的。首先介绍顶升液压式升降中销子销孔的工作原理，如图2-4所示。图2-4 销子销孔式工作原理以上升动作为例（1）液压缸活塞杆伸入，固定销伸入，轭销伸出。（2）液压缸活塞杆伸出，横梁上升。（3）液压缸活塞杆伸出，横梁上升，轭销伸入。（4）液压缸活塞杆伸入，横梁上升，固定销伸出。（5）液压缸活塞杆伸入，固定销伸入，轭销伸出。（6）重复（1）的动作，进行下一个动作循环。每一桩腿包含两组液压缸，一组是水平运动的液压缸，带动插销运动，另一组是垂直运动的液压缸带动横梁上下运动。每一个完整的动作循环可以带动主体上升或者下降一个节距。2.3导向方案升降杆采用圆管截面形状，与导管架平台导管类似，以减轻重量并能提供满足条件的强度。两根圆管上开有插销孔，每根圆管上开有两列插销孔，一列有25个孔，每个相距1m，与液压缸的行程相等。升降杆需要沿着直径为2m的立柱升降。若不借助任何机械部件，仅靠滑动摩擦升降必然会导致运动过程中得诸多问题，还有海底的浮游生物附着在立柱表面，所以为了保证升降的稳定性，需要选择升降杆沿立柱升降的导向方案。这里借助平面闸门的启闭方式。在水利工程中已知的闸门启闭方式有两种，一种是胶木滑道式（图2-5），另一种就是滚动支承式（图2-6）。图2-5 压合胶木式 图2-6 滚动支承式1930年左右，我国由前苏联引入胶木滑道支承作为平面钢闸门的一种支承形式。它的优点是能够承受较大载荷，材料摩擦系数低，方便设计制造及安装。因此在1950年至上1970年，国内在设计平面钢闸门时多采用这种形式。但压合胶木的生产是一个技术难点，国内较为落后的制造业生产的压合胶木达不到技术要求，在装配成滑道工作一段时间后，摩擦系数会在原来的基础上增大13倍，严重影响了闸门的启闭机工作，造成了水库、水电站的一个安全隐患。压合胶木的极限吸水率也是它的一个致命弱点。其最高可达8%，运行中易脱落，使得支撑失效。所以在1970年以后，国内便很少采用压合胶木式，已经采用了此种方式的水电站也面临需要改造的问题。对于滚动支承式，其优点是轮子安装和检修比较方便，门槽深度较小。但悬臂梁增加了边梁外侧腹板的支承压力，边梁受扭矩，悬臂轴的弯矩也较大。但考虑的应用环境的变化，在本方案中，每根立柱上开有两个对称的滑道以供滚轮运动，在帮助升降的过程中，滚轮和立柱之间一直保持着相互作用力，因而悬臂梁和边梁所受到的力和平面钢闸门启闭时所受到的力大有不同，在本方案中只收到波浪海流或者风带来的环境载荷，只需要设计满足强度要求的相应结构就能保证采用滚动支承时的可靠性。综上考虑，在本方案中采用滚动支承方式帮助升降杆和立柱之间的相对滑动。2.4水轮机支撑结构水轮机需要能够在垂直面上进行升降以便于维修和保养，故而不能采用固定式的支撑方式，为了减小支撑杆件对于海流速度的影响，支撑杆件应尽量简单牢固。借助SeaGen的思路，利用支撑横梁支撑水轮机，它们之间用法兰盘连接，再通过利用升降杆提升横梁的方式来提升水轮机，如图2-7所示。水轮机由法兰盘固定在支撑横梁上。已知水轮机支撑载荷直径为1.35m，法兰盘直径应和其相适应，并能够承受水轮机的重量。最终选用平焊法兰，法兰外径700mm，公称压力2MPa，足够承受来自水轮机的压力。图2-7水轮机支撑方式2.5维修平台2.5.1平台主要功能平台主要用来放置辅助设备如控制箱液压系统等，此外还需要有供维修保养人员通行的空间，有足够的安全性能。平台的一般设计要求包括：（1）使用要求。平台的使用要求是根据实际需求决定的，往往由人员提出，主要包括平台的功能要求和工艺要求。