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漂浮式潮流电站总体方案网上赌龙虎怎么玩设计

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  内容提示:哈尔滨工程大学硕士学位论文漂浮式潮流电站总体方案设计姓名:王志超申请学位级别:硕士专业:流体力学指导教师:张亮201103 漂浮式潮流电站总体方案设计摘要海洋潮流能是一种清洁的可再生能源,其利用价值高,且潜力巨大。在能源不断发展的21世纪,潮流能必将占有重要的地位。因此,开发利用潮流能已经成为我国,乃至于全世界关注的焦点。我国拥有相当长的海岸线,其中蕴含着丰富的海洋资源,开发利用海洋能源已成为我国首要任务。目前全世界已运行的潮流电站主要有三种形式:漂浮式、桩柱支撑式和坐底式。国内运行的电站多为漂浮式和坐底式。本文以国家科技支撑项目为依托,...

  哈尔滨工程大学硕士学位论文漂浮式潮流电站总体方案设计姓名:王志超申请学位级别:硕士专业:流体力学指导教师:张亮201103 漂浮式潮流电站总体方案设计摘要海洋潮流能是一种清洁的可再生能源,其利用价值高,且潜力巨大。在能源不断发展的21世纪,潮流能必将占有重要的地位。因此,开发利用潮流能已经成为我国,乃至于全世界关注的焦点。我国拥有相当长的海岸线,其中蕴含着丰富的海洋资源,开发利用海洋能源已成为我国首要任务。目前全世界已运行的潮流电站主要有三种形式:漂浮式、桩柱支撑式和坐底式。国内运行的电站多为漂浮式和坐底式。本文以国家科技支撑项目为依托,对在我国舟山海域,装机容量达150kW 的潮流电站进行总体设计。本文主要展开的工作有以下几部分:首先,进行潮流电站选型,确定最优电站载体的形式;其次,计算该载体的稳性和水动力性能;然后,预报水轮机载荷;最后评估载体结构强度。潮流电站选型主要从潮流电站的经济性、水轮机工作效率及载体稳性三个方面考虑。本文对三种形式的潮流电站进行比较,最终确定了使用双体船的载体形式,并对双体船进行初稳性和大倾角稳性计算。然后基于三维频域势流理论,应用H ydroStar水动力计算软件得到了在不同浪向下双体船的附加质量和附加阻尼、一阶水动力、二阶定常力和一阶运动RAO ,并对结果进行分析,提出了一些改进建议。准确预报船体载荷是船体结构评估的重要部分,本文使用基于动量定理的流管法计算水轮机在工作状态下产生的载荷和力矩,然后参照规范计算波浪载荷,最后使用Patran有限元软件进行结构分析,得出相应结论。本文研究表明,双体船式潮流电站能够满足150kW 水轮机工作要求,且自身结构满足中国船级社的要求。本文的研究工作为今后同类船型设计提供了参考。关键词:潮流电站;稳性;水动力性能;有限元法 漂浮式潮流电站总体方案设计AbstractTi dal energyi s a ki nd of cl eanrenew abl e resources w i thhi gh val ue.Ti dal energyw i l lpl ayani m portantrol e i n the 2 1thcentury.Therefore,the expl oi tati onand uti l i zati on of ti dalpow erw i l l be the focus ofChi na, even al l the w orl d.There are al ongcoastl i ne and ri ch ti dalresources i nChi na, the expl oi tati onand uti l i zati on of ti dal pow erhas becom e thepri m arytask.Presentl y, ti dalcurrentpow erstati ons havethreeform s,w hi chare thefl oati ng stati ons,thepi l l ar supportedand seabed stati ons.The i nstal l edpow erstati ons i n Chi na i ncl ude thefl oati ngstati ons and seabed stati ons.The m ai n w orks i n thi s thesi s i s thegeneral desi gnof a1 50kWfl oati ngti dalcurrentpow er stati on,w hi chi ssupported by The N ati onalKeyTechnol ogyResearch andDevel opm ent program .The contents ofthi s thesi s arepresentedasfol l ow i ng:Fi rstl y, theform of the ti dalcurrent pow erstati on i sdeterm i ned.Secondl ythestabi l i tyandhydrodynam i c perform anceal e cal cul ated.Thenthe turbi nes l oads arecom puted.Last,thestati on S structurestrengthi schecked.The stati on S form i ssel ectedby com pari ngthe i ndex of econom y, the turbi neseffi ci encyandstability.The com pari sonof threetype pow erstati on i si m pl em ented,andtheform of catam aran i s chosenfi nal l y.Theni ni ti alstabi l i tyandstabi l i tyat l