哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 海洋能源是地球上最大的能源儲備，是不需要燃料的理想能源，是不污 染環(huán)境的清潔能源，是可再生能源。利用海洋能發(fā)電既經(jīng)濟(jì)，又不占用土地， 不受氣候影響，也不污染環(huán)境，實為利用價值極高、潛力巨大的新能源。它 將是未來新能源中相當(dāng)重要的部分。我國擁有獨特的海洋地理優(yōu)勢，是世界 上潮流能蘊(yùn)藏量最豐富的地區(qū)之一。因此，如何利用潮流能發(fā)電是急需解決 的問題。 現(xiàn)已建成并通過驗收鑒定的7 0 k w 潮流實驗電站，采用漂浮式載體作為發(fā) 電水輪機(jī)的工作載體。為了保證潮流實驗電站在大多數(shù)海況下可以正常工作 和惡劣海況下的安全，漂浮載體系泊系統(tǒng)的設(shè)計就尤為重要。4 0 k w 座海底潮 流實驗電站也在建設(shè)中。本文首先根據(jù)船舶靜力學(xué)的相關(guān)知識計算了4 0 k w 潮流電站的浮性和穩(wěn)定性，提出了電站的安裝和檢修方案。然后基于三維頻 域勢流理論，應(yīng)用s e s a m 軟件計算了7 0 k w 和4 0 k w 潮流電站在規(guī)則波中所受 到的波浪力及其在波浪中的運(yùn)動。兩個潮流電站所受到的風(fēng)力和流力根據(jù) a p i 推薦公式和中國船級社海上單點系泊裝置入級與建造規(guī)范中的公式計 算，電站受到的波浪漂移力根據(jù)譜分析法計算。最后，根據(jù)發(fā)電船工作海域 特點，基于錨泊系統(tǒng)靜力分析和動力分析相關(guān)原理，對兩個潮流電站分別提 出了錨泊系統(tǒng)設(shè)計方案，并對這幾種方案進(jìn)行了安全校核和比較分析。通過 計算可以發(fā)現(xiàn)，這幾種方案都能滿足安全要求。 關(guān)鍵詞：潮流電站；穩(wěn)定性；三維勢流理論；譜分析法；錨泊系統(tǒng) a b s t r a c t o c e a ne n e r g yi st h er i c h e s te n e r g yo nt h ee a r t h i ti sak i n do fc l e a na n d r e p r o d u c i b l ee n e r g y i th a sm a n ya d v a n t a g e su s i n go c e a ne n e r g yt og e n e r a t e e l e c l r i e i t y , s u c ha se c o n o m i c ，n o to c c u p y i n gl a n d s ，n o tb e i n gi n f l u e n c e db yt h e c l i m a t e ，n o tp o l l u t i n ge n v i r o n m e n t o c e a ne n e r g yi sak i n do fn e we n e r g yw i t h l l i g hv a l u ea n dp o t e n t i a li nu s ea n dw i l lb e c o m eav e r yi m p o r t a n tp a r ti nt h ef u t u r e n e we n e r g y o u rc o u n t r yh a ss p e c i a lo c e a ng e o g r a p h i c a lm v a n t a g e sa n di so n eo f t h ea r e a st h a to w nv a s tt i d a le n e r g y s oh o wt ou s et i d a lp o w e rt og e n e r a t e e l e c t r i c i t yi sa nu r g e n tp r o b l e m t od e a lw i t h t h e7 0 k wt i d a lp o w e rs t a t i o nu s e sf l o a t i n gb e d ya st h ec a r r i e ro ft h et w o t u r b i n e s i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo ft h et i d a lp o w e rs t a t i o n si ti sv e r y i m p o r t a n tt og e to u ts o m es i m p l ea n dr e l i a b l em e t h o dt od e s i 匭t h em o o t i n g s y s t e m t h e4 0 k wt i d a lp o w e rs t a t i o nw h i c hs i t so ns e a f l o o ri sb e i n gb u i l tn o w i n t h i sp a p e r ，t h es t a b i l i t yo ft h e4 0 k ws t a t i o ni sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt oh y d r o s t a t i c t h e o r i e sa n dt w os c h e m e sf o ri n s t a l l a t i o na n de x a m i n a t i o no ft h es t a t i o na r e p m s e l l w d ，b a s eo nt h e3 - dp o t e n t i a lt h e o r y , t h em o t i o n sa n dw a v ef o r c e s i n r e g u l a rw a