中等水深10MW張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)動力特性研究

韓彥青，鞏慶濤，徐勝男，楚勝濤

（1.魯東大學(xué)a.水利工程學(xué)院；b.蔚山船舶與海洋學(xué)院，山東煙臺 264025；2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；3.山東省海上航天裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，山東煙臺 264004）

0 引 言

我國東南部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，但能源緊缺。開發(fā)海上風(fēng)能資源，有效改善能源供應(yīng)和環(huán)境問題，已成為我國“30·60”目標(biāo)中能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的一項(xiàng)重要內(nèi)容。為了更大程度上地利用海上風(fēng)能資源，《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016-2030年）》已將遠(yuǎn)海深水風(fēng)電場設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)及大型浮式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)列為未來重要的創(chuàng)新突破方向。

目前，我國對于海上浮式風(fēng)機(jī)的研究與規(guī)劃仍處于初期階段。與歐美等國家近海水深大（大部海域水深在100 m 以上）相比，我國近海大部海域水深較小，從風(fēng)電場選址水深方面考慮，我國浙江、福建、廣東等省東南部離岸100 km 以內(nèi)、中等水深（50～100 m）海域適合采用浮式風(fēng)機(jī)發(fā)展海上風(fēng)電[1]，同時(shí)這些海域也是風(fēng)能資源更加集中的區(qū)域[2]。從海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式方面考慮，張力腿式基礎(chǔ)和半潛式基礎(chǔ)吃水較小，安裝水深靈活，較為適宜于我國東南沿海中等水深海域。相對于半潛式浮式風(fēng)機(jī)，張力腿式浮式風(fēng)機(jī)通過基礎(chǔ)（支撐平臺）產(chǎn)生大于結(jié)構(gòu)自重的浮力及系泊系統(tǒng)預(yù)張力平衡來保持穩(wěn)定，其受外界載荷所引起的運(yùn)動幅度小，風(fēng)機(jī)發(fā)電較為穩(wěn)定，并且不需要分散、復(fù)雜的系泊系統(tǒng)和壓載系統(tǒng)，但技術(shù)難度相對較大。國外有美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室[3]、麻省理工學(xué)院[4]、挪威科技大學(xué)[5]、GICON公司[6]等，國內(nèi)有上海交通大學(xué)[7]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[8]、天津大學(xué)[9]、江蘇科技大學(xué)[10]等科研機(jī)構(gòu)學(xué)者陸續(xù)開展了張力腿式浮式風(fēng)機(jī)的相關(guān)研究，提出了多種概念模型，部分項(xiàng)目正在規(guī)劃建設(shè)兆瓦級樣機(jī)階段。

海上張力腿式浮式風(fēng)機(jī)主要由風(fēng)電機(jī)組、塔筒、基礎(chǔ)（支撐平臺）及系泊系統(tǒng)四部分組成。浮式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)水深是一個(gè)重要的參數(shù)，它影響著系泊系統(tǒng)長度、剛度和基礎(chǔ)的吃水、排水體積等主要參數(shù)的確定，進(jìn)而影響到浮式風(fēng)機(jī)的運(yùn)動與結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)。美國麻省理工學(xué)院Sclavounos等[11]研究了不同水深下張力腿式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)動、系泊系統(tǒng)的靜力和動力以及作用在錨上的最大張力等參數(shù)，研究指出隨著水深的減小，浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)動響應(yīng)將會增大，甚至可能不能滿足設(shè)計(jì)要求。Bachynski[12]研究了100 m、150 m 及200 m 水深下張力腿式浮式風(fēng)機(jī)典型固有周期的變化，發(fā)現(xiàn)隨著水深的增加，基礎(chǔ)橫蕩/縱蕩、垂蕩周期明顯增加，這些運(yùn)動關(guān)系著發(fā)電的波動性及支撐結(jié)構(gòu)壽命。特別是在水深較小時(shí)，張力腿系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，非線性影響也更加明顯。