arge angl eofi ncl i nati on of catam aran i sanal yzed.Accordi ngto the 3- Dpotenti alf l owtheory i n thefrequency dom ai n,added m ass anddam pi ng,fi rst-orderforces andm om ents,second.orderdraft forces and fi rstorder m oti ons of catam aran are cal cul atedby H ydroStarsoftw are.Theresul ts areanal yzedand som e advi ces aregi ven.The com putati onof theturbi nes l oadspl aysal li m portantm om ents al ecal cul ated,w hi chi s based on m om entumtheoryand streamtube m ethod.Thenrol e i nstructurestrength anal ysi sof catam aran.The turbi nes l oads andthe w ave l oads al e cal cul ated i n term s ofcri teri ons.Fi nal l yPatransofhvare,w hi ch i s theFEMsi m ul ati on softw are,i s used to anal yzethe structure strength,and concl usi oni sgenerated. 哈尔滨工程大学硕士学位论文Thestudyshow sthattheti dalcurrentpow erstati on sati sfi es1 50 kWturbi nesrequi rem ent,andthe structurestrengthsati sfi es therequi rem entsof Chi na Cl assfi cati onSoci ety.Theresearch w orks i n thi s thesi s w i l lprovi dereference for desi gnof the sanl etypeti dal currentpow erstati oni n future.Keyw ords:ti dal currentpow er stati ons;stabi l i ty;hydrodynam i c perform ance;FEM 第1章绪论第1章绪论1.1研究背景第一个看到地球模样的人是前苏联宇航员加加林,他在宇宙飞船“ 东方” 号中情不自禁地喊起来:“ 看哪,多美啊! 地球是蓝色的! 以后的宇航员都说,我们生活的地球应当叫水球【11。据卫星发回来的资料分析,整个地球表面的总面积约为51000万平方公里,其中陆地面积只有14900万平方公里,占地球总面积的29.2%,而海洋的总面积则为36100平方公里,占地球总面积的70.8%;全世界海洋里的总水量有13亿7千万立方公里,如果我们设想把海水拿出来做成一个水球的线公里。故海洋里含有大量的资源和能量。许多国家把合理有序地开发利用海洋资源和能源、保护海洋环境作为求生存、求发展的基本国策。利用海洋能发电既经济又不占用土地,不受气候影响,也不污染环境,实为利用价值极高、潜力巨大的可再生能源。我国东临太平洋,大陆海岸线多公里,海区面积几乎等于陆地面积的一半,大小岛屿有5000多个,我国还有900多个湖泊及l m 以上水深的可通航的河道100000多公里。从以上这些数据可以看出,我国是一个拥有巨大海洋能的国家,开发利用海洋能是我国现如今最重要的能源战略。海洋能等可再生清洁能源,取之不尽,是海岛能源稳定供应的最佳选择。而海洋能中的潮流能发电具有较高的能流密度,易于各种发电装置的开发,也适用于各种不同的客户,容易实现独立发电,是海洋能发电方式的首选。潮流能是由于海水水平流动进而产生的动能,主要是指在海底水道和海峡中存在着较为稳定的海水流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动,在这些稳定的流动中所产生的动能。潮流能的能量与流速的平方和流量成正比。潮流能量的储存形式是流体动能。要将流体动能转变为电能,就需要在海上建立潮流电站。而这种稳定、可靠、高效的潮流电站,则是船舶与海洋工程与机械、电力等工程结合于一体的高新科技产品。因此,潮流能的开发利用属于海洋高技术领域,而潮流电站更是各种工程领域的完美结晶体。全世界潮流能所估算的理论值约为108 kW 。据对全国130个水道的计算统计,我国沿岸海流能资源平均功率的理论值为1.39× 101 kW 。其中,海流能资源最丰富当属浙江省,全省包含37个水道,总理论平均功率为7.1x106kW ,约占全国海流能资源总量的一半以上。其余的资源分布在台湾、福建、辽宁等沿海省份,约占全国总量的42%。 哈尔滨T程大学硕+学位论文根据沿海能源密度,理论蕴藏量和开发利用等条件因素,最值得我国开发的海域当属舟山海域,如能源密度为25.9 kW /m 2的金塘水道、23.9 kW /m 2的龟山水道、19.1 kW /m 2的西侯门水道,其次是渤海海峡和福建的三都澳等,如能源密度为17.4 kW /m 2的老铁山水道、15.1 kW /m 2的三都澳三都角。以上海区均具有能量密度高,理论蕴藏量大,开发条件较好的优点,可优先开发利用【2】。在国家发改委于2007年制定的《可再生能源中长期发展规划》中,对海洋能没有给予足够的重视。而在2009年,《可再生能源法》( 修正案) 中却提高了海洋能的发展,将其基本与风能等其他新能源放在了相同的位置。这反映了国家对海洋能发电的重视程度。而本文主要设计的电站就是国内首个“ 大功率” 的潮流电站。潮流能的开发利用,对21世纪人类社会来说是十分重要的。