v e so ft h et w os t a t i o n sa r ec a l c u l a t e du s i n gt h es o f t w a r es e s a m t h e w i n da n dc u r r e n tf o r c e sa r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ef o r m u l ar e c o m m e n d e db y a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t ea n dc h i n ac l a s s i f i c a t i o ns o c i e t y t h ew a v ed r i r f o r c e sa r ec a l c u l a t e d u s i n gs p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o r k i n gz o n eo ft h et i d a lp o w e rs t a t i o n ss e v e r a lm o o r i n g s y s t e n zd e s i g us c h e m e sa r ef o r w a r d e dr e s p e c t i v e l yf o rt h e7 0 k wa n d4 0 k ws t a t i o n t h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a te a c ho f t h es c h e m e sc a nm e e tt h ed e m a n do f s a f e t y k e yw o r d s ：t i d a lp o w e rs t a t i o n ；s t a b i l i t y ；3 - dp o t e n f i a lt h e o r y ；s p e c t r u ma n a l y s i s m e t h o d ；m o o r i n gs y s t e m 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo) 下，由作者本人獨立完成的。有關(guān)觀點、方法、數(shù)據(jù)和文 獻(xiàn)的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對應(yīng)。除文中已 注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已 經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個 人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到 本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者( 簽字) ：受亟建 e t 期：刪年歲月7 日 1 1 研究背景 第1 章緒論 2 0 世紀(jì)以來，對煤炭、石油、天然氣等化石燃料的大規(guī)模開發(fā)和利用， 一方面創(chuàng)造了人類歷史上空前繁榮的物質(zhì)文明，另一方面，也造成了大量的 資源浪費(fèi)和污染物、溫室氣體的排放。當(dāng)前，作為常規(guī)能源的化石燃料的儲 量正在一天天減少，而空氣污染、全球變暖、臭氧空洞等環(huán)境問題也在一天 天嚴(yán)重。這種不可持續(xù)的發(fā)展模式己遭到很多國家的摒棄，開發(fā)新能源、研 究新的節(jié)能技術(shù)，走可持續(xù)發(fā)展道路已成為社會各界的共識【l 】。2 0 世紀(jì)7 0 年代以來，世界各國越來越清楚地認(rèn)識到世界上已知的非再生能源正在日益 迅速地減少，而且很可能在可見的將來被用盡。針對這一嚴(yán)峻的情況，技術(shù) 先進(jìn)的國家開始注意可再生能源，海洋能作為一種取之不盡的可再生能源， 越來越受到人們的重視。 2 l 世紀(jì)將是海洋經(jīng)濟(jì)時代，浩瀚無垠的海洋是生命起源的搖籃，是資源 和能源的寶庫，也是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要基地。自古以來，凡是重視 海洋的國家都成了當(dāng)時的發(fā)達(dá)國家。當(dāng)今世界，人類正面臨著“全球人口不 斷膨脹，陸地資源和能源日趨嚴(yán)峻”的危機(jī)，于是都把發(fā)展的希望寄托于占 地球表面積7 1 的海洋，都在重新估價海洋，堅定不移地向海洋進(jìn)軍。尤其 是海洋能源是地球上最大的能源儲備，是不需要燃料的理想能源，是不污染 環(huán)境的清潔能源，是可再生能源。利用海洋能發(fā)電既經(jīng)濟(jì)，又不占用土地， 不受氣候影響，也不污染環(huán)境，實為利用價值極高、潛力巨大的新能源，它 將是未來新能源中相當(dāng)重要的部分。現(xiàn)在，越來越多的國家都把合理有序地 開發(fā)利用海洋資源和能源、保護(hù)海洋環(huán)境作為求生存、求發(fā)展的基本國策。 世界各國競相研究如何利用蘊(yùn)藏在深海中的多種資源和能源，競相研究如何 利用海洋高科技開發(fā)技術(shù)。一個開發(fā)利用和保護(hù)海洋資源和能源、攻克現(xiàn)代 尖端技術(shù)海洋高科技開發(fā)技術(shù)的世紀(jì)之潮已經(jīng)興起，從藍(lán)色的海洋中索 取應(yīng)有盡有的資源和能源，使海洋資源和能源成為世界經(jīng)濟(jì)的新的增長點， 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論艾 正成為時代的特征i 2 “。 