為了深入研究張力腿式浮式風(fēng)機(jī)的動力特性，學(xué)者們建立了相對完善的時(shí)域動力分析模型。美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL[3]、挪威科技大學(xué)Moan教授課題組[12]等多個(gè)科研機(jī)構(gòu)基于多體動力學(xué)提出了浮式風(fēng)機(jī)空氣動力-水動力-結(jié)構(gòu)動力-控制系統(tǒng)耦合的數(shù)值分析方法，可以考慮到浮式風(fēng)機(jī)復(fù)雜的非線性及瞬時(shí)動力特性，如張力腿浮式風(fēng)機(jī)在隨機(jī)風(fēng)浪載荷下的動力響應(yīng)，風(fēng)機(jī)變槳故障停機(jī)對塔筒、基礎(chǔ)產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)等[13]。另外，張力腿式浮式風(fēng)機(jī)不同部位的結(jié)構(gòu)固有振動頻率不同，范圍可以從0.02 Hz（基礎(chǔ)縱蕩頻率）到5 Hz（二階基礎(chǔ)縱搖、塔筒彎曲振動頻率）。這些結(jié)構(gòu)振動頻率可能與波浪頻率或者葉輪轉(zhuǎn)動頻率1P和葉片通過頻率3P相近產(chǎn)生共振響應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生破壞。張力腿浮式風(fēng)機(jī)在外界風(fēng)浪載荷作用下將會表現(xiàn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性。

因此，針對我國東南部海域中等水深特點(diǎn)設(shè)計(jì)的張力腿浮式風(fēng)機(jī)，基礎(chǔ)（支撐平臺）和系泊系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)及中等水深條件下張力腿浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響仍需更加深入的研究。本文基于我國東南部中等水深海域環(huán)境及載荷特點(diǎn)（本文以60 m 為例），提出一種小水線面、淺吃水、可自浮整體拖航運(yùn)輸安裝的張力腿浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)。通過對結(jié)構(gòu)主尺度參數(shù)的優(yōu)化分析，選擇適宜的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式及尺寸，并對其在工作海況和極端海況下的結(jié)構(gòu)非線性動力響應(yīng)進(jìn)行研究，驗(yàn)證其適宜性。

1 張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式

本文提出的海上張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)理念如下：（1）在位狀態(tài)下，基礎(chǔ)的水線面面積小，主要結(jié)構(gòu)淹沒在水面下一定深度，使基礎(chǔ)受波浪載荷小（具有較優(yōu)的水動力性能），同時(shí)，較小的水線面也使得在大潮差海域極端水位的變化不會引起較大的系泊載荷變化；（2）在位狀態(tài)下，基礎(chǔ)通過張緊系泊與海床相連，整體運(yùn)動性能較好，結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力較小，發(fā)電穩(wěn)定（較優(yōu)的動力特性）；（3）基礎(chǔ)吃水小，適用水深范圍較廣；（4）整機(jī)拖航運(yùn)輸工況下，基礎(chǔ)吃水較淺，可連同上部風(fēng)機(jī)一起整體浮運(yùn)拖航，浮運(yùn)拖航穩(wěn)性由基礎(chǔ)在拖航狀態(tài)下較大的水線面提供（以增加施工安全性、減小施工安裝成本）。

鑒于以上設(shè)計(jì)理念，本文提出一種小水線面、淺吃水、可自浮整體拖航運(yùn)輸安裝的張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，如圖1 所示。浮式風(fēng)機(jī)由DTU-10 MW 海上風(fēng)電機(jī)組[14]、塔筒、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和四組張緊的系泊纜繩組成，其中，風(fēng)電機(jī)組及塔筒的主要參數(shù)如表1所示。

圖1 張力腿浮式風(fēng)機(jī)及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic layout of the TLP wind turbine

表1 DTU-10MW海上風(fēng)電機(jī)組及塔筒主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the DTU-10 MW wind turbine

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主尺度參數(shù)、質(zhì)量、排水體積和系泊預(yù)張力參數(shù)為本文的主要設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式是在文獻(xiàn)[15]潛式張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式上進(jìn)行優(yōu)化后得到的，如圖1所示，包括中央立柱、下部邊立柱、上部邊立柱、浮筒和橫撐，其中中央立柱頂部與風(fēng)機(jī)塔筒底部相連，具體尺寸參數(shù)符號見表2。

表2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主尺度參數(shù)符號表示Tab.2 Symbols of the main dimension parameters of the floating foundation

2 設(shè)計(jì)參考依據(jù)

在深入分析相關(guān)文獻(xiàn)及設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出了適用于本文中張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考依據(jù)：

