海上风电三筒导管架基础气浮拖航稳性研究.pdf

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；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.,Beijing 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 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.The 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。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8384 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。不同波高下模型法兰面纵向速度、垂荡速度、纵摇角的对比分析分别如图 68 所示：图图 6 法兰面纵向速度对比图法兰面纵向速度对比图 图图 7 法兰面垂荡速度对比图法兰面垂荡速度对比图 图图 8 法兰面纵摇角对比图法兰面纵摇角对比图 由图中可以看出，波高为 0 时，纵向速度为一条值为 1.7 m/s 水平线，随着模型波浪高度的增加，法兰面纵向速度幅值明显增大。0.5 m 波高时纵向速度峰值为 2.56 m/s，1m 波高时纵向速度峰值为 2.98 m/s，1.5 m 波高时纵向速度峰值为 3.9 m/s，相较于 0m 波高时的纵向速度峰值增幅达到 129.4%。法兰面垂荡速度幅值随着波高的增加也有明显的增大。波高为 0 m 时的法兰面垂荡速度为0.01 m/s，当波高为 0.5 m 时，垂荡速度幅值为0.36 m/s，波高为 1.0 m和 1.5 m时的垂荡速度幅值 分别为 0.59 m/s和 0.99 m/s，增幅较为明显。当波高为 0 时，法兰面纵摇角恒为 0.46，结构前倾。随着波高增加，纵摇角幅值逐渐增大。0.5 m 波高时纵摇角幅值为 2.36，1.0 m 和 1.5 m波高时的幅值分别为 3.54 和 5.53，纵摇角随波高增加而增大的趋势较明显。由上述分析可知，波浪高度增加时，法兰面纵向速度、垂荡速度和纵摇角幅值均明显增大。因此，波高的增加不利于航行的安全。3.2 波浪周期对结构浮运的影响波浪周期对结构浮运的影响 为了研究波浪周期对三筒导管架基础浮运的影响，选取了 T=8 s、10 s和 12 s三种周期，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：波高 1 m，浪向 0，吃水 11 m，拖揽力 40 t。利用 Moses 对三种不同波浪周期下的三筒导管架基础运输模型进行时域分析，得到不同波浪周期下的重心点拖航速度，如图 9所示。图图 9 重心点拖航速度对比图重心点拖航速度对比图 可以发现，随着波浪周期的增大，拖航速度幅值逐渐增大，从 T=8 s下的 1.94 m/s到 T=12 s下的 2.20 m/s，拖航速度的增加比较明显。不同周期下结构的法兰面纵向速度、垂荡速度、纵摇角如图 1012所示。图图 10 法兰面纵向速度对比图法兰面纵向速度对比图 图图 11 法兰面垂荡速度对比图法兰面垂荡速度对比图 图图 12 法兰面纵摇角对比图法兰面纵摇角对比图 随着波浪周期的增大，纵向速度幅值也增大。T=8 s时的纵向速度幅值为 2.7 m/s，T=10 s和T=12 s 时纵向速度幅值分别为 2.94 m/s 和 4.60 m/s，T=12 s 时的纵向速度幅值较 T=8 s 时增幅达70%。法兰面垂荡速度随着波浪周期的增大而减小，但变化幅度较小，从 T=8 s 时的 0.93 m/s 到T=12 s时的 0.52 m/s，降幅达到 44%。随着波浪周期的增大，法兰面纵摇角明显增大，T=8 s 时的法兰面纵摇角幅值为 2.38，T=10 s 和 T=12 s 时的纵摇角幅值分别为 3.81 和8.38，T=12 s 时的纵向速度幅值较 T=8 s 时增幅252%。由前述中三筒导管架运输模型垂荡响应曲线和纵摇响应曲线可以得到，在吃水为 11 m 条件下，三筒导管架基础运输模型的纵摇固有周期为12.5 s，垂荡固有周期为 7 s。可以发现，模型重心的拖航速度、法兰面纵向速度和纵摇角的幅值均是在周期为 12 s 时达到最大，这是因为 12 s 周期与 12.5 s 的纵摇固有周期最为接近，其响应也最大。同样，法兰面的垂荡速度幅值在 8 s 周期时达到最大，因为 8 s 周期与垂荡固有周期 7 s 最为接近，故此时垂荡响应最剧烈。