中國是人口眾多的發(fā)展中國家，改革開放以來，中國的科學(xué)、技術(shù)以及 經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了令世人矚目的成績，但我國東部和西部的發(fā)展很不均衡，城 鄉(xiāng)之間的差距也很大。中國有9 億多人口生活在農(nóng)村，其中尚有1 2 億人口 沒用上電。能源短缺，特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)的能源短缺極為嚴(yán)重，在很大程度上 阻礙了這些地方的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展。從能源發(fā)展戰(zhàn)略的高度來審視，中國必 須尋求一條可持續(xù)發(fā)展的能源道路。江澤民主席在世界太陽能高峰會議上指 出：一個能夠持續(xù)發(fā)展的社會應(yīng)該是一個既能滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，而又 不危及后代人前途的社會。因此，節(jié)約能源，提高能源利用率，盡可能多她 用潔凈能源替代礦物燃料，是中國能源建設(shè)的一條很重要的原則1 6 j 。由此可 見，中國開發(fā)利用海洋能具有其特殊而深遠(yuǎn)的意義。 本文的工作是國家“十五”8 6 3 計劃項目“漂浮式潮流能獨立發(fā)電系統(tǒng) 研究”和“4 0 k w 座海底式潮流能獨立發(fā)電系統(tǒng)研究”工作的一部分。 1 2 潮流能利用的技術(shù)現(xiàn)狀 1 2 1 潮流能簡介 一望無際的大海，不僅為人類提供航運(yùn)、水產(chǎn)和豐富的礦藏，而且還蘊(yùn) 藏著巨大的能量。全世界理論上可再生的海洋能總量為7 6 6 億千瓦，技術(shù)允 許利用功率6 4 億千瓦，約為目前世界發(fā)電機(jī)容量的一倍【7 。9 】。 海洋能通常是指海洋中蘊(yùn)藏的可再生能源，主要包括海浪能、潮汐能、 海流能、潮流能、溫差能、鹽差能等。據(jù)世界能源委員會統(tǒng)計，全世界僅沿 海地帶便于開發(fā)的波浪能就有2 0 億千瓦，沿岸和近海區(qū)的潮汐能1 7 億千瓦。 潮汐能和波浪能利用技術(shù)，己趨于成熟，達(dá)到或接近商品化階段【l o 】。 本論文的研究對象是潮流實驗電站，在此著重介紹潮流能。潮流能劃歸 新能源范疇，屬海洋能一支。潮流能與潮汐能生成一樣，淵源均來自月球和 太陽的吸潮力。據(jù)科學(xué)估計：全球的潮流能和潮汐能至少有3 0 - 4 0 億千瓦。 潮流能使地球表面海水產(chǎn)生周期性流動，富貯動能。潮流能一般蘊(yùn)藏在大陸 洲的近岸淺海、海峽、海灣和河口一帶，其海域特點、鹽密度差異顯著。島 嶼列礁的生成帶潮流能資源特別豐富。潮流運(yùn)動在海面運(yùn)動，有其，定的長 2 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 度、寬度、深度和流速，并沿著固定的路線進(jìn)行。在深海區(qū)域，潮流很難與 海流區(qū)分，而潮流能的利用比起海流能來更直觀、簡便、效益高、投資小j 。 潮流發(fā)電與常規(guī)發(fā)電相比較有以下特點1 12 】： ( 1 ) 能量密度低，但總蘊(yùn)藏量大，可以再生。潮流的流速最大值在我國 約為4 o l l 1 s ，相當(dāng)水力發(fā)電的水頭僅o 0 5 m ，故能量轉(zhuǎn)換裝置的尺度要大。 ( 2 ) 能量隨時問、空間變化，但有規(guī)律可循，可以提前預(yù)報。潮流能是 因地而異的，有的地方流速大，有的地方流速小，同一地點表、中、底層的 流速也不相同。由于潮流流速流向變化使潮流發(fā)電輸出功率存在不穩(wěn)性和不 連續(xù)性。但潮流的地理分布變化可以通過海洋調(diào)查研究掌握其規(guī)律，目前國 內(nèi)外海洋科學(xué)研究己能對潮流流速做出準(zhǔn)確的預(yù)報。 ( 3 ) 開發(fā)環(huán)境嚴(yán)酷、投資大、單位裝機(jī)造價高，但不污染環(huán)境、不用農(nóng) 田、不需遷移人口。 1 2 2 國外潮流能利用的發(fā)展現(xiàn)狀 國際上對潮流發(fā)電研究較多的是美國和日本，他們分別于7 0 年代初和 7 0 年代末開始研究佛羅里達(dá)海流和黑潮海流的開發(fā)利用。各國海潮流發(fā)電的 研究提出的開發(fā)方式主要有 1 2 】： ( 1 ) 與河川水力發(fā)電相類似的管道型海底固定式螺旋槳水輪機(jī)。 ( 2 ) 與傳統(tǒng)水平軸風(fēng)力機(jī)類似的錨系式螺旋槳水輪機(jī)。 ( 3 ) 與垂直軸風(fēng)力機(jī)類似的立軸螺旋槳水輪機(jī)。 ( 4 ) 與風(fēng)速計類似的薩渦紐斯轉(zhuǎn)子。 ( 5 ) 漂流傘式。 ( 6 ) 與磁流體發(fā)電相類似的海流電磁發(fā)電。 此外，英國、韓國等國家也正在計劃進(jìn)行大規(guī)模電站的論證和準(zhǔn)備。但 除了潮汐發(fā)電外，國外的波浪能、潮流能也處在試驗示范階段，尚不具備規(guī) 模開發(fā)的條件f 1 3 1 。 1 2 3 我國潮流能資源和開發(fā)利用情況 我國海域遼闊，一望無垠。北從中朝邊境的鴨綠江口直奔朝鮮海峽，南 至赤道沿線的南沙群島直插曾母暗沙。包括渤海、黃海、東海和南海四大海 區(qū)。其延伸，歸并于太平洋水系。獨特的海洋地理優(yōu)勢，是世界上潮流能蘊(yùn) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 藏量最豐富的地區(qū)之一。據(jù)現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)條件，我國潮流能有3 0 0 0 萬千瓦( 包 括海深地帶洋流復(fù)合層中水能資源) 。若全部利用可發(fā)電3 6 0 億度，相當(dāng)于浙 江省1 0 0 座新安江水電站和1 0 0 座富春江水電站全年發(fā)電量的總和。 