（2）安全要求。生命和财产的安全取决于平台承受其设计在和和经受可能出现的环境条件的能力，国内外的海洋环境设计标准应考虑不少于100年的海况的设计标准。我国平台环境用到的水文资料的重现期一般规定应不少于50年。除这个总原则外，实践表明，设计时利用平台上的一些附加结构、装置和操作程序，可以使人员的伤害减至最低，火灾、爆炸和意外载荷（如船舶碰撞、落物）的风险也会降低。（3）环境保护要求。工业上的砂浆、泥浆的使用，油气处理产生的废物，生活的排放垃圾对环境都有一定的污染。应提供处理泄露和可能污染的措施。平台夹板上应设置排放系统，以收集和储存待处理的液体。（4）施工条件要求。在施工时，应考虑导管架平台可能会遇到的各种不同海况下的环境条件，以去顶被拖物的运动以及其在拖船上产生的重力和惯性重力，结合拖航沿线上的经验、暴露时间和预报气象可靠性最终确定进入安全避风港的可达性。（5）经济条件要求。要求在设计当中，反复选择结构形式，以求达到平台总体的最优化方案，从而使建造平台的费用最省20。2.5.2平台结构方案整体结构为龙门式，及两根桩柱支撑顶上甲板平台的整体框架结构。由于需要对水轮机进行维修和保养，甲板上需预留出足够的适合水轮机总体尺寸的空间以供其通过，而此外还需安装液压系统，液压系统的工作空间应尽量在升降杆周围以供插孔插销的正常工作，故而选择设计上下两个平台，上平台不作为日常的工作空间，只放置相应的液压系统，考虑到液压系统的维护问题，上平台也需要设置一定的工作区域，具有和下平台一样的栏杆保护以及直梯供人员通行,整体平台结构如图2-8所示。图2-8 平台2.6本章小结在充分研究了潮流能发电装置的基础上，设计出整体结构，并运用其他领域较为成熟的技术确定支撑平台关键部位方案。为不同荷载下的该结构的有限元分析奠定了基础。主要结论：（1）根据现有潮流能发电装置确定了整体结构方案，采用龙门式结构，即两端立柱支撑受力，平台将力传递给立柱。（2）将两种升降方案进行对比，相比于结构复杂的齿轮齿条式升降，选择更平稳的液压式升降。利用销子销孔的原理提升水轮机及其他部件。（3）水轮机支撑采用梁式支撑，通过提升支撑横梁来提升水轮机。（4）平台结构采用两层平台，上平台安防液压装置，下平台主要用于维修。第三章 环境载荷计算方法及求解3 环境载荷计算方法及求解该龙门式潮流能发电装置安装地点为黄海中部海域，为近海岸工程，海水深度约为25m。黄海海域是我国所有海域中潮流能较为集中地地区之一，拥有十分丰富的潮流能资源，依据中国船级社海上移动平台入籍与建造规范（2005）进行对风浪载荷的计算。3.1海流载荷海流是不同形式的流的矢量合成，包括潮流、环流和风成流。与波浪相比，海流的水质点的运动速度缓慢，无加速度。所以在计算海流对结构物的作用力时，把海流看成稳定流动，海流只对拖曳力产生拖曳力21。该地海域潮流是规则的半日潮流海区，设计流道最大流速2.5m/s。当只考虑海流作用时，海流对圆形构件产生的力为：fD=12CDgAUC2 (3-1)式中，fD海流力，kN/m；UC设计海流速度，m/s；CD拖曳力系数，参照波浪力计算中的拖曳力系数；海水重度，kN/m3；g重力加速度，m/s2；A构件单位长度垂直于海流方向的投影面积，m2/m。规范要求，当圆形构件受到海流作用时，应判断是否产生Von Karman涡流。当流体沿垂直于圆形构件轴线常速运动时，圆形构件轴线尺度比较大时，除通常产生的拖曳力外，在构件周围会出现Von Karman涡流，亦规则的涡旋脱离。