而海洋能源利用的技术和经济前景将直接关系到我国在能源方面的发展,因而提高潮流能发电系统研发能力和技术水平成为我国迫在眉睫的任务。1.2潮流能利用技术现状潮流能相比于其他常规能源,有如下特点:( 1) 能量密度低,但总储藏量大,且属于可再生能源;( 2) 能量随着时间、空间的变化而变化,但其规律性也很明显;( 3) 开发、运行环境严酷,一次性投资巨大,装机造价较高。潮流能装置安装很方便,既可固定于海底、系泊于水中,也可漂浮于海面上。其优势很明显:不侵占农田,不迁移周围人口,不需要太多人管理,也不需建造堤坝,更不会影响航道的交通。由于潮流发电不燃烧矿物质,因此它不会对环境造成三废污染,也不存在常规能源发电造成的环境污染。总而言之,潮流发电是缓解能源供应紧张的有效途径之一。潮流发电的研究起源于20世纪70年代中期,近年来潮流能发电发展得特别迅速。当前,世界上很多国家都在进行潮流能装置的开发,但大多数都处于试验阶段。对于现在已有的原型机,其中的个别装置甚至已进行了并网发电试验。总体来说,现如今的潮流发电设备基本分为以下四类:( 1) 水平轴式水轮机,水轮机的转轴方向和流向是一致的,一般在水深大于25m的流层中使用。如图1.1为M CT公司制造的水轮机“ Sea Gen, 、图1.2为英国SM DH ydrovi si on设计的一种锚泊式水轮机Ti dEL。( 2) 垂直轴式水轮机,水轮机的转轴方向垂直于水流方向。如图1.3所示,意大利2 第1章绪论阿基米德桥公司( PDA) 设计的三叶片Kobol d水轮机。其最大的优势在于无论来流方向如何,水轮机都能正常发电。图1.1 SeaGen水轮机图1.2Ti dEL水轮机■罨图1.3 Kobol d水轮机图1.4“ Sti ngray”( 3) 震荡水翼式水轮机,该种方式水轮机的特点是水翼的往复运动代替旋转的叶片。图1.4为英国Engi neeri ng Busi ness设计的上下震荡获能装置“ Sti ngray 。( 4) 文丘里系统,该系统水轮机是基于伯努利效应,通过潮流流经狭窄道口产生的压力差来驱动水轮机工作,从而产生电能。1.2.1国外潮流能技术发展状况潮流能利用相比于其他海洋能利用起步较晚,始于70年代中期。美国和日本对于潮流能发电装置的研究较多。1973年美国提出了巨型水轮机发电机组系统,并将其大规模的使用在佛罗里达海流能利用方案中。1975年,日本利用黑潮的动能来发电。1976年,美国在佛罗里达进行了“ 低速海流转换器试验。80年代美国、日本等国家都在进行潮流能利用的试验,但是在这十年间潮流能装置没有实质性的进展,直到90年代初,才有了质的飞跃。 哈尔滨工程大学硕十学位论文90年代初,欧盟也开始关注潮流能。在他的资助下,英国的IT动力公司联合了几家相关公司开始了潮流发电的研究工作。于1994年,该公司设计的水下风车式水平轴潮流发电装置在苏格兰海域试验成功。此次试验为潮流能发电奠定了一个好的基础。1996年,阿基米德桥公司( PDA) 开始着手于垂直轴水轮机发电装置的研究工作。经过一系列试验的研究,于2003年120kW 的Kobol d潮流电站在意大利墨西拿海峡成功运行。1998年,英国爱丁堡大学的SM ter教授提出了1.2 M W 的无轴环形浮式直叶片水轮机与相应的潮流电站方案,引起了各个国家的热议。2003年,英国M CT公司联合多家机构开始研制水平轴式潮流发电装置( SeaFl ow ) ,它是世界上首台商业规模的潮流发电装置,并成功在英国布里斯托尔海峡进行试验,装机容量达300 KW 。其改进型潮流发电装置( SeaG en) 正在研制和调试中。2005年获得联合国工发组织( U N IDO ) 支持的阿基米德桥公司( PDA) ,开始与我国合作,准备在中国、菲律宾和印度尼西亚三个国家各自建立一个标志性的潮流示范电站。2000年至2010年间,韩国在其政府和工业界的支持下,他们分两个阶段在其南部海域进行潮流能利用商业开发,于2007年,在韩国的U l dol m ok水道成功完成了1 M W 装机【3】。2006年,EB公司发明了一种新的水轮机形式,该水轮机是利用潮流造成的叶片震荡来获得能量。这种水轮机装置在苏格兰研制成了示范样机,并在海上实验成功。近些年来,各种不同形式的水轮机装置如雨后春笋般出现。如图1.5所示,英国LunarEnergy公司开发的RTT( RotechTi dMTurbi ne) 装置,已于2007年完成了1 M W 的全尺寸装置试验。美国Arnol dEnergy Systei n8公司开发的O CPS水轮发电机,采用震荡梯级电站系统,并将其完全淹没于水中,使水轮机发电效率更高。澳大利亚Bi oPow erSystem s Pry公司设计的bi oW AVE系统,如图1.6所示,其原理是在海浪作用下,模拟海洋植物的摇摆运动,在漂浮叶片与振动叶片之间产生的动力耦合,使系统能够最大限度地吸收潮流斛4】。英国Atl anti s ResourcesCo.公司设计的N ereus潮流能装置,如图1.7所示,N ereus是专门为浅水工况设计的,其叶片以一定的倾斜角度安装在链式机构上,水轮机提取流体动能驱动链条转动,2008年7月,400kW 的N ereus潮流能装置进行了拖拽试验。目前,在全世界范围内都展开了海洋能利用技术的研究,英国与美国为研究比例较大的两个国家,其中英国对于海洋能技术开发的研究一直处于世界领先地位。加拿大,挪威,澳大利亚以及丹麦也在逐步跟进,并研发了一系列海洋能利用装置。全世界超过25个国家正在积极参与到海洋能的开发与利用中,潮流能必将是未来海洋能开发的重4 第1章绪论点。