我國江河眾多，萬里浩淼。長江、黃河、珠江、黑龍江四大主流及眾多 支流每年向大海傾注淡水2 - 3 億立方米，造成潮流水體處于永不停息的運(yùn)動 之中，不斷發(fā)生自然能。其中聞名海內(nèi)外的錢塘江大潮，最大潮差8 9 米， 同時也是杭州灣水域潮流能最大峰點，推潮助波，潮流加劇水速加大，周邊 地帶成為亞太地區(qū)西海岸最大的潮流能富藏基地和活動場所，這在全球也是 得天獨厚的。 我國海島遍布，珠璣碧玉，全國海面有5 0 0 0 多座島嶼和不盡其數(shù)的石礁， 相當(dāng)一部分散落在鹽水系級差分界的交匯處，成為分割鹽度差的天然屏障， 梯度標(biāo)志。由于海島參與，加之潮汐不斷拍打，促使穩(wěn)定鹽分大洋在海島地 帶分成階梯形鹽度差水帶。尤其在我國的舟山地區(qū)，島嶼效應(yīng)格外明顯，潮 流發(fā)育迅猛，在世界七大洲四大洋中實屬罕見，屬全球第一。 我國專業(yè)單位正規(guī)的潮流發(fā)電試驗研究自1 9 8 1 年于哈爾濱船舶工程學(xué) 院開始，他們采用漂浮系泊式立軸自調(diào)直葉水輪機(jī)方案，經(jīng)過“六五”至“八 五”期間的研究，已經(jīng)取得較大的進(jìn)步。 “八五”期間，由哈爾濱工程大學(xué)承擔(dān)的國家科技攻關(guān)項目“l(fā) o k w 潮流 實驗電站”，于1 9 9 7 年5 月完成技術(shù)設(shè)計方案，并通過專家審定。該裝置具 有結(jié)果簡單，啟動流速低、啟動力矩大等特點【1 4 】?！熬盼濉逼陂g，由哈爾濱 工程大學(xué)承擔(dān)的國家重點科技攻關(guān)項目“7 0 k w 潮流實驗電站”于2 0 0 2 年初 在舟山市岱山縣官山附近海域建成，并通過專家的驗收和鑒定，這是目前亞 洲第一座漂浮式潮流實驗電站，總體技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平【”l 。 1 3 錨泊系統(tǒng)設(shè)計計算的研究現(xiàn)狀 1 3 1 國外研究現(xiàn)狀 首先進(jìn)行的是船模實驗研究。鲅島【1 7 1 等人于1 9 6 0 年在風(fēng)洞水槽里以三 島型船( 船模長1 米) 為對象進(jìn)行了單錨泊的船模型試驗。弄清了強(qiáng)風(fēng)作用 下船舶偏蕩運(yùn)動情況、船體偏蕩和錨鏈所受沖擊力的關(guān)系等。另外，還明確 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 了加大吃水、調(diào)成平吃水甚至首傾，加重單位長度錨鏈重量，在錨鏈上垂吊 重物等對抑制偏蕩和減輕錨鏈的沖擊力是有效的。 米m 1 1 8 】等1 9 6 0 年使用同樣船模進(jìn)行了制蕩錨及雙錨泊的模型實驗。得 出結(jié)論是：在風(fēng)速不太大的情況下制蕩錨具有某種程度的抑制偏蕩的效果。 另外，還弄清了就雙錨而言，在兩錨鏈夾角較小的情況下，兩舷錨鏈上交互 作用著與單錨泊情況大小差不多的沖擊載荷；然而，兩舷夾角為5 0 。u5 5 。，則 幾乎不產(chǎn)生偏蕩；即使錨鏈夾角為5 0 “5 5 。以上，當(dāng)風(fēng)向偏出錨鏈線外9 0 。 時，該偏角的增大就會再次產(chǎn)生偏蕩；而且，在此情況下，錨鏈所受沖擊載 荷反而比單錨泊的情況更要大。根據(jù)米田等1 9 8 2 年進(jìn)行的模型實驗，上述結(jié) 果又進(jìn)一步地得到了驗證。 1 9 7 6 年m i t 的p e r i j o h a n s s o n 1 9 】在其博士論文中建立了有限元模型對 錨鏈的動力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析?？紤]到與阻尼有關(guān)的速度，偏離平衡位置 的位移以及錨鏈張力的突變，該模型是非線性模型。在時域中對該模型進(jìn)行 求解，其結(jié)果可以用來分析瞬時情況。作為n e w m a r k 所做工作的拓展，提出 了一個新的用于耦合運(yùn)動方程數(shù)值積分的方法。該論文研究的外力激勵模式 僅限于錨鏈一端( 固定于系泊漂浮物的一端) 受到被迫運(yùn)動。 j a s o ni g o b a t 和m a r ka g r o s e n b a u g 2 0 疑出了計算由于懸鏈線型錨鏈上 端受到垂向運(yùn)動而引起的動張力的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。該模型適用于海洋波頻作用力， 計算了錨鏈張力的標(biāo)準(zhǔn)方差，其中錨鏈張力表示為與垂蕩運(yùn)動加速度成比例 的慣性項和與垂蕩速度成比例的阻尼項之和。應(yīng)用數(shù)值模擬，該模型表明了 慣性項和阻尼項之問的耦合效應(yīng)。模型計算結(jié)果與實際海洋錨鏈在一系列海 情下的測量結(jié)果相對比，其最大誤差在8 到1 1 之間，標(biāo)準(zhǔn)方差在2 到3 之間。其最大誤差在水平運(yùn)動產(chǎn)生顯著影響時產(chǎn)生于具有最大平均張力和動 張力處。 a es h a s h i k a l a 等人【2 l 】應(yīng)用有限元方法對波浪與單點系泊的駁船干擾的 三維問題進(jìn)行了研究?？紤]錨鏈的彈性、錨泊點在駁船上的位置的影響。對 數(shù)值結(jié)果和在規(guī)則波及不規(guī)則波情況下所測得的模型試驗結(jié)果進(jìn)行了比較， 就錨鏈剛度系數(shù)對不同系泊點的駁船響應(yīng)的影響進(jìn)行了討論，對錨泊系統(tǒng)的 設(shè)計具有指導(dǎo)意義。在規(guī)則波和不規(guī)則波情況下，分析結(jié)果和試驗結(jié)果都吻 合得很好。 s h a hh u a n g 22 提出了一種預(yù)報三維錨鏈動張力的數(shù)值方法。