（1）單位兆瓦鋼材質(zhì)量

材料用量在一定程度上影響張力腿浮式風(fēng)機(jī)的成本。James 等[16]總結(jié)了近年來多個(gè)半潛式、Spar式和張力腿浮式風(fēng)機(jī)單位兆瓦鋼材的用量，并指出張力腿浮式風(fēng)機(jī)單位兆瓦鋼材用量最小。Soares等[17]提出張力腿浮式風(fēng)機(jī)單位兆瓦質(zhì)量小于225 t的建議（水線面以上和以下鋼材厚度分別取0.035 m和0.04 m）。因此，對于10 MW 海上風(fēng)機(jī)，本文設(shè)計(jì)的張力腿浮式風(fēng)機(jī)所用鋼材質(zhì)量控制在2250 t 以內(nèi)。

（2）縱蕩、垂蕩、縱搖周期

為防止基礎(chǔ)與一階波浪載荷發(fā)生共振效應(yīng)，基礎(chǔ)縱蕩、橫蕩的自振周期應(yīng)大于25 s，基礎(chǔ)垂蕩、橫搖、縱搖的自振周期應(yīng)小于5 s，并避免接近風(fēng)機(jī)運(yùn)行1 P及3 P頻率[12]。

（3）拖航吃水及拖航穩(wěn)性

可自浮拖航是本文提出的張力腿浮式風(fēng)機(jī)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸初步確定時(shí)，需要考慮其拖航吃水與拖航穩(wěn)性。在運(yùn)輸安裝過程中，張力腿浮式風(fēng)機(jī)整體穩(wěn)性至關(guān)重要，參考海上石油天然氣行業(yè)及在前期研究[18]的基礎(chǔ)上，提出拖航吃水及拖航穩(wěn)性的設(shè)計(jì)要求：拖航吃水小于6 m，初穩(wěn)性高度大于1 m。

（4）其他參考依據(jù)

為減小張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的水動力載荷，應(yīng)使在位時(shí)的基礎(chǔ)具有較小的水線面面積。考慮到基礎(chǔ)后期運(yùn)行維護(hù)平臺需求，設(shè)計(jì)的中央立柱直徑應(yīng)略大于塔筒底部直徑（8.3 m）。下部邊立柱高度在滿足拖航穩(wěn)性要求下盡量小，使大部分浮體體積潛于靜水面一定距離。

3 分析方法及動力模型

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)估算

根據(jù)浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主尺度、設(shè)計(jì)吃水、設(shè)計(jì)水深參數(shù)，通過編制計(jì)算表格可估算基礎(chǔ)質(zhì)量M、排水體積?，進(jìn)而求得系泊系統(tǒng)預(yù)張力：

式中，ρ為海水的密度，M為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的總質(zhì)量。

基礎(chǔ)附加質(zhì)量Aij、靜水回復(fù)剛度Cij及系泊系統(tǒng)剛度Kij可根據(jù)基礎(chǔ)主尺度、系泊纜繩截面及材料屬性參數(shù)近似求得[5,19]，進(jìn)而通過下式求得不考慮耦合效應(yīng)基礎(chǔ)不同自由度的自振周期Tn：

整機(jī)拖航吃水可根據(jù)無系泊時(shí)的整機(jī)質(zhì)量及水線面面積求得。初穩(wěn)性高-- ——GMw可通過下式求得：

式中，K為中央立柱底點(diǎn)，B為基礎(chǔ)在拖航狀態(tài)下的浮心，Mw點(diǎn)為穩(wěn)心，G為整機(jī)重心為穩(wěn)心半徑。

式中，IXX為水線面面積關(guān)于X軸的二階矩。

根據(jù)設(shè)計(jì)參考依據(jù)對表2中參數(shù)進(jìn)行估算并初步選定基礎(chǔ)方案。

3.2 頻域分析

基于三維勢流理論及莫里森方程，開展張力腿浮式基礎(chǔ)頻域水動力分析，分析內(nèi)容包括：附加質(zhì)量、輻射阻尼和一、二階波浪傳遞函數(shù)等參數(shù)。這些參數(shù)都與平臺幾何形式、入射波頻率及方向、與海床和自由液面的距離等因素有關(guān)。采用挪威船級社開發(fā)的頻域水動力軟件Wadam[20]建立張力腿浮式基礎(chǔ)模型，并計(jì)算以上各參數(shù)。軟件基于三維勢流理論和莫里森方程：即在進(jìn)行大尺度物體波浪載荷計(jì)算時(shí)采用三維勢流理論，對于小尺度細(xì)長物體波浪載荷則采用莫里森方程計(jì)算。