例1.5 RTT图1.6bi oW AVE系统图1.7N ereus潮流能装置通过上面的简单介绍,对当前的潮流发电装置进行了比较和分析,具体情况详见表表1.1国外潮流发电装置比较分析流速(m /s)装置名称公司国家功率技术特点载体方式发展现状SeaG enM CT英国2.251.2M W水平轴桩柱式投入使用水平轴,导流罩R.TTLunar Energy英国32M W坐底式PontediArchi m ede250KW在建Kobol d意大利2.040KW垂直轴漂浮式Engi neeri ngBusi ness150kW震荡型坐底式Sti ngray英国1.54O CPSArnol dEnergySystem s美国3.05200KW震荡型bi of倒矿目bi oSTREAMBi oPow er澳大利亚250KWSystem s Pty拨动型坐底式Robert G orden大学SeaSnai l英国震荡型坐底式建成使用Atl anti sResourcesN ereus英国400KWSM DTi dEL英国2.31M W水平轴漂浮式H ydrovi si on原型机已测试Ti dal Sai l sTi dal Sai l sAS挪威漂浮式1.2.2国内潮流能技术发展情况5 哈尔滨工程大学硕士学位论文国内潮流能技术起步较早,并在国内也受到了国家科技部和地方政府的大力支持,故在潮流发电方面具有良好的技术基础。但是在技术和工程建设方面与国外相比,还存在着一定的差距。1958年,我国首先在广东顺德和山东荣成进行了潮流能试验研究,这为我国潮流能发电奠定了较好的基础。1969年,当局在南京长江大桥下也进行了水流发电的试验,成为我国内河发电的雏形。1978年,一位浙江舟山的何世钧自费再次进行了潮流能发电试验,首先他将两台水平轴螺旋桨式水轮机装在船尾处,然后通过液压传动装置来带动发电机进行发电,此试验装置在舟山群岛西门侯水域下进行,流速在3 m /s的条件下,机组的输出功率可达5.7 kW ,如图1.8所示。图1.81978年潮流发电船图1.9龟山水道潮流实验电站80年代初,哈尔滨工程大学也开始着手于潮流能发电的研究,他们先后于1984年和1989年分别试验研究了60W 和1 kW 发电装置,并取得了阶段性的成功,随后哈尔滨工程大学又主要负责了“ 九五 国家科技攻关计划的70 kW 潮流试验电站项目。该电站采用漂浮式形式,由单体船载体、双转子水轮机、锚固系统、液压恒频发电与控制系统等共同组成。其水轮机则是采用垂直轴式,通过偏心机构可以实现转子的定向转动,以适应双向的潮流,发挥其最大的效率。并把该试验电站命名为万向I,如图1.9所示,此电站于2002年建造在浙江省岱山县龟山水道,工作水深为40.70 m ,电站距岸边100m ,万向I是当时亚洲上第一个漂浮式潮流能试验电站。而2003年哈尔滨工程大学又开始负责40 kW 潮流发电试验电站的实用化项目的研究,该项目属于国家863计划。这次研究主要是海底固定式垂直轴潮流能装置。该电站于2005年建成于岱山县的仙洲桥下,命名为万向II【引。2004年,浙江大学研究出了一种新型发电装置“ 水下风车,于2006年在岱山县进行了5 kW 模型样机试验,在流速为2 m /s的情况下,转速达到50 r/m i n,叶轮半径为1.3 m ,采用重力式安装方式【6】。2006年,东北师范大学在国家863探索类项目的支持下,成功研制出了l kW 水下漂浮式潮流发电装置。该装置主要的创新点是,它避免了反复调整水轮机浆距所带来的6 第1苹绪论麻烦,同时也成功的解决了水轮机在逆向水流工作时效率偏低的问题,并在此装置上采用了软轴的技术,将水轮机与垂直放置的发电机巧妙的连接到一起,减少了一些不必要的机械损失。2006年,国家863计划项目海洋潮流能驱动的柔性叶片发电设备研究,由机械科学研究总院与中国海洋大学联合承担,经过反复的实验和研究,他们提出一种与传统刚性叶片不同的柔性叶片技术,采用柔性材料,既改善了流场特性,又更加合理地利用了流体的升力与阻力特性,从而提高了能量利用率。中国海洋大学在其水槽中也进行了柔性叶片水轮机模型试验,并取得较好的试验结果。目前,在“ 十一五” 科技支撑计划的支持下,我国启动了一项千瓦级垂直轴潮流能示范电站工作,由哈尔滨工程大学等多家单位共同承担。这也象征着我国的潮流发电事业在世界上处于领先地位。通过以上这些成果,可以很明显的看出,中国经过几十年的研究,在水轮机水动力性能研究、总体模型试验研究、整体机构设计及电站总体设计等方面,都取得了较大的进步,其中的水轮机性能研究已处于世界领先地位。目前,中国潮流能利用研究主要还是基于实验室研究,现在正逐步从实验室进入实际海况下的应用研究阶段,要使潮流能技术向商业化产业化发展可能还需要很长的时间。特别是在如何有效地提高水轮机性能、网上赌龙虎怎么玩扩大单机容量、完善设计方法载体及锚泊系统的可靠性、电力并网技术以及电站群体化技术等方面还存在许多问题【J 71。1.3问题的提出漂浮式潮流电站总体方案设计课题是针对我国沿海岛屿电力供应不足的现象,而开发的可再生能源发电项目中的子项目,该项目隶属于国家科技支撑计划。本文所设计的潮流电站的载体是双体船式,发电机机组则是采用垂直轴水轮机。电站的设计是在已有研究基础上进行的改进和优化,从而得出了新的船型和结构形式。潮流电站的设计需要考虑诸多方面的因素,例如除了需要考虑船舶本身结构外,还需要考虑水轮机工作运转时对电站性能的影响;在环境恶劣时,考虑潮流电站如何抵御各种不良海况,从而降低双体船破损的机率;另外,该潮流电站需要长时间在海上运行,故必须考虑电站维护问题。双体船作为潮流电站载体要比其他形式的船体更具优势,双体船具有良好的稳性、耐波性及其宽敞的工作甲板,便于海上安装及对水轮机组的维护。但同时双体船的缺点也很明显,其水动力性能不好,需要对双体船进行较系统的优化和改进。最丰要的方式7 哈尔溟T程大学硕十学位论文是使用张紧式系泊来限制船舶的运动性能。结构上的特殊点,表现在双体船的中部设有大型起吊设备,这样能够便于在海上吊装水轮机组,并对其进行维修,但却给结构设计带来了巨大考验。本文设计的潮流电站是设立在舟山潮流水道中,水轮机发电机组搭建在双体船的中部,通过流体推动水轮机转动而产生电能。该电站上设有电力输送设备,时时刻刻将产生的电能传送至岸边控制室,经过变频控制与岸上电网连接,实现并网供电。潮流电站系统可以用图1.10表示。