該方法基于 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 質(zhì)量集中彈簧模型和有限元方法。在考慮了模型特點和數(shù)值穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上， 給出了數(shù)學(xué)分析。并給出了算例來驗證該方法的合理性。 1 3 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 劉建成2 3 l 等人針對渤海海域上油田的開采，提出了一種簡易單點系泊系 統(tǒng)，并在考慮風(fēng)、浪、流三種載荷同時作用的情況下，對該系統(tǒng)的可行性從 總體上加以論證。利用設(shè)計譜理論計算油駁的波浪誘導(dǎo)縱蕩力，利用經(jīng)驗公 式計算油駁風(fēng)力和流力。將以上三種力線性疊加得到系泊力。分析校核表明， 該簡易系泊系統(tǒng)是可行的，且具有經(jīng)濟(jì)有效等特點，適用于實際油田開采。 范菊1 2 4 1 等人為研究轉(zhuǎn)塔式錨泊儲油輪的動力響應(yīng)，應(yīng)用二階頻域攝動理 論計算了壓載狀態(tài)下的一階運(yùn)動響應(yīng)、二階運(yùn)動的響應(yīng)譜及錨泊線張力譜， 并與相應(yīng)的模型試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，理論結(jié)果和相應(yīng)的試驗結(jié)果符合較好， 二階頻域攝動理論可用于分析轉(zhuǎn)塔式系泊儲油輪的動力響應(yīng)。 范菊，黃祥鹿【2 5 1 應(yīng)用頻域方法，研究波頻運(yùn)動引起低頻慢蕩阻尼力問題 中錨泊線所引起的力。錨泊線所引起的阻尼在本質(zhì)上與其和運(yùn)動問的初相位 有關(guān)。該相位信息從頻域分析得出，應(yīng)用攝動理論推導(dǎo)了到二階的錨泊線張 力響應(yīng)函數(shù)，將算例與相應(yīng)的時域結(jié)果進(jìn)行了比較，頻域攝動分析的結(jié)果在 假設(shè)適用范圍內(nèi)與時域分析得到的結(jié)果基本相符。 劉應(yīng)中【2 q 等人采用準(zhǔn)定常時間域方法分析了風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下海上 系泊系統(tǒng)的運(yùn)動及動力特性。在每一時間步系泊力由準(zhǔn)靜態(tài)方法得到。得到 船舶運(yùn)動時歷后，采用推廣的三維集中質(zhì)量法求得錨鏈的動力特性。在計算 船舶的靜水恢復(fù)力和f r o u d e k r y l o v 力時，記及了瞬時濕表面變化引起的非線 性作用。 朱克強(qiáng)【2 7 1 等人采用凝集參數(shù)法推導(dǎo)了海洋纜體系統(tǒng)三維動態(tài)響應(yīng)的全 部公式，采用“四階龍格一庫塔法”對運(yùn)動方程進(jìn)行了數(shù)值積分，輸出結(jié)果 是纜一體系統(tǒng)的動態(tài)構(gòu)型和各分段內(nèi)張力一時間歷程。由于采用了集中質(zhì)量 一彈簧離散模型，因而能比較好地適應(yīng)各種非均勻纜體系統(tǒng)，例如帶有不 同性質(zhì)纜分段或中間附體( b z 器包、浮標(biāo)、緩沖器等等) 的系統(tǒng)，并對上端 約束、下端主動作給定圓周運(yùn)動的纜系作了動態(tài)計算。 蘭鎏三堡盔蘭堡圭鱟簦蘭奎 1 4 問題的提出 4 0 k w 潮流電站建成后需經(jīng)過拖航到達(dá)其預(yù)定工作海域，在拖航過程中， 它會受到流體阻力產(chǎn)生傾斜，傾斜后會不會出現(xiàn)意外? 外力消失后會不會回 復(fù)到原來的平衡位置? 將電站拖航到預(yù)定工作海域后對沉箱和導(dǎo)流罩注水 使其下降到工作位置，在注水過程中它的穩(wěn)性如何? 當(dāng)需要對電站進(jìn)行維修 時須將水排出使其上浮，在排水過程中電站穩(wěn)性如何? 電站在工作狀態(tài)的穩(wěn) 性又如何? 為防止電站發(fā)生 傾覆，對電站以上這些狀態(tài) 的穩(wěn)性進(jìn)行計算和校核都是 非常必要的。 為了保證潮流水輪機(jī)能。 正常工作，持續(xù)提供穩(wěn)定的 電力，必須有可靠的錨泊系 統(tǒng)將載有水輪機(jī)的漂浮載體 較精確地定位在預(yù)定海域。 在海洋潮流水道長期工作下 的漂浮式載體，要抵御狂風(fēng)、 1 機(jī)艙：2 浮箱：3 輪輻；4 葉片；5 導(dǎo)流罩；6 沉箱；7 樁腿 圖1 _ 14 0 k w 潮流電站布置圖 巨浪、暴潮的襲擊，為了保證潮流實驗電站在大多數(shù)海況下可以正常工作和 惡劣海況下的安全，系泊系統(tǒng)的設(shè)計就尤為重要。由于潮流電站帶有兩個尺 度比較大的水輪機(jī)，故其所受波浪力和其在波浪中的運(yùn)動都不同于傳統(tǒng)意義 上的船舶，這就造成了錨泊系統(tǒng)設(shè)計和計算的復(fù)雜性，加大了理論預(yù)報的難 度。尋找一種適合潮流實驗電站工作海域特點、潮流實驗電站自身結(jié)構(gòu)特點 錨泊系統(tǒng)的設(shè)計計算方法，對于今后電站的錨泊方案設(shè)計、可靠性分析及發(fā) 電系統(tǒng)總體設(shè)計以及后續(xù)施工方 案的設(shè)計具有重要的意義，為潮流 實驗電站轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)電站打 下理論基礎(chǔ)。 如圖1 2 所示，原有的7 0 k w 潮流電站的錨泊系統(tǒng)設(shè)計采用了 圖1 27 0 k w 潮流電站布置圖 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 切片法計算電站受到的波浪力和運(yùn)動，而7 0 k w 潮流電站并不是典型的細(xì)長 體，所以切片法給出的結(jié)果可能偏差較大，本文采用三維頻域勢流理論計算 電站在波浪中的受力和運(yùn)動，并在以前的錨鏈設(shè)計方案基礎(chǔ)上，重新校核了 錨泊系統(tǒng)的張力和安全性。 