85 3.3 波浪方向对浮运的影响波浪方向对浮运的影响 为了研究波浪方向对三筒导管架基础浮运的影响，选取了 0、180 两个浪向，即顺浪和顶浪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：波高 1 m，周期 10 s，吃水 11 m，拖揽力 40 t。利用 Moses对两种不同波浪方向下的三筒导管架基础运输模型进行时域分析，得到顺浪和顶浪条件下模型重心点拖航速度，如图 13所示：图图 13 重心点拖航速度对比图重心点拖航速度对比图 可以发现，180 浪向下的重心点拖航速度幅值大于 0 浪向下的拖航速度幅值，0 和 180 浪向下的重心点拖航速度幅值分别为 1.94 m/s 和 2.47 m/s。顺浪和顶浪条件下模型法兰面纵向速度、垂荡速度、纵摇角的对比分析分别如图 1416 所示。可以看出，顺浪和顶浪环境条件下，法兰面纵向速度幅值和纵摇角幅值在 180 波浪方向下均大于 0 波浪方向，且存在明显的相位差，0 波浪方向下的法兰面垂荡速度幅值和 180 波浪方向下的相差不大。图图 14 法兰面纵向速度对比图法兰面纵向速度对比图 图图 15 法兰面垂荡速度对比图法兰面垂荡速度对比图 图图 16 法兰面纵摇角对比图法兰面纵摇角对比图 3.4 拖揽力对浮运的影响拖揽力对浮运的影响 实际工程中，常常需要追求拖航过程又快又安全，因此需要在保证结构稳定的情况下，给定适宜的拖揽力。为了研究拖揽力对三筒导管架基础浮运的影响，我们选取了 40 t 和 60 t 两种拖揽力的工况来对模型进行时域分析。给定工况的其他条件为：波高 1 m，周期 10 s，吃水 11 m，波浪方向 0。利用 Moses 对三种拖揽力下的三筒导管架基础运输模型进行时域分析，得到各个工况下的重心点拖航速度、法兰面纵向速度、垂荡速度、纵摇角的对比分析。不同拖揽力条件下模型重心点拖航速度的对比如图 17所示：图图 17 重心点拖航速度对比图重心点拖航速度对比图 由图 17 可以看出，重心点拖航速度随着波浪86 周期呈现不均匀振荡，随着拖揽力增大，重心点拖航速度平均值明显增大，从 40 t拖揽力的 1.92 m/s增加到 60 t拖揽力的 2.35 m/s，增幅达 22.4%。不同拖揽力条件下模型法兰面纵向速度、垂荡速度、纵摇角的对比分别如图 1820所示。图图 18 法兰面纵向速度对比图法兰面纵向速度对比图 图图 19 法兰面垂荡速度对比图法兰面垂荡速度对比图 图图 20 法兰面纵摇角对比图法兰面纵摇角对比图 法兰面纵向速度、垂荡速度和纵摇角峰值均随拖揽力的增大有所增大，40 t 拖揽力下的纵向速度幅值为 2.97 m/s，60 t 拖揽力下的纵向加速度幅值为 3.76 m/s；法兰面垂荡速度受拖揽力的影响较小，垂荡速度始终在 0上下波动；在 40 t和 60 t 拖揽力作用下的纵摇角峰值分别为 3.77 和 4.75。由上述分析可知，当拖揽力增加时，模型重心拖航速度明显增大，法兰面纵向速度、垂荡速度和纵摇角均有一定程度的增大，其中法兰面垂荡速度随拖揽力改变的幅值变化不明显。因此拖揽力的增加明显影响拖航速度、法兰面纵向速度和纵摇角的大小，在一定范围内增大拖揽力不利于浮运的安全。4 结结 语语 本文基于海上风电三筒导管架基础的气浮拖航过程，通过数值模拟的方法进行较为全面的研究。分析了结构的静稳性，并从结构的拖航速度、垂荡速度、纵摇角等方面进行对比，明确了各环境因素对其拖航稳性的具体影响。参考文献：参考文献：1 刘博,裴爱国.桶型基础气浮拖航特性综述J.南方能源建设,2020,7(02):81-90.2 丁红岩,韩彦青,张浦阳,霍思逊.气压对海上风电一步式运输安装船稳性的影响J.天津大学学报(自然科学与工程技术版),2017,50(09):915-920.3 张浦阳,石建超,丁红岩,黄旭.海上风电复合筒型基础结构浮运分析J.太阳能学报,2014,35(11):2313-2319.4 刁景华,刘宪庆.吸力锚抢修平台气浮拖航影响因素分析J.后勤工程学院学报,2017,33(03):19-23.5 丁红岩,石建超,张浦阳,刘宪庆.气浮筒型基础结构垂荡水动力系数研究J.中国海洋大学学报(自然科学版),2015,45(12):113-118.6 丁红岩,石建超,张浦阳,刘宪庆.气浮筒型基础结构横荡及纵摇水动力系数研究J.水动力学研究与进展 A辑,2015,30(05):516-525.7 丁红岩,霍思逊,张浦阳,张思瑜,刘宪庆.气浮筒型基础结构规则波中运动响应J.船海工程,2015,44(02):115-119.8 张杰.风电基础的拖航影响因素分析J.山西建筑,2015,41(09):37-39.9 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