图1.10潮流发电系统本文提出并设计一种双体船式海洋潮流电站,通过理论分析和数值计算,进行了电站的选型、稳性研究、水动力和运动性能分析、水轮机载荷的准确预报和船体结构评估,并得出了一些可行性分析结论,为深入探索研究奠定了理论基础。1.4本文工作要点根据工程需求和技术要点,本论文侧重研究以下几部分:( 1) 进行潮流电站构型的选取;( 2) 进行双体船的稳性计算;( 3) 对潮流电站进行水动力性能分析;( 4) 计算潮流电站在外部载荷,最主要的是水轮机载荷和波浪载荷。龙虎赌博规则,( 5) 进行双体船的结构评估。 第2章潮流电站的选型和稳性计算第2章潮流电站的选型和稳陛计算在潮流电站的设计阶段,首先要进行电站形式的选取,然后根据工程和技术需求确定电站的主尺度,并计算其稳性。本章主要进行潮流电站形式的选取和稳性计算,为后续章节的水动力和结构计算做基础。2.1潮流电站载体的选型2.1.1电站的形式电站形式的选取,需要考虑以下几个限制因素和工程需求:( 1) 水轮机的安装位置和大小,确定电站载体的主尺度;( 2) 环境因素( 电站安装海域有无台风) ;(3)电站的经济性;本文所设计的潮流电站水轮机为竖轴水轮机,其安装位置位于潮流电站的中部,支撑结构可采用单点悬臂支撑或上下双端支撑,在设计中还需要考虑该海域内有台风经过。选取以下三种载体形式进行初步设计:半潜式平台结构,双体船结构形式,单体船形式。经过比较,双体船优于单体船 81,故本文只对半潜式和双体船进行比较。水轮机初步设计参数如表2.1表2.1水轮机的设计参数单位m /s名设计流速V最人流速V。。水轮机直径D装机容量N称数值2.5rrgs3.5mkWm8150弦展翼翼工作寿命长长型数O .96m8N ACA0018个笠5152.1.2电站主尺度根据以上水轮机的尺寸要求和安装要求,确定电站主尺度。以下主要对半潜式和双体船式潮流电站的主尺度进行计算。2.1.2.1半潜式潮流电站主尺度半潜式电站的形式主要是四立柱和双浮体的形式。水轮机位于半潜平台的中间,采9 哈尔滨工程大学硕士学位论文用两端支撑,以保证水轮机的结构稳定性。当水轮机功率为150kW ,其直径为8m 时,计算所得的具体参数详见表2.2。表2.2半潜式潮流电站主尺度项目单位数值片体长度( L)m14.2片体宽度( b)m2.1片体型深( D )m1.6片体中心间距( 1)m12.1半潜式潮流电站的优势在于其宽敞的工作甲板,良好的水动力性能,方便的系泊系统,另外,双支点水轮机运行状态较单支点稳定,水轮机的安装、维修都很方便。但同时它也存在明显的缺点,半潜式平台造价较高,稳性比较差,工作人员在平台上很容易出现不适症状,不适合人员长期工作。当平台运动时,一方面水轮机的叶片上缘很容易出水,并产生一定的倾斜角;另一方面,尽管水轮机两边与圆柱间各留了一定的距离,但是平台立柱产生的绕流,这些都会影响水轮机的工作效率。叶片反复出入水对水轮机的工作寿命也造成了一定影响。综合多方面考虑,半潜式平台作为潮流电站载体并不是很完善的方案,还需要进视图,如图2.1所示。图2.1半潜式潮流电站总体视图2.1.2.2双体船式潮流电站主尺度考虑到双体船式潮流电站的结构特点以及建造工艺,采用某双体专用抛石工程船为其母型进行分析和研究,该抛石工程船的船型结构比较简单,是一艘专门用于内河及沿海抛填土石方的特种船舶,首尾甲板上采用箱型结构,将两个甲板方驳连接成的一条双体船【91。水轮机功率150 kW ,双体船设计主要考虑如下的限制因素:10 第2章潮流电站的选型和稳性计算( 1) 水轮机的安装位置和直径的大小。用以确定片体的间距和船长。( 2) 双体船吃水、型深以及实际排水量。主要考虑船舶的系泊系统和重量计算与浮力之间的平衡原则,但是必须避免因水轮机工作时产生的力和扭矩而引起载体船艏或艉出、入水,同时尽量避免因船舶纵、横倾导致的水轮机叶片上缘出水,从而降低水轮机效率的问题。( 3) 连接桥的主尺度及高度。根据具体的工作海况,既要保证连接桥的湿甲板距水面有合适的高度,还要减少波浪对连接桥的砰击;此外根据型深的大小适当调整连接桥的高度,确保在恶劣海况下留有足够的强度。综合考虑以上基本因素,结合双体船的特点,初步确定了双体船潮流电站的主尺度。详见表2.3。表2.3双体船潮流电站主尺度名称单位数值总长m24型宽m13.9型深m3设计吃水片体型宽m1.2m2片体型深m3片体间距m11.7双体船潮流电站的优劣势很明显,其优势在于经济性好、超好的稳性、工作甲板面积宽敞、在船舶发生纵、横倾时,水轮机不会出水,并少去了水轮机前后的绕流影响,保证了水轮机的工作效率。同样双体船电站的劣势在于它不良的水动力性能和连接桥强度问题。双体船式潮流电站如图2.2所示。。/。\2.1.2.3潮流电站形式的确定图2.2双体船式潮流电站总体视图答. 哈尔滨工程大学硕十学位论文上两节中已给出了半潜平台式和双体船式潮流电站的主尺度和优缺点,本节主要是对比他们的优劣,最终确定一种较优的潮流电站形式。潮流电站选型因素包括:(1)电站的经济性;(2)水轮机的工作效率;(3)电站工作状态的稳性。对于不同方案的潮流电站,其经济性主要集中在外部设备以及电站载体本身。外部设备主要包括水轮机、电控设备、发电机、变速齿轮箱等;电站载体本身主要包括建造工艺的复杂性以及本身用钢量等方面。由于外部设备的配置几乎一样,对于不同方案的经济性,主要区别就集中在建造工艺的复杂性和自身用钢量问题上,由于建造工艺较复杂,难于估量,故本文以用钢量作为衡量经济性好坏的指标。半潜式潮流电站的重量包括:载体自身各部分结构的重量和发电机等机电设备的重量,采用分布估算法进行估算,具体的质量分布如表2.4所示。( 重心基线半潜式潮流电站总体质量分布名称重量( 吨)重心( m )片体27.20立柱43.30发电机10.00叶轮16.00锚机2.00附件10.O O主甲板重14.58片体支撑15.18总重量138.266.67通过计算可以看出半潜平台式潮流电站总重量为138.26吨,重心在平台基线m 。双体船潮流电站的重量估算与半潜式潮流电站相似,主要包括双体船船体、连接桥、中间水轮机架子( 以下称为井字架) 的重量和一些机电设备的重量。具体的质量分布如表2.5所示。( 重心基线章潮流电站的选犁和稳性计算表2。