1 5 本文工作要點 本文計算了4 0 k w 潮流電站的靜水力性能，在此基礎(chǔ)上提出了兩種安裝、 檢修方案；計算了7 0 k w 和4 0 k w 潮流電站在規(guī)則波中的受力和運(yùn)動，以及 在風(fēng)浪流環(huán)境下受到的環(huán)境載荷，歸納總結(jié)了錨泊系統(tǒng)的靜力分析及動力分 析的方法，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)7 0 k w 和4 0 k w 潮流電站的實際受力情況和其 工作海域的特點，初步提出錨鏈設(shè)計方案。對這些方案進(jìn)行了受力分析和比 較。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章4 0 k w 潮流電站的穩(wěn)定性計算 本章主要計算4 0 k w 潮流電站的靜水力性能。電站在船廠建造，需要拖 至現(xiàn)場進(jìn)行安裝：在電站運(yùn)行過程中，還需要進(jìn)行定期的檢修。電站的拖航、 安裝和檢修過程中的靜水力性能直接決定了拖航、安裝和檢修方案的確定以 及對電站結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。為防止電站發(fā)生傾覆，本章給出了穩(wěn)性改良方案。 2 1 電站的重量和重心 潮流電站的總重量是電站各項重量的總和。若已知各個項目的重量彬， 則電站總重量礦為： 緲= + + + + k = m ( 2 1 ) i = 1 式中”為組成電站總重量的各個重量項目的數(shù)目。 若已知各項重量的重心高度z ，則電站的重心高度為： 彬z ， z g = 鼉_ 一 形 ( 2 2 ) 如圖1 1 所示，潮流電站從上至下由機(jī)艙、浮箱、導(dǎo)流罩、水輪機(jī)、沉 箱和樁腿組成。其中機(jī)艙內(nèi)含有齒輪箱，增速器和電機(jī)以及其它機(jī)械部件。 水輪機(jī)主要由由葉片，輪輻，軸及軸套組成。沉箱和樁腿中灌入了一定量的 水泥，以增加壓載。 以電站沉箱下表面的中心為原點建立右手坐標(biāo)系，x 軸沿電站縱向，y 軸 沿電站橫向，z 軸豎直向上。電站各部分重量、重心高度和重量對基平面的 靜矩見表2 1 。由于電站前后對稱，左右對稱，所以靠= y 。= 0 。 9 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 e e j j i j i | i i | i i ir i 表2 14 0 k w 潮流電站的重量和重心 質(zhì)量重心高z 6對基線的靜矩 姆mk g m 機(jī)艙棚 4 1 1 3 3 7 6 8 4 2 9 9 7 7 8 浮箱 6 7 0 0 。1 4 43 3 0 42 2 1 3 7 2 8 導(dǎo)流罩 8 0 9 4 i 3 41 7 5 91 4 2 3 7 5 8 沉箱 7 7 6 5 2 7 5o 2 51 9 4 1 3 1 9 樁腿 1 1 1 6 7 8 10 2 6 22 9 2 5 9 7 水泥 2 5 6 6 8 8 90 。1 5 2 3 9 0 1 6 7 1 艙內(nèi)機(jī)械2 9 5 6 1 8 43 8 5 3 1 1 3 9 0 1 8 軸及軸套 1 0 0 3 4 1i 8 2 51 8 3 1 2 2 3 門 4 9 3 6 5 8i 8 2 59 0 0 9 2 5 9 葉片輪輻 1 0 9 4 1 8 2 51 9 9 6 5 5 附件2 5 02 46 0 0 ( 合計)5 6 2 8 3 6 l1 1 1 8 3 3 56 2 9 4 3 9 2 2 電站的排水量和浮心 排水量和浮心位置的計算，實際上就是電站排水體積和排水體積形心坐 標(biāo)的計算。具體計算時，把電站的水下體積沿z 軸垂向分割成若干薄層微體 積來進(jìn)行。電站正浮，吃水為z ，在離基平面z 處取出一薄層進(jìn)行分析，薄 層微體積為： d v f = a 。d z a 。是離基平面z 處的水線面面積，將其沿垂向z 從0 到正進(jìn)行積分，便得電 站在吃水z 時的排水體積，即 v i = l a 。d z ( 2 - 3 ) 由于電站形狀比較規(guī)則，水線面面積?？梢院苋菀浊蟪?，采用梯形法沿垂向 積分求得排水體積。 v 。= f a w d z “委6 磯( _ 。+ 4 。) + ( a 。+ 4 。：) + + ( a 。一，+ 4 。) 】( 2 - 4 ) v i 對基平面的靜矩為 o 。蘭璽鎏苫登盔蘭蘭老蘭譬璽蘭。 。 m 。= f 一。d z ( 2 5 ) 浮心垂向坐標(biāo)為 = 魯 ( 2 6 ) 電站不同吃水時的排水量和浮心坐標(biāo)的計算結(jié)果見表2 2 。 2 3 電站的靜穩(wěn)性 2 3 1 初穩(wěn)性 如圖2 1 所示，船舶正浮時的水線 為w l ，排水體積v ，橫傾一微小角度 后的水線為彤厶，浮心自原來的位置b 沿某一曲線移至且，這時的浮力作用線 垂直于厶，并與中線相交于膨點，m 點稱為初穩(wěn)心，b m 稱為穩(wěn)心半徑， b m = i v 。對于橫穩(wěn)性，i = i ，即水 線面面積對于縱向中心軸線的橫向慣性 矩；對于縱穩(wěn)性，i = i l ，即水線面面積 m 、v d 啦寸 圖2 1 初穩(wěn)性示意圖 對于橫向中心軸線的縱向慣性矩。求得水線面慣性矩后，即可得到穩(wěn)心坐標(biāo)： 一 ， z = z 日+ b m = z b + 二1 7 ( 2 7 ) v 電站橫傾某一小角度妒時，重心位置g 保持不變，而浮心自b 點移至e 點。此時重力形作用點g 和浮力p v 的作用點鼠不在同一鉛垂線上，因而產(chǎn) 生了一個復(fù)原力矩吖。