Spar式风力机平台设计及水动力影响因素研究

针对NREL5MW风力机设计Spar式风力机平台并采用频域分析方法对该平台的水动力性能进行分析,研究纵荡板、平台工作水深以及重心高度对其水动力性能的影响。研究表明,垂荡板可将Spar平台的垂荡响应峰值降低至无垂荡板时峰值的1/3。当水深大于设计吃水的4倍时,水深对垂荡运动影响很小,这说明Spar风力机平台适合工作在水深大于4倍平台设计吃水的海域。当加压载后,平台重心低于设计重心的距离在0!0.8倍的设计重浮心距离范围内时,Spar风力机平台实际重心位置的偏离对平台的水动力性能影响较小。分析结果将为海上浮式风力机支撑平台的设计以及水动力性能研究提供参考。

新型多柱式SPAR平台的结构强度初步分析

柱体式平台(Spar)因其在深水作业环境中具有出色的稳定性、安全性、经济性,被业界认为是最具发展前景的超深水海洋石油平台类型。本文在已有Spar平台的基础上提出了一种新型的多柱式Spar平台,并对该新型Spar平台的主体外型进行了概念设计,确定了结构主尺度参数;利用ANSYS软件对该新型Spar平台进行结构建模和网格划分,初步分析了平台的主体结构强度,通过分析得出了该平台的结构受力关键点和薄弱点,为以后的平台结构详细设计提供参考。结果表明,新型多柱式Spar平台在设计上基本合理,满足深海工作条件。本文对Spar平台的后续研究具有一定参考意义。

新型多立柱式Spar平台涡激运动特性研究

通过数值模拟和模型试验方法对一新型的 Spar 平台———多立柱式 Spar 平台的涡激运动特性进行研究。平台硬舱为四根圆柱方形阵列布置加方形中心井的形式，各柱间会产生复杂的相互干扰，不同于常规的单立柱 Spar 平台或半潜式平台，因此对其开展相应的涡激运动研究具有重要意义。研究主要关注的是不同来流角、不同流速下平台的涡激运动特性。通过涡激运动时的横荡运动、水平面内运动轨迹、首摇运动和水动力系数及绕流流场的分析，可得：在折合速度约为6-8范围内，平台横荡运动存在明显的“锁定”现象（0°来流角无侧板时“锁定”范围约为 Ur ＝7-10）。在0°来流角下较高流速时，减涡侧板对涡激运动有明显的抑制效果。平台的运动轨迹近似与平台硬舱截面的对角线平行（0°来流角除外），这不同于常规的单立柱 Spar 平台。此外，试验中还观察到较明显的首摇运动。涡激运动时各柱间绕流存在复杂的相互干扰，而在柱后形成共同的涡结构。

基于灰色关联的深水浮式油气开发平台选择

为了选择特定深水条件下合适的油气钻采平台,提出基于灰色关联理论的深水浮式油气开发平台选择方法,并对该方法进行了验证。通过分析深水浮式平台选择影响因素,确定了13种主要影响因素,并统计归纳了65座全球目前运行良好的深水浮式油气开发平台(包括张力腿平台、深吃水立柱式平台、半潜式平台和浮式生产储油装置)的相关数据。以某待开发深水油田为例给出了平台选择的具体方法:以该油田平台影响因素序列为参考序列,利用灰色关联分析法计算得到各平台影响因素序列与参考序列的关联度,选出关联度最高的平台为最优平台。通过2个算例验证了方法的可行性和可靠性。

一种新型立柱式平台的垂荡板设计

SPAR平台大多需要满足干式井口作业要求,对平台的垂荡性能要求较高。为降低平台的垂荡运动响应,通常在SPAR平台的桁架段设置垂荡板以增加垂荡阻尼和附加质量。以某新型立柱式平台(SPAR)为研究对象,对不同间距设置和型式的垂荡板进行性能分析,确定了平台的垂荡板的最终设计方案。

一种新型SPAR深水平台的总体压载方案设计

通过对一种新型四柱式SPAR平台扶正和服役状态时的压载总体方案研究,设计了一种借助海水压载的扶正方案以及服役状态时的可调压载系统方案。该方案可有效的实现平台自身的扶正并满足服役作业状态的压排载要求。

海上浮式风机运动对风机结构载荷影响研究

为了研究风机的叶片及塔柱的结构载荷问题,本文应用空气动力-水动力耦合动态分析模型,模拟风机系统在非定常风场和规则波作用下的单自由度运动响应,并对比和分析风机系统的三种纵向运动对叶片和塔柱结构载荷的影响。研究结果显示:运动响应幅度很大程度上增加了风机的结构载荷,因此降低风机的叶片及塔柱的结构载荷应成为海上风机设计中的重要环节。本文揭示了海上浮式风机的运动对结构载荷的影响特征,为更大兆瓦级浮式风机系统的设计提供优化方向。

水轮机位置对Spar式风-流系统动力响应的影响

为研究水轮机安装位置对Spar式风-流互补系统耦合动力学特性的影响,基于开源软件OpenFAST和商用软件AQWA建立了Spar式风-流互补系统气动-水动-伺服-弹性全耦合仿真模型。运用叶素动量理论、模态法和辐射绕射理论分别计算了水轮机安装于水平面以下-70,-80,-90,-100和-110 m处的平台运动、系统输出功率及系泊张力,并与无水轮机时的计算结果进行对比分析。结果表明:当水轮机安装于水平面-110 m时,与无水轮机时相比平台纵摇平均值降低了11.57%,系统输出功率增加10.15%,说明Spar式风-流互补系统在提升功率的同时还可以增强系统运动稳定性。

经典式Spar平台垂荡-纵摇耦合混沌运动研究

该文基于Lyapunov指数研究经典式Spar平台主体垂荡-纵摇非线性耦合的混沌运动。建立了规则波浪中平台主体垂荡-纵摇耦合非线性微分方程,以经典式Spar平台为例,数值计算了响应的最大Lyapunov指数谱及分岔图,在波高和波浪频率构成的平面上,计算了平台不稳定纵摇运动的参数域。结果表明,平台运动形式对波浪激励频率非常敏感,随着波浪频率的改变,Spar平台发生1/2亚谐运动、概周期运动,当波浪频率接近垂荡固有频率时,发生混沌运动。