在圆形构件周围交替出现的涡旋，在其周围产生压力分布的变化，即产生以可变力，若海底结构的固有频率与交变力的频率相等，会产生共振现象，应在设计中避免这种现象。流体动力交变频率f（涡旋的释放频率）可按下式计算：f=SunD (3-2)式中，un垂直于圆形构件轴线的海流速度，m/s；D圆形构件的直径，m；SStrouhal系数，可先求雷诺数Re，Re=unD（对于海水Re0.9106unD），再用图3-1求得。图3-1 斯特劳哈尔与数雷诺数关系3.2波浪载荷表3-1是统计的青岛附近海域小麦岛多年波浪要素，可以看出，SE、SSE向波浪最强，最大波高6.8m，ESE向是次强浪向，最大波高6.1m。其中在1985年8月曾观测到极值波高8.0m，方向为ESE向22。表3-2是根据统计得到的黄海历年波浪要素23。 概括地讲，黄海，从9月至次年3月，以偏北向浪为主；5月至8月以偏东南向浪为主；4月为波向转换月。表3-1 小麦岛波浪要素统计方向NNNENEENEEESESESSE平均周期4.94.8平均波高1.00.7最大波高6.84.4方向SSSWSWWSWWWNWNWNNW平均周期4.54.0平均波高0.40.4最大波高3表3-2 黄海波浪要素统计波向分布风浪波高（H1/3）风浪周期最多波向频率最大值平均值最大值平均值春季S、SW23%29%、24%7.5m1.0m14.0s3.23.7s夏季SE、S20%、21%29%8.0m1.0m14.0s3.23.7s秋季N23%46%8.0m1.01.5m14.0s4.04.2s冬季N34%37%7.0m1.5m14.0s3.04.0s在近海工程实际应用中，计算小尺度构件所受的波浪载荷一般采用Morison公式。当海洋工程结构物被波浪包围的构建横向尺寸D与波长L之比小于0.2时，认为是小尺度构建，忽略物体对波浪运动的影响。导管架平台是一种干系结构，D/L通常很小，故可按小尺度结构物受波浪力作用来计算。莫里森认为，水流经过物体时水平速度会产生的拖曳力，水平加速度会产生惯性力的叠加，这两者的叠加合力称为拖曳力。拖曳力与阻水面积及水流速度平方成正比；惯性力与被物体排开水的质量和水质点原有轨迹运动的加速度成正比。桩柱收到的总的波浪力为：dP=12CDDuudz+CMAdudtdz (3-3)上式即为Morison方程，整个桩柱水平波浪力为P=0+ddP (3-4)式中，P作用在构件上的总波浪力；u水质点相对于构件的垂直于构件轴线的速度分量，m/s；|u|为其绝对值，表示速度矢量和海流矢量的矢量和的值；du/dt水质点相对于够构件的垂直于构件轴线的加速度分量，m/s2；海水密度，kg/m3；D构件直径，海生物附着在平台上时，需要加上附着厚度，m；A构件截面积，m2；CD垂直于构件轴线的拖曳力系数，对表面光滑圆形构件取0.65，对表面粗糙圆形构件取1.05；CM惯性力系数，对表面光滑圆形构件取1.6，对表面粗糙圆形构件取1.2；z=0的波面方程，m。波浪理论主要有：线性波（Ariy波）理论、Stokes波理论、孤立波理论、流函数理论等。这些理论提供了对于不同情况下的构件及波浪特征的计算依据。对于波浪理论的选择应依据结构的特征尺寸及波浪要素来进行，选用不同的波浪理论求得的结果可能会大致相同，但是Morison方程只适用于小尺寸构件的波浪力的计算。3.3风载荷在同纬度海区中，中国具有较强大的海风。一般来说，大陆在冬季拥有较强的高压，于是容易产生较强的风力，而在夏季这种现象会减弱。