5双体船式潮流电站总体质量分布名称重量( 吨)重心( m )片体31.99连接桥20.67发电机10.00叶轮16.00锚机2.00附件10.O O井字架16.00总重量106.661.08通过计算可以看出双体船式潮流电站总重量为106.66吨,重心在双体船基线可以看出,双体船的经济性较好,双体船较省钢材,节省率约为22.8%。其次,考虑潮流电站载体结构对水轮机效率的影响。半潜式电站的立柱绕流现象很严重,根据CFX计算结果显示,水轮机最佳工作效率最多下降3%,如图2.3所示。而双体船就不用考虑绕流问题。故双体船更容易达到水轮机的最佳发电效率。0.50.4O .30.2O .1O8( - ) ● } 一;j 口豆P【王+蹦+祠是柱A..≯、∥/rI.I01速比234图2.3圆柱绕流对水轮机效率的影响最后,考虑两种电站的稳性,在国际海事组织(IM O )制定的多体船的稳性横准中【10】,衡量多体船完整稳性主要是检验复原力臂曲线下的面积、复原力臂最大值和其所对应的横倾角。参见《海上移动平台入级与建造规范》,海洋平台的完整稳性是指漂浮着的平台依靠倾斜后其自身的复原力矩来抵抗外加倾覆力矩的能力【11】。主要还是考虑复原力臂曲13 哈尔滨T程大学硕士学位论文线。因此本文主要通过复原力臂曲线的计算来研究潮流电站的完整稳性。两种潮流电站的复原力臂曲线半潜式电站复原力臂曲线双体船式电站复原力臂曲线复原力臂曲线下的面积越大,说明其恢复力矩越大,船舶的稳性也越好。而曲线的最高点代表船舶能承受的最大静倾力矩,即船舶本身所具有的最大复原力矩。网上赌龙虎怎么玩,最高点对应的横倾角是最大横倾角。通过上面曲线的对比,可以很明显的看出双体船在曲线下所含面积和最高点位置都要比半潜式潮流电站大,故从稳性来看,双体船电站优于半潜式电站。综合以上三个方面的比较,无论是经济性、水轮机效率和稳性双体船电站都优于半潜式电站。所以,本次设计的电站形式取为双体船式。2.2双体船潮流电站的稳性计算双体船稳性分为下面两个部分:( 1) 初稳性( 或称小倾角稳性) :一般指倾斜角度小于10。-15。或上甲板边缘开始入水前的稳性。(2)大倾角稳性:一般指大于10。~15。或上甲板边缘开始入水后的稳性㈣。2.2.1浮性和初稳性当船舶处于正浮状态时,在距基平面Z处,取一薄层dz,则薄层的微体积为dV=向出(2.1)式中:Aw 是距基平面Z处的水线面面积,微面积为=2ydx,则整个水线章潮流电站的选型和稳性计算如=2笆∥ 如(22)上式中Y是距oy轴x处的水线面半宽;L为船长。将式( 2.2) 代入式( 2.1) 中,并将其沿垂向z,从0到T进行积分,则得到船舶在吃水为T时的排水体积V2上Awdz=2土IL/2ydxdzerrLl 2(2-3)F该薄层微体积dV对平面yoz和xoy的静矩分别为:dM xoy=XF 锄dz(2-4)dM xoy=z如玉(2-5)式中,XF是距基平面Z处的水线面面积的漂心纵向坐标,而水线面面积Aw 对oy轴的静矩为M 掣=2E,2驰(2 6)b2鲁2镑仁7,将式( 2.2) 和( 2.7) 代入式( 24) 中,并将其沿垂向Z,从0到T进行积分,就得到排水体积V对平面yoz的静矩:M yoz2上% 4出=2上IL/2x?/dxdzd-.,/2%=争=告=髅(2 8)最租故浮心的纵向坐标为㈣,将式( 2.2) 代入式( 2.5) 中,并将其沿垂向z,从0到T进行积分,就得到排水体积对平面xoy的静矩:。土z锄,iz=2上IL/2zydxdz( 2- 10) er铲争=瓦rzAwdz=照fLl2ydxdzeT.r,故浮心的垂向坐标为陋Ⅲ 哈尔滨T程大学硕士学位论文当船舶处于正浮状态时,其浮心横向坐标yB=0。设船舶在吃水T时的水线面面积为Aw ,则吃水改变万丁时,排水量的变化是oW =4卯(2.12)当6T=1厘米时,令6T=TPC,则TPC=竺10生0( 2- 13)船舶在横倾巾角后,浮心自原来位置B沿曲线移到Bl ,这时浮力的作用线垂直于W i Ll ,并与中线相交与M 点( 即稳心) 。参见图2.6。厂~~么M。t.。卜L_\]。。?/B丘_叫!图2.6船舶横倾当巾为微小角度时,菌一BB,=一BM dp=号≯,则稳心半径丽为BM2号( 2- 14)同理,纵稳心半径瓦为BM L2号( 2- 15)式中,IT和IL是水线面面积对通过各自漂心的坐标轴的惯性矩。当船舶发生纵倾时,且纵倾角度0很小时,此时的复原力矩为M 儿=△ GM L 0=△ GM £ ÷(2-16)令t=-I厘米=1/100米,并以M TC表示引起纵倾1厘米的纵倾力矩,则M TC=型幺( 217) 100L~由于浮心和重心之间的距离一BG与纵稳心半径瓦相比是小值,瓦瓦,式(2.17)可以写成M TC:A.BM L100L16因此可以认为(2 18) 水线面系数:中横剖面系数:方形系数:棱形系数:%=南%=惫q=志q2麦(219)(220)(221)(2-22)规律麓麓裟黧正浮状态下浮性和稳性要素随吃水丽变惝规律。其中包括浮性曲线、稳性曲线和船型曲线H 。怒肚芰糸随吃水而变化的由以上公式计算,可以得出本双体船的静水力曲线所示。原力篙?鼬角度后,漂浮于%乞水线所引愎峨=△ × GZ=△ xJ『=钾≯:乞一功L,(2.23)其中的静稳性臂为:图2 8双体船大倾角则全船的静稳性臂为 =%8≯一心一乞)sin矽一 。+( 一碲sin≯ 2夕乞s≯+瓴一毛)sin矽+乞:一心一雨siIl矽,:竺里丛二竺型墨△17(224)(225)(2-26) 哈尔滨工程大学硕士学位论文,{小( =uJ: L)山0{r,)dM o萨(L蛐 )L)日3I;石。毫熊) L) d0纠拶龄/r△f,,一/心k/、K/J:鄂n/////◇ .烈::j、《《.f载名\莎01tt/(山l I, =W 01 )O .LIN/一一}9_____一(Ⅲ^ .=w ol _)- Id上《/(。w O O l=W O I, )^ Ⅳ}/,/l/(I U O G =W =L) 日-、--、~}.、、-~-、、、~ni/.=tu~o/.