3.3 時(shí)域耦合動力分析模型

張力腿浮式風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中會受到環(huán)境載荷作用，如風(fēng)載荷、水動力載荷、系泊系統(tǒng)載荷等。時(shí)域耦合動力分析模型可表示為

式中，M為張力腿浮式風(fēng)機(jī)質(zhì)量矩陣，A為附加質(zhì)量矩陣，ζ為基礎(chǔ)六自由度運(yùn)動，K為剛度矩陣，F(xiàn)w為氣動載荷，F(xiàn)I為波浪激勵力項(xiàng)，F(xiàn)d為拖曳力項(xiàng)，F(xiàn)c為輻射阻尼力項(xiàng)，F(xiàn)m為系泊系統(tǒng)載荷。采用美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的OPENFAST軟件進(jìn)行建模，并對正常和極端海況下的結(jié)構(gòu)動力特性進(jìn)行分析，參考我國《海上浮式裝置入級規(guī)范》[21]等標(biāo)準(zhǔn)，采用湍流風(fēng)及隨機(jī)波浪對海況進(jìn)行模擬，其中湍流風(fēng)采用根據(jù)IEC 61400-3提供的Kaimal風(fēng)速譜，隨機(jī)波浪采用Jonswap譜生成，風(fēng)及波浪作用方向沿圖1中的x軸正向，未考慮海流影響，具體海況及環(huán)境參數(shù)見表3。

表3 海況及環(huán)境參數(shù)Tab.3 Sea states and environmental parameters

4 研究結(jié)果

4.1 參數(shù)估算結(jié)果

采用表格估算方法對不同水深條件下張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)質(zhì)量、排水體積、系泊系統(tǒng)預(yù)張力、自振周期、拖航吃水等參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，確定三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)方案，其主尺度參數(shù)見表4。其中基礎(chǔ)方案TLP1與TLP2質(zhì)量相近，排水體積及預(yù)張力相差較大；TLP2與TLP3預(yù)張力相近，質(zhì)量與排水體積相差較大。為了減小水線面面積，將三種方案的中央立柱直徑D1選定為9 m。

表4 不同張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)方案屬性Tab.4 Attributes of the tension leg platform wind turbines

4.2 頻域分析結(jié)果

本節(jié)從附加質(zhì)量、勢流阻尼、一階及二階波浪載荷等頻域水動力參數(shù)對三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)特性進(jìn)行對比分析。

圖2所示為三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)縱蕩、垂蕩及縱搖方向附加質(zhì)量隨頻率的變化曲線。圖2（a）中，浮式風(fēng)機(jī)TLP1、TLP2 的縱蕩方向附加質(zhì)量明顯大于TLP3 的縱蕩附加質(zhì)量；如圖2（b）所示，TLP1、TLP2的垂蕩附加質(zhì)量小于TLP3的垂蕩附加質(zhì)量，這是由于TLP1、TLP2較大的下部邊立柱高度H2、浮筒高度h1及長度（L-D2）能夠提供較大的縱蕩附加質(zhì)量，而TLP3中較大的下部邊立柱直徑D2及浮筒寬度b1則提供了較大的垂蕩附加質(zhì)量。三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)縱蕩及垂蕩附加質(zhì)量隨頻率變化較小。圖2（c）中，較大的TLP2 縱搖附加質(zhì)量與其具有較大的排水體積密切相關(guān)，且縱搖附加質(zhì)量隨頻率的變化更為明顯。

圖2 附加質(zhì)量Fig.2 Added mass

圖3為三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)縱蕩、垂蕩及縱搖方向勢流阻尼隨頻率的變化曲線?？梢钥闯鋈N浮式風(fēng)機(jī)各方向的勢流阻尼隨頻率變化的規(guī)律類似，但幅值大小略有不同。浮式風(fēng)機(jī)TLP1及TLP2具有較大的縱蕩勢流阻尼，TLP3則具有較大的垂蕩勢流阻尼，三種浮式風(fēng)機(jī)縱搖勢流阻尼幅值相差不大。