根据10个海拔高度较低，代表性较好的岛屿站、沿岸站和海洋站阵风大于、等于8级的大风日数统计结果得知：黄海中部年平均110120天，11月1月每月平均1415天。黄海的大风主要表现在偏北风和西南大风，台风的最大极值在黄海为3040m/s19。通过查阅青岛近50年的气象资料，如表3-3和图3-2、3-2所示。可知N风向风速最大，为37.2m/s；SSE风向的风速次之，为30.0m/s；其次是NNW风风速29.3m/s，NW风风速26.3m/s。SW风的最大风速最小，为15.0m/s 20。表3-3 19481997年青岛各风向最大风速风向NNNENEENEEESESESSE最大风速37.223.524.520.323.825.823.330.0出现月份71346487风向SSSWSWWSWWWNWNWNNW最大风速22.522.015.018.018.222.026.329.3出现月份3557112775图3-2 19481997青岛各风向平均风速图3-3 19481997青岛四季各风向平均风速考虑到支撑平台的示范性和造价，取50年一遇最大风速37.2m/s为设计风速。载体所受风力计算要考虑水线面以上结构物的形状和受风面积等因素。根据 CCS规范，结合门式载体结构，相关设计准则有： （1）当平台受立柱影响，应计算立柱的全部投影面积，不考虑遮蔽效应。 （2）对因倾斜产生的受风面积，采用恰当的的形状系数。 （3）对于桁架结构的受风面积，在单侧取投影面积的 30%，在双侧取60%。各情况下的形状系数如表3-4所示。 表3-4 风载计算形状系数构件形状圆柱形大的平面桁架Cs0.51.01.3门式载体受风载荷计算公式：Fw=ACSUW21600sin (3-5)式中，Fw风载荷，N；A 载体受风面投影面积，m2；CS形状系数；Uw风速，m/s；风向与载体的水平夹角。3.4求解环境载荷的步骤（1）分析流对波的多普勒（Doppler）效应，计算表观波周期Tapp。我国平台规范规定，确定导管架平台的波流载荷时，应根据适当地波浪理论采用Morison方程计算波浪对结构的波浪力，首先确定海流力，再进行波流荷载叠加。在海洋上并没有纯粹的波浪，总是波与流的叠加。一般情况下，当流与波浪同向时，波长增加，当与波浪反向时，波长减小。API经过多年的工程实践和研究，在上部分50m水深或更深的范围内流苏相同、d/gT20.01情况下，以无量纲形式给出表观波周期，V1表示流在波浪方向的分量，T表示实际的波浪周期，d是平均风暴水深。（2）已知波高、风暴水深和表观周期，选择恰当的波浪理论计算二维波浪运动。Atkins经过研究，给出了以H/gTapp2为纵坐标，以d/gTapp2为横坐标的各阶流函数解的应用条件。在本设计中，计算可得H/gTapp2值约为0.075，d/gTapp2值约为0.03，根据流函数、Stokes五阶波和线性波理论的适用范围（图3-4），可以确定选择Stokes五阶波理论。图3-4 波浪理适用范围（3）波浪导致的水质点水平速度和加速度按照波浪系数折减。波浪系数主要是指波浪在各项流动中的散射效应。在选择了波浪理论，确定具体的波浪运动时，没有考虑到波的方向性和不规则性，即波会在各向散射中折减，波面形状也并非规则有序的。故在确定二维波浪运动时，可用“散射系数”乘以“不规则系数”，以得到水平速度和加速度的运动折减系数。观察表明，对热带风暴波浪运动，波浪运动系数，的范围在0.850.95，对温带