磊~、I、、- - _ ~on_●0, 1a●o●o(山£ 0=uJ oL)p牢和图2.7静水力曲线o蠊副裁幡副警。一o卜。四呻No叫爵叫IzoNo_H上I9I口_I=.【N ___Io.【 第2章潮流电站的选犁和稳性计算由于双体船的长宽比较小,因此在计算静稳性臂时,只考虑了几种不同的旋转方向,旋转轴取0。、15。、30。、45。、60。、75。、90。几种情况( 即横摇角度) ,分析表明,0。时静稳性臂最小。则0。时,不同吃水情况下所对应的静稳性臂如图2.9所示。O10205070由图2.9不同吃水情况F所对应的静稳性臂通过上面的静稳性曲线点处的斜率很大,即双体船的初稳心高很大。该曲线下的面积决定了双体船的回复能力的大小;该船的最大静稳性臂可达5.8m ,倾覆力矩为154t*m ,由图中可以看出在吃水1.6m ,且当船舶倾斜6。时的回复力矩已满足要求。动稳性曲线是静稳性曲线的积分曲线,当船舶发生倾斜后,其重心与浮心位置在垂向变化的增量为动稳性臂l d。在极限工况下可计算出该双体船在不同重心高度处的极限动倾力臂t和极限动倾力矩哆。力矩鸭和力臂 两者关系为:M q=乞△(227)极限动倾力臂和力矩结果详见图2.10。网上赌龙虎怎么玩极限动倾力臂讯动倾力矩4003503自250量200、。150100O珥,I酹/b图2.10不同重心高度时极限动倾力臂和力矩由上图可以看出,在吃水一定的情况下,重心越靠近水线面越好。本双体船的参考重心为Zg=1.08m ,当吃水在0.8m -1.6m 范围内时,所对应的极限动倾力臂的范围为2.5m ~3。2m ,极限动倾力矩为240~370 KN *m 。19 哈尔滨工程大学硕士学位论文2.3双体船总布置潮流电站的布置应该考虑电站所处的环境。在结构能满足的情况下,优化布置,保证优良的经济性。双体船的结构应力集中很突出,主要是集中在横舱壁横向强框架及连接桥根部的相邻区域,而该船的水轮机支架应力集中也很明显。故在应力易集中的地方应该适当进行局部加强。以下就是双体船的总布置情况。2.3.1片体本船为单底横骨式,舷侧与甲板也采用横骨架式结构。本船构件规格参照《小水线) 》确定。全船肋距为500m m ,分48肋位。片体船底设置一道中内龙骨,和首尾封板、舱壁扶墙材、甲板纵桁构成纵向桁架。每4个肋位设置强肋骨。舱底的每个肋位都设置了实肋板。特别是在中部水轮机支架所在的舱壁处,进行了局部加厚。片体中的横舱壁均设有垂向桁材、垂向扶强材及水平扶强材。全船共有4道水密舱壁,分别位于硝、200、28卿4l 珊位。按照舱室划分原则0#--7#、41#-48#肋位是锚链舱,7牡2衅和28#--41#肋位是压载水舱,20#, --28#是电子设备舱。上部舷侧设有栏杆。在甲板上设有八个舱口,用于吊装设备、人员进出和设备通风。2.3.2连接桥连接桥位于本双体船的2#---15#,33#-, , 46#肋位之间。连接桥纵向由连接桥纵桁,纵骨与连接桥中纵舱壁构成。连接桥与船体的连接采用圆弧过度连接,这样就可以避免不必要的应力集中。水轮机支架与连接桥的连接处采用局部加强。连接桥采用箱形抗扭结构。片体和连接桥结构参见图2.11所示。图2.1l 船体与连接桥结构图2.12井字架结构 第2蕈潮流电站的选型和稳性计算2.3.3水轮机支架( 井字架)井字架采用四个箱体结构,使用八个爪型支架结构与船体和连接桥相连。连接区域,无论是船体还是连接桥都是舱壁与其相连。这样足以保证支架的强度。支架中间采用环形结构。具体参见图2.12所示。2.4本章小结本章主要是潮流电站的载体选型,根据经济性、水轮机的工作效率和自身的稳性等指标进行最优方案的选取,最终选定了双体船Egg:h-案,并且对双体船的稳性和浮性进行了计算,初步确定了双体船的内部结构,为以后的计算打下了良好的基础。2l 哈尔滨T程大学硕七学位论文第3章双体船式潮流电站水动力性能分析船舶实际工作海域的波浪是不规则,由长期的经验和理论得出,不规则波可由一系列规则波叠加而成,所以研究潮流电站在不规则波中的受力和运动是非常重要的。潮流电站的水动力性能是确定船舶在波浪中运动性能优良的重要指标。本章主要使用H ydroStar软件进行水动力计算,经过计算可以得出双体船的附加质量和附加阻尼、6个自由度的运动幅值响应、船舶受到各种波频和浪向下一阶和二阶波浪力的传递函数等水动力参数。由于在波浪环境下,船体本身、水轮机和系泊系统的耦合作用比较复杂,故本章只讨论船体本身的水动力性能。3.1水动力计算理论基础3.1.1水动力理论计算方法3.1.1.1几种水动力计算方法目前,对船舶水动力性能理论计算方法主要有二维切片法、二维半理论和三维理论等。切片理论自上世纪五十年代中期提出后,经过不断发展、完善与实践,已经证明了该方法能较好地反映在中低航速时常规单体船型的线性运动特征。而对于双体船,切片法在计算其水动力系数以及预报运动RAO 方面存在一定的问题。这些问题不仅来自于纯二维的切片理论的假设,而更主要地是来自在于在每个切片平面上双平行片体间的水动力干扰效应【13】。在普通切片法( O SM ) 中,将二维浮体置于静水中分析其所受到的流体作用力的,通过船、波相对的运动,直接计算在波浪中船舶流体的作用力。而在新切片法( N SM ) 或STF切片法中,则是分析计算船体周围流场速度势以及各部分流体压力分量,来确定船舶所受到的流体作用力 141。20世纪70年代后期出现了新的水动力理论高速细长体理论,此理论考虑了有航速的自由面条件和船体细长的几何特性,同样进行了二维流场假定,被称为二维半理论【15】。该方法对于高速细长体的水动力性能预报效果很好,国内外求解高速多体船的水动力特性,已经使用了二维半理论。高速细长体理论能够有效地克服切片理论中所遇到的困难,该理论自九十年代起进入了实用阶段[161。随着人们对水动力计算关注程度的提高和计算机性能的不断提升,三维水动力理论有了卓越的进步。三维理论既可解释流动着的三维效应问题,还考虑到一定航速下的自 第3章双体船式潮流电站水动力性能分析由面边界条件,在计算海洋结构物水动力问题时较切片法准确。