，即 m = p v g z = p v g m s i n 廬( 2 8 ) 式中p 為水的密度，g z 為復(fù)原力臂，g m 為初穩(wěn)心高。1 。 從公式( 2 8 ) 可見，當(dāng)初穩(wěn)心高g m 為正值時，m 。也為正值，外力消失 后它能促使電站回復(fù)到原來的平衡狀態(tài)：g m 為零時，m 。一o ，外力消失后， 電站不會回復(fù)到原來位置，也不會繼續(xù)傾斜：g m 為負(fù)值時，m 。也為負(fù)值， 。墮璽鋈罌盔蘭鎏圭耋簋鯊蘭。 它會促使電站繼續(xù)傾斜。后兩種情況是不允許出現(xiàn)的，因為電站在傾斜后不 可能回復(fù)到原來的平衡位置，電站的穩(wěn)性沒有得到保證。4 0 k w 潮流電站初 穩(wěn)性計算結(jié)果見表2 2 。其中z 。為橫穩(wěn)心坐標(biāo)，z ，為縱穩(wěn)心坐標(biāo)。 表2 24 0 k w 潮流電站的初穩(wěn)性計算表 丁 v z 口i tl 。& il z z z ， mm 3tmm 4 m 一o 50 o o c0 0 0 0 - o 40 3 3 6 0 ，3 4 50 4 4 83 4 1 6 3 3 4 1 6 31 0 1 6 7 6 1 0 1 ，6 7 61 0 1 2 2 81 0 1 2 2 8 一o 30 7 6 80 7 9 0- 0 3 9 24 1 6 4 8 4 1 6 4 8 5 4 2 2 95 4 2 2 9 5 3 8 3 7 5 3 8 3 7 樁腿 一o 21 ，2 9 61 3 3 2- 0 3 3 34 9 0 0 6 4 9 0 0 6 3 7 8 1 33 7 8 1 3 3 7 4 8 c 3 7 4 8 0 0 1 1 9 2 0l ，9 7 40 2 7 35 6 2 4 5 5 6 2 4 5 2 9 2 9 42 9 2 9 4 2 9 0 2 1 2 9 0 2 l 02 6 4 02 7 1 4一o 2 1 22 7 8 0 2 2 7 8 0 21 0 5 3 1 11 0 5 3 1 11 0 5 0 9 81 0 5 0 9 8 o 18 4 1 t 38 6 5 2- 0 0 3 2 2 7 8 0 2 2 7 8 0 23 3 0 3 53 3 0 3 5 3 3 0 0 2 3 3 0 0 2 0 21 4 1 9 2 1 4 5 8 90 0 4 22 7 8 0 2 2 7 8 0 21 9 5 9 0 1 9 5 9 ( 31 9 6 3 2 1 9 6 3 2 沉箱0 31 9 9 6 82 0 5 2 7 0 1 0 22 7 8 0 2 2 7 8 ，0 21 3 9 2 31 3 9 2 31 4 0 2 5 1 4 0 2 5 0 42 5 7 4 4 2 6 4 6 5o 1 5 日2 7 8 0 22 7 8 0 21 0 7 9 91 0 7 9 91 0 9 5 7 1 0 9 5 7 0 。53 1 2 7 7 3 2 。1 5 2 0 。2 0 92 5 5 9 8 2 5 5 9 88 1 8 4 8 ，1 8 48 3 9 48 3 9 4 導(dǎo)流 0 63 2 3 2 c 3 3 2 3 40 ，2 2 05 7 0 5 83 0 0 5 71 7 6 5 0 9 3 01 9 8 51 1 5 0 簧 0 73 3 3 8 2 3 4 3 1 7 0 2 3 45 7 0 5 8 3 0 0 5 71 7 0 90 9 0 ( 31 9 4 3 1 1 3 4 o 83 4 4 3 53 5 3 9 9 0 2 5 05 7 0 5 8 3 0 0 5 71 6 5 70 8 7 31 9 0 71 1 2 3 o g3 5 4 8 8 3 6 4 8 10 2 6 85 7 0 5 8 3 0 0 5 71 6 0 8 0 8 4 71 8 7 51 1 1 5 l3 6 5 4 c 3 7 5 6 3 0 2 8 75 7 0 5 83 0 0 5 71 5 6 2 0 8 2 31 8 4 91 1 1 0 1 13 7 5 9 3 3 8 ，6 4 e0 3 0 95 7 0 5 8 3 0 0 5 7 1 5 1 80 8 0 c1 8 2 61 1 0 8 1 _ 23 8 6 4 e 3 9 7 2 8o 3 3 15 7 0 5 8 3 0 0 5 7 1 4 7 60 7 7 81 8 0 81 1 0 9 1 33 9 6 9 9 4 0 8 l c 0 3 5 65 7 0 5 83 0 0 5 71 4 3 7 0 7 5 71 7 9 31 1 1 3 1 44 0 7 5 l4 1 8 9 9 0 3 8 25 7 0 5 83 0 0 5 71 4 0 00 ，7 3 81 7 8 2l ，1 1 9 1 54 1 8 0 4 4 2 ，9 7 50 4 0 85 7 0 5 8 3 0 0 5 71 3 6 5 0 7 1 91 7 7 31 1 2 7 1 64 2 8 5 74 4 ，0 5 7 0 4 3 65 7 0 5 8 3 0 0 5 71 ，3 3 l0 7 0 1i 7 6 8 1 1 3 8 1 74 3 9 1 0 4 5 1 3 90 4 6 65 7 0 5 83 0 0 5 71 2 9 9 0 6 8 51 7 6 51 1 5 0 1 84 4 9 6 2 4 6 2 2 l 0 4 9 65 7 0 5 83 0 0 5 71 2 6 9 0 6 6 81 7 6 51 1 6 4 1 g4 6 0 1 5 4 7 3 0 40 5 2 75 7 0 5 83 0 0 5 7 1 2 4 00 6 5 31 7 6 71 1 8 0 24 7 0 6 8 4 8 3 8 6 0 5 5 85 7 0 5 8 3 0 0 5 71 2 1 20 6 3 91 7 7 l1 1 9 7 2 14 8 1 2 1 4 9 4 6 8 0 5 9 l5 7 0 5 8 3 0 0 5 7 1 1 8 60 6 2 51 7 7 7l | 2 1 6 2 24 9 1 7 3 5 0 5 5 0 0 6 2 45 7 0 5 8 3 0 0 5 71 1 6 0o 6 1 11 7 8 5 1 2 3 6 2 35 0 2 2 6 5 1 6 3 20 6 5 95 7 0 5 8 3 0 0 5 7 1 1 3 60 5 9 81 7 9 51 2 5 7 2 45 1 2 7 9 5 2 。