圖3 勢流阻尼Fig.3 Potential damping

前面提到，本文中張力腿浮式風(fēng)機(jī)在位狀態(tài)下具有較小的水線面，通過采用基于三維勢流理論的頻域水動力軟件WADAM 計(jì)算了三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)一階波浪載荷及二階和頻波浪載荷。由于三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)均在水面以下一定距離，水線面面積大小相同，故縱蕩及縱搖方向一階波浪載荷幅值及變化規(guī)律相似，如圖4（a）及4（c）所示。由于TLP3中較大的下部邊立柱直徑D2及浮筒寬度b1，其受到的垂蕩方向一階波浪載荷更加明顯，見圖4（b）。圖5 為浮式風(fēng)機(jī)TLP1 縱蕩、垂蕩及縱搖方向二階和頻波浪載荷，可以看出，其幅值明顯低于一階波浪載荷。

圖4 一階波浪載荷Fig.4 First-order wave forces

圖5 張力腿浮式風(fēng)機(jī)TLP 1二階和頻波浪載荷Fig.5 Second-order sum-frequency wave forces on TLP 1

4.3 時(shí)域分析結(jié)果

為了研究三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)在中等水深下的結(jié)構(gòu)動力特性，本文采用時(shí)域耦合分析方法對不同海況下的張力腿浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動響應(yīng)、塔筒底部彎矩及系泊系統(tǒng)載荷變化等動力特性進(jìn)行更加深入的分析，并在時(shí)域分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)的動力特性進(jìn)行頻譜分析。

圖6所示為海況LC2下三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)動力響應(yīng)時(shí)程曲線，圖7所示為不同海況下三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值，圖8 為海況LC2 下張力腿浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動響應(yīng)功率譜密度，圖9 為海況LC4下張力腿浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動響應(yīng)功率譜密度。

圖6 LC2海況下三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)動力響應(yīng)Fig.6 Dynamic responses of the three TLP wind turbines in LC2

從圖7（a）～（d）中可以得到，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常的海況下（LC1、LC2），張力腿浮式風(fēng)機(jī)TLP1 的縱蕩（圖7（a）～（b））標(biāo)準(zhǔn)差及最大值均略大于其他兩種結(jié)構(gòu)，而在惡劣海況風(fēng)機(jī)停機(jī)情況下（LC3、LC4），TLP1 的縱蕩（圖7（c）～（d））平均值及最大值均小于其它兩種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)果可以通過對比圖8（a）及圖9（a）分析得到：在風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常的海況下，張力腿浮式風(fēng)機(jī)的縱蕩運(yùn)動主要由風(fēng)載荷引起，由于TLP1 的縱蕩自振頻率較其它兩個(gè)結(jié)構(gòu)小，風(fēng)載荷引起TLP1 縱蕩自振頻率下的縱蕩運(yùn)動更加明顯，正常海況下浮式風(fēng)機(jī)縱蕩頻率遠(yuǎn)離波浪頻率，不會發(fā)生較大的波頻縱蕩響應(yīng)；而在惡劣海況下，由于TLP3的縱蕩自振頻率較大，更加接近波浪頻率，并且其質(zhì)量及附加質(zhì)量均小于其它兩種結(jié)構(gòu)，更有可能發(fā)生較大的波頻縱蕩運(yùn)動。如圖7（e）～（h）所示，三種浮式風(fēng)機(jī)垂蕩統(tǒng)計(jì)規(guī)律與縱蕩類似，即在風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常的海況下，TLP1垂蕩較大；在惡劣海況下，TLP3的垂蕩更加明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)閺埩ν雀∈斤L(fēng)機(jī)的低頻垂蕩響應(yīng)主要是由縱蕩引起的下沉效應(yīng)（set-down）而產(chǎn)生，在高頻處，浮式平臺的垂蕩自振頻率可以很好地避開一階波浪的頻率，不會與一階波浪發(fā)生明顯的共振響應(yīng)；在惡劣海況下，TLP3 較大的波頻縱蕩引起了更加明顯的垂蕩響應(yīng)。三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)的縱搖運(yùn)動規(guī)律類似，在正常及惡劣海況下，縱搖運(yùn)動主要受波浪影響，尤其是對于基礎(chǔ)質(zhì)量及排水體積均較小的TLP3 來說，縱搖運(yùn)動更加顯著。