三维理论的方法包括频域和时域两种方法,可采用分布源、分布偶极以及混合分布模型求解三维物体的辐射和绕射问题,目前则多数采用基于自由面格林函数或简单格林函数的分布源方法。自由面格林函数直接满足线性自由面条件和远方条件,从而通过格林公式将分布源沿浮体湿表面的面积分和浮体与水面交线的线积分之和作为速度势来计算。为了解决波浪问题,则需要建立多种不同情况下的格林函数。国内外学者对三维无航速浮体的流体动力和运动研究较多,频域无航速理论已成为近海结构物设计的一个标准理论方法 17】。3.1.1.2H ydroStar软件介绍H ydroStar是由BV( 法国船级社) 开发的专业水动力分析软件,该软件主要基于三维线性低航速频域理论 181的基础之上。从而能够完整的求解在有限水深和无限水深条件下,一个或多个海洋结构物的一阶波浪力和运动RAO 、二阶定常力等。其主要的应用范围如下:( 1) 可进行有限水深和无限水深计算;( 2) 可计算一阶波浪力、一阶运动RAO 和二阶定常力;( 3) 可计算一阶和二阶波浪载荷;( 4) 可进行有无航速的浮体的计算;( 5) 可进行单体浮体( 如单体船) 、多体浮体( 如多体船) 和多浮体系统( 如穿梭油轮挂靠FPSO ) 的计算。本文主要使用H ydroStar软件进行双体船的水动力计算。3.1.2三维频域势流理论3.1.2.1基本假设在势流理论中,通常存在如下的基本假定【19】:1) 流体是均匀、不可压缩、无粘性的理想流体,其表面张力效应可忽略不计;2)流动是无旋的,即存在速度势①(x,Y,z,t),则其梯度V①(x,Y,z,t)给出流体质点的速度矢量。于是,可采用速度势的方法来研究船舶在波浪中的运动和受力情况。在线性理论中,所计算的波浪都是微幅波。此外,为计算简单,通常认为水域底部的边界是光滑水平壁面。3.1.2.2坐标系的确立用于描述船体几何形状和运动的坐标系定义如下: 哈尔滨工程大学硕+学位论文采用右手坐标系。坐标原点O 位于船体基线与船肿剖面的交点。O x轴的正方向为船首方向;O y轴的正方向为指向左片体方向;O z轴的正方向为向上方向【201。如图3.1所示。APM i d蹦pPP[、/。[、-一,图3.1船用坐标系船体沿O x,O y和0z轴方向的平移运动分别为纵荡、横荡、垂荡。船体相对于各自坐标轴旋转的运动分别为横摇,纵摇和首摇。为了便于描述波浪、船舶运动以及流场速度势,引入以下三个右旋坐标系,如图3.2所示:kC~Jfo1e)。;图3.2描述船体运动的三个坐标系空间固定坐标系O .XYZ,原点O 位于未扰动的水平面上,Z轴竖直向上;随船匀速移动坐标系o.xyz:,原点O 位于未扰动的水平面上,Z轴竖直向上;固定于船舶的坐标系GXbybZb,原点G即船舶的重心,Xb轴平行船体基线指向船艏,zb轴垂直于船体水线罩双体丹传式潮流电站水动力性能分析船舶在微幅规则波中做微幅运动,流场速度势①(x,Y,z)满足拉普拉斯方程f2l 】:V20=0(3.1)在静水面上满足自由面的线性运动学条件为:塑:娑,(萨o)一=一● 7=一 Iat七一(3-2)此关系式表明,在自由面上,流体质点的垂向速度等于波面起伏的速度,略去了水平运动的影响。自由面上的线一娑gO t(z:(3.3)2⋯_,【z:UJf3.3、从式( 3.2) 和式( 3.3) 中去除叩,则得到速度势O ( x,Y,z) 满足的线性自由面条件:尝+g要:0 (冽可+g瓦2o (萨叭(3.4)3.1.2.4波浪中线性响应的定解条件入射波是规则波,把入射波的波幅和双体船的运动rl j ( J =l ,2,⋯,6) 作为一阶无穷小,在计算值保留到一阶无穷小,即求解问题的线性解,此时可应用叠加原理来求解【221。水深h有限时,相应的入射波的一阶速度势为:(I)0---=Re(P砌)(3.5)卫ia,坐eh(幽koh)eik。(xc。sp+yain芦),( (硐=≯(3_6)式中:A是波幅;ko是波数;∥ 是入射波的传播方向与x轴正向的夹角。从总的速度势中分出入射波部分,即伊=+纬(3 7)则扰动势%在物面SH 上适合下面的物面条件,即鲁=喜呐一鲁鸩上)(3.8)锄智川锄一“ 7、根据叠加原理,把扰动势分解成七个组成部分,即(39)仍+竹0。纠=% 哈尔滨T程大学硕士学位论文式中:纺(/=1,2,⋯,6)是辐射势,仍是绕射势。● oj (y=l ,2,⋯,7)都和时间无关,其定解条件为:拉普拉斯方程:自由面条件:底部条件:物面条件:远方条件:则总的速度势为:3.1.2.5格林函数V2纺=o,(j=1,2,⋯,7)(流场内)(310)誓哪叫刎,,卜等产啦,⋯,7)pⅢ誓=。,(z=-h)或V纺专。(z专棚,歹=1,2,⋯,7)(3-12)誓=勺,(j:1,2.. ,6),鲁=一鲁(品上)(3.13)纺_D(专沙q(川 2,⋯,7)(3-14)吣舭垆Re{c训e砌+赛w砌}p均水深是常数h,底部条件调整为筹=。z=-h)其余条件与上面相同。设格林函数为:G(训=吾+日(舢)(316)(317)式中的r是P和q两点之间的距离。先从H中分出一项吵:,使得1/r+1/r:适合底部条件,剩余部分采用柱坐标下的拉普拉斯方程,将其分离变数解组合而成,即G={+{+rA(七)厶(膪)c懈+^)胁6厶(酬%(Ⅲ)】(3-18)其中 第3章双体船式潮流电站水动力性能分析z一=冗cos0, y- r/=Rsi n0, 危(^)=等r2=rp:=R2+(z一()2,r。2=R2+(z+e+2危)2(3-19)(320)A(k)矛l l b是待定的。用线性自由面条件决定A( k) 【231,先把( 3.18) 右端前两项表示成J o的积分,即吾=re小 厶(柚)毗z。)÷ =ooe_k((+z+2h)Jo(kR)dk 2用线性自由面条件可以得到小,=篙裂群带代入式( 318) ,可以得出式中:常数b使用远方辐射条件。当R》l 时,有厶(勰)压c08 】则格林函数为:c(p,q1一2丌其中sin陋一书c。8[%冗一三]c^[%(z+^)】㈦2丌端篙群满足远方辐射条件,故得...

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