海上风电三筒导管架基础气浮拖航稳性研究.pdf
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1、82Port,Waterway and Offshore Engineering 海上风电三筒导管架基础气浮拖航稳性研究 刘旭东1,刘 博1,齐 欣1,刘东华2,张玉玲2(1.中国电力工程顾问集团有限公司,北京 100011;2.中国能源建设集团广东省电力设计研究院,广东广州 510663)摘要:针对一种三筒导管架基础气浮体结构,从拖航性态及影响因素进行了研究。利用数值模拟方法分析了结构在拖航过程中的动力响应特点及波高、波浪周期和波浪方向等因素对拖航稳性的影响,得到了不同影响因素下结构的垂荡速度、纵摇角等动力响应并进行对比分析,为实际工程提供了参考依据。关键词:三筒导管架;气浮拖航;数值模拟;
2、动力响应 中图分类号:U694 文献标识码:A 文章编号:1004-9592(2023)04-0082-06 DOI:10.16403/ki.ggjs20230418 Study on Stabilization of Air-Floating Towing of Three Bucket Jacket Foundation for Offshore Wind Turbine Liu Xudong1,Liu Bo1,Qi Xin1,Liu Donghua2,Zhang Yuling2(1.China Power Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Bei
3、jing 100011,China;2.China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510663,China)Abstract:An air-floating structure of three-bucket jacket foundation is studied from the aspect of towing behavior and influence factors.Numerical simulation method
4、is used to analyze the dynamic response characteristics of the structure in the towing process as well as the influence of wave height,period and direction on the towing stability,which produces the dynamic responses of the structure such as heaving velocity and pitch angle under different factors.T
5、he comparative analysis results will provide a reference for engineering practice.Key words:three bucket jacket foundation;air-floating towing;numerical simulation;dynamic response 引引 言言 海上风电三筒导管架基础由导管架和下部三个筒型基础组成,其中三个筒型基础为底部开口、顶部封闭倒扣形筒,能够实现自浮拖航。与实浮体不同的是,由于筒型基础底部开口,在拖航过程中筒内有水和被压缩的气体,通过内部气垫结构产生的气压力,产
6、生内外液面差提供结构浮力,与普通实浮体相比相当于在水垫弹簧上串联了一个气垫弹簧,因此气浮体和普通实浮体的浮运稳性有所差别1-3。本文利用数值模拟软件Moses 对某实际工程中的三筒导管架(图 1)的静稳性及在气浮拖航过程中的浮稳性进行了研究,并通过改变单一变量的方法研究环境因素对结构拖航稳性的影响4-10。收稿日期:2020-12-29 基金项目:筒型基础气浮拖航水动力耦合运动机理及性态控制研究(51679163)作者简介:刘旭东(1993-),男,硕士,工程师,主要从事海上风电基础设计工作。1 三筒导管架模型三筒导管架模型 利用数值模拟软件 Moses 对三筒导管架结构的拖航过程进行建模分析
7、。采用某实际工程中的结构原型进行模拟,模型参数如表 1 所示。表表 1 结构参数结构参数 筒高/m 筒径/m 总高度/m重心高/m 质量/t 12.6 12.6 60.14 24 1 535.7为进行 Moses 时域下三筒导管架基础拖航分析,在模型中将系缆绳一端与基础相接,另一端固定在一个固定端,在海域中施加一个与航速相反的流速来模拟三筒导管架基础的拖航过程。在模型各筒底端开一个孔,可进出水,来模拟三筒导管架基础的下部开口的形式。三筒导管架基础模型示意图如图 1 所示,随机波浪波谱采用JONSWAP 谱。图图 1 三筒导管架基础模型示意图三筒导管架基础模型示意图 2 结构静稳性分析结构静稳性
8、分析 对三筒导管架基础模型进行静稳性分析,得到回复力臂和 RAO。结构吃水深度为 11 m,有义波高 1 m,波浪周期为 10 s,拖揽力 40 t,波浪方向为顺浪。图 24 分别为结构的回复力臂曲线、垂荡响应曲线和纵摇响应曲线。静稳曲线上升段部分为相对平稳的位置,下降段部分为不稳定平衡部分,而当力臂减小到 0以下时,整个结构会加速倾覆。因此通过倾角的值可以判断结构是否安全及稳定。在倾角达到21.4 左右处,力矩变为负值,也就意味着大于21.4 时,结构将不提供恢复力矩,整个结构完全失去静水稳定性。由图 3和图 4 可以看出,三筒导管架基础运输模型的垂荡响应和纵摇响应曲线均有明显的峰值。在周期
9、为 7 s 时结构的垂荡响应最大,垂荡幅值达到 1.3 m;三筒导管架基础模型的纵摇响应在12.5 s的周期下达到峰值,纵摇幅值为 7.8。图图 2 三筒导管架模型回复力臂曲线三筒导管架模型回复力臂曲线 图图 3 三筒导管架模型垂荡响应曲线三筒导管架模型垂荡响应曲线 图图 4 三筒导管架模型纵摇响应曲线三筒导管架模型纵摇响应曲线 3 结构拖航稳性及影响因素分析结构拖航稳性及影响因素分析 三筒导管架基础在浮运的过程中,外界条件很有可能会发生变化,这些变化都会对三筒导管架基础的浮运过程产生影响。因此需要通过控制变量法单独研究各因素对拖航过程的影响,判断出有利的和不利的影响,本文中主要考虑波浪因83
10、84 素和拖揽力对结构拖航稳性的影响,波浪周期包括有义波高、波浪周期及波浪方向,环境工况如表 2所示,其中工况 1为标准组工况。表表 2 环境工况环境工况 工况 有义波高/m 波浪周期/m 浪向 拖揽力/t 1 1 10 顺浪 40 2 0 10 顺浪 40 3 0.5 10 顺浪 40 4 1.5 10 顺浪 40 5 1 8 顺浪 40 6 1 12 顺浪 40 7 1 10 逆浪 40 8 1 10 顺浪 20 9 1 10 顺浪 60 3.1 波高对结构浮运的影响波高对结构浮运的影响 为了研究波浪高度对三筒导管架基础浮运的影响,选取了 0 m、0.5 m、1 m、1.5 m 四种有义波
11、高的工况来对三筒导管架基础运输模型进行时域分析。给定工况的其他条件为:波浪周期 10 s,吃水 11 m,波浪方向 0。利用 Moses 对四种不同波高下的三筒导管架基础运输模型进行时域分析,得到不同有义波高下的重心点拖航速度,如图 5所示。图图 5 重心点拖航速度对比图重心点拖航速度对比图 可以看出,波高为 0 时,拖航速度为一条值为 1.7 m/s 的水平线,随着波浪高度的增大,拖航速度随波浪周期不断振荡,且幅值随波高的增大而增大。0.5 m 波高的拖航速度幅值为 1.84 m/s,1.0 m波高的拖航速度幅值为 1.93 m/s,1.5 m波高的拖航速度幅值达到 2.03 m/s。不同波
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