圖7 不同海況下三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特性Fig.7 Statistical values of the TLP wind turbines'motion responses in different LCs

圖8 海況LC2下三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動響應(yīng)功率譜密度Fig.8 Power spectral densities of the TLP wind turbines'motion responses in LC2

圖9 海況LC4下三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動響應(yīng)功率譜密度Fig.9 Power spectral densities of the TLP wind turbines'motion responses in LC2

圖10所示為不同海況下三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值。圖11和圖12所示分別為海況LC2和LC4下的張力腿浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)功率譜密度。

圖10 不同海況下三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)載荷響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特性Fig.10 Statistical values of the TLP wind turbines'structural responses in different LCs

從圖10（a）～（d）中可以得到，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行海況下（LC1、LC2）及惡劣海況下（LC3、LC4），張力腿浮式風(fēng)機(jī)TLP1 塔筒底部彎矩My的標(biāo)準(zhǔn)差及最大值均小于其他兩種結(jié)構(gòu)。從圖11（a）可以分析得到，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行海況下塔筒底部彎矩My主要受波浪影響，在惡劣海況下My主要受波浪及基礎(chǔ)縱搖運(yùn)動影響，且對于基礎(chǔ)質(zhì)量及排水體積均較小的TLP3影響更加明顯。從圖10（e）～（h）及圖10（i）～（l）可以看出，風(fēng)機(jī)運(yùn)行海況及惡劣海況下，上下風(fēng)向系泊張力具有類似的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。這主要是因?yàn)樯舷嘛L(fēng)向系泊張力均受波浪影響較為明顯（圖11（b）～（c）），對于基礎(chǔ)質(zhì)量及排水體積均較大的TLP1，其系泊張力較小；在惡劣海況下（圖12（b）～（c）），由基礎(chǔ)縱搖及垂蕩運(yùn)動引起的系泊張力變得更加顯著，尤其是對于TLP3，基礎(chǔ)垂蕩引起的系泊張力變化比其它兩種張力腿結(jié)構(gòu)更加明顯。

圖11 海況LC2下三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)功率譜密度Fig.11 Power spectral densities of the TLP wind turbines'structural responses in LC2

圖12 海況LC4下三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)功率譜密度Fig.12 Power spectral densities of the TLP wind turbines’structural responses in LC4

綜上所述，張力腿浮式風(fēng)機(jī)TLP1、TLP2 的基礎(chǔ)質(zhì)量及運(yùn)動自振周期符合設(shè)計(jì)參考依據(jù)；TLP3 的基礎(chǔ)質(zhì)量較小，預(yù)張力較大，縱蕩自振周期小于25 s，可能與一階波浪載荷發(fā)生共振，產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。通過三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)在運(yùn)行及惡劣海況下的基礎(chǔ)運(yùn)動、塔筒底部彎矩、系泊張力對比分析可以得到，張力腿浮式風(fēng)機(jī)TLP1具有較優(yōu)的動力性能。

5 結(jié) 論

本文針對我國東南部海域中等水深及環(huán)境載荷特點(diǎn)，基于某10 MW海上風(fēng)機(jī)，提出了一種小水線面、淺吃水、可自浮整體拖航運(yùn)輸安裝的張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計(jì)對比分析三種不同主尺度、基礎(chǔ)質(zhì)量及排水體積的張力腿浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，得到如下結(jié)論及建議：

（1）對于中等水深張力腿的設(shè)計(jì)，其縱蕩自振周期應(yīng)大于25 s，以避開常見一階波浪周期。在不增加基礎(chǔ)質(zhì)量的前提下，可以通過加大底部浮筒的高度，減小其寬度，從而增加縱蕩的附加質(zhì)量及勢流阻尼。

（2）當(dāng)張力腿浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)質(zhì)量較?。▎挝徽淄哔|(zhì)量小于180 t）時(shí)，可能引起較大的基礎(chǔ)運(yùn)動、塔筒底部彎矩及系泊張力等動力響應(yīng)。

（3）對于張力腿浮式風(fēng)機(jī)來說，預(yù)張力較大導(dǎo)致系泊成本增加，且并不一定得到較優(yōu)的動力性能，尤其是對于中等水深處張力腿浮式風(fēng)機(jī)，預(yù)張力越大，縱蕩自振周期越小，可能與一階波浪載荷發(fā)生共振。