7 1 5 0 6 9 35 7 。0 5 8 3 0 0 5 71 1 1 30 5 8 s1 8 0 61 2 7 9 2 55 2 3 3 2 5 3 7 9 7 0 7 2 95 7 0 5 8 3 0 0 5 71 0 9 0 0 5 7 , t1 8 1 91 3 0 3 2 65 3 3 8 45 4 8 7 9 0 7 6 55 7 0 5 8 3 0 0 5 71 0 6 90 5 6 31 8 3 3 1 3 2 8 2 衛(wèi)：喳三堡籃l 生蘭堡笙塞 。 2 75 4 4 3 75 6 2 0 50 8 0 15 7 0 5 8 3 0 0 5 71 0 4 80 5 5 21 8 4 91 3 5 0 2 85 5 4 9 1 35 7 0 4 40 8 3 85 7 0 5 83 0 0 5 71 0 2 80 5 4 21 8 6 6 1 3 8 0 2 95 6 5 4 35 8 3 6 90 8 7 55 7 0 5 8 3 0 0 5 71 0 0 90 5 3 21 8 8 51 4 0 7 35 7 5 9 5 5 9 2 0 80 9 1 35 7 0 5 8 3 0 0 5 70 9 9 10 5 2 21 9 0 41 4 3 5 3 1 55 9 1 7 5 6 0 8 3 10 9 7 l1 9 1 5 l1 7 5 4 53 2 3 62 9 6 54 2 0 73 9 3 6 3 2 56 3 9 2 3 6 5 7 1 31 1 3 71 9 71 9 0 9 63 0 8 22 9 8 74 2 1 94 1 2 4 浮箱 3 3 56 8 ，8 0 17 0 7 2 7 1 2 9 02 0 0 0 8 2 0 0 0 82 9 0 82 ，9 0 84 1 9 84 1 9 8 3 4 57 3 7 0 17 5 7 6 41 4 3 02 0 0 0 8 2 0 0 0 8 2 7 1 52 7 1 54 1 4 5 4 1 4 5 3 5 6 47 4 ，3 2 47 6 4 0 1 4 4 88 0 6 30 4 9 8 3 30 1 0 8 0 ，0 0 7 1 5 5 6 1 ，4 5 5 3 6 6 47 4 8 l d 7 6 9 0 81 4 6 27 9 2 1 20 4 8 1 4 80 1 0 60 0 0 61 5 6 81 4 6 8 3 7 6 47 5 3 0 c7 7 4 0 81 4 7 77 ，9 2 1 2o 4 8 1 4 8 0 1 0 50 ，0 0 61 5 8 2 1 4 8 3 3 8 6 47 5 7 8 6 7 7 9 0 81 4 9 27 9 2 1 20 4 8 1 4 80 1 0 50 0 0 61 5 9 61 4 9 8 機(jī)艙 3 9 6 47 6 2 7 97 8 4 1 5 1 _ 5 0 77 9 2 1 2o 4 8 1 4 80 1 0 40 0 0 61 6 1 11 5 1 3 4 0 6 47 6 7 5 8 7 8 9 0 71 5 2 37 9 2 1 20 4 8 1 4 80 1 0 3 o 0 0 6l ，6 2 61 5 2 9 4 1 6 47 7 2 4 3 7 9 4 0 61 5 3 97 8 0 2 90 4 6 6 9 80 1 0 1 0 0 0 61 ，6 4 0 1 5 4 5 4 ，2 6 , t7 7 7 0 1 7 9 8 7 7 1 5 5 56 5 8 8 90 3 2 8 1 60 0 8 50 0 0 41 6 4 ( 11 5 5 9 4 3 6 47 8 0 0 4 8 0 1 8 81 5 6 6000 0 0 0 0 0 0 01 5 6 61 5 6 6 根據(jù)以上數(shù)據(jù)得到穩(wěn)心坐標(biāo)隨吃水的變化如圖2 _ 2 所示。 0 51 5 2 53 54 5 5 5 吃水t ( m ) 圖2 , 2 電站的穩(wěn)心坐標(biāo)隨吃水的變化 從圖2 2 可以看出，電站的橫穩(wěn)性比電站的縱穩(wěn)性好。因此在后續(xù)計算 中主要校核電站的縱穩(wěn)性。 電站總重量為5 6 2 8 3 噸，因此無壓載時( 拖航狀態(tài)) 的水線為 5 5 4 5 3 5 2 5 1 5 0 4 3 2 l o 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 r o ：2 7 + ! ：竺= ! ：! 2 8 3 5 6 2 0 5 ) ：2 7 0 7 m 5 8 3 6 9 5 6 2 0 5 、 該狀態(tài)時的縱穩(wěn)心高度為z ，= 1 3 5 l m ，高于重心z g = 1 t 1 8 m ，因此處于穩(wěn)定 狀態(tài)。 電站的工作環(huán)境處于老橋的兩個橋墩之間，在低潮位時，電站座底時的 吃水為3 6 3 7 m ，取平均值為3 6 5 m ，如圖2 3 所示。電站的最大縱傾角 0 。，：t a n 一- 坐生丟竽二墮：7 2 1 。 為了安全起見，拖航狀態(tài)時電站的縱傾角角不得大于5 度，最大縱傾力矩 m 一= 5 6 2 8 3 ( 1 3 5 1 1 1 1 8 ) x s i n 5 。= 1 1 4 3 t m 圖2 3 潮流電站結(jié)構(gòu)示意圖 2 3 1 大傾角穩(wěn)性 初穩(wěn)性問題只適用于小傾 角情況，即橫傾角毋不超過 1 0 。1 5 。但是電站在拖航過程 中橫傾角可能會超過以上范圍， 這時便不能用初穩(wěn)性來判斷是否 具有足夠的穩(wěn)性。 如圖2 4 所示，電站原浮于 z j l 曠 g2 譬 j ，一 0 y 一 搽 b 。 l 世 厶 圖2 4 大傾角穩(wěn)性示意圖 水線厶，