座底重力式潮流能发电装置结构研究及应用

摘 要：座底重力式潮流能发电装置总体上包括水轮发电机和支撑结构两部分。该类型装置具有结构形式简单，重量轻、易于建造和海上施工等特点。在设计上，支撑结构要经过静力结构校核、抗倾覆校核、抗滑移校核和模态共振分析等，以确保结构安全和潮流能发电装置的稳定性。

关键词：潮流能；水轮发电机；座底重力式 ；倾覆；滑移

Structural Study and Application of Gravity Based Tidal-Current Energy Equipment

LIU Ming

（CNOOC Research Institute， Beijing 100027， China）

Abstract：Gravity based tidal-current energy equipment includes hydrogenerator and support structure on the whole. It’s simple in structure， light weight， easy to build and offshore installation. In design， the support structure has to be statically analyzed， anti-overturning checked， anti-sliding checked and modal analyzed.， in order to make sure structure in good condition and stable.

Key words：tidal-current energy， hydrogenerator， gravity based，overturn，slide

随着能源需求的急速增长，蕴藏巨大可再生能量的海洋成为新能源开发的重要对象。潮流能，作为海洋能的一种，由于可预测性好、稳定性高，规律性强等优势，其开发技术正在日益得到发展。使用水轮发电机，将水流的动能转化为电能，可以实现对潮流能的清洁开发。为给水轮机提供固定与支撑，根据不同的水深、环境和使用条件，需要开发、设计相适应的支撑结构。根据支撑结构形式的不同，潮流能发电装置可分为三类：漂浮式、桩基式和座底式。在胶南市斋堂岛附近海域的新能源示范项目中，对座底重力式潮流能发电装置进行了研究和实践。

1 总体构成与结构特点

座底重力式塔架潮流能发电装置总体上包括水轮发电机和座底重力式支撑结构两大部分（见图1）。

图1 座底重力式塔架潮流能发电装置总体构成

水轮发电机位于支撑结构顶部，主要由水轮机叶片、传动机构和发电机组成。传动机构和发电机等由密封的机舱包围，水轮机叶片则位于机舱外部。为有效避开海面波浪的直接影响并进行连续、有效的获能，水轮机位于海面以下一定深度处。该深度由水轮机的设计确定，并用于确定支撑结构的设计高度。叶片朝向与潮流方向基本一致，并通过变桨距机构使得叶片在双向来流时均能保持较高的获能效率。为避免影响叶片的运转，水轮机机舱在潮流方向设计成细长的流线型，径向尺寸远小于叶片长度。

座底重力式支撑结构顶部连接水轮机，底部通过基础结构自然座落于海底，中间部分为满足设计高度要求的刚性结构。整套装置依靠水轮机和支撑结构的自重和海底的摩擦力满足稳定性的要求。支撑结构的设计比较灵活（见图2），一般为全固定连接的钢质框架。这样的结构除了能很好的满足结构稳性并能提供对水轮机的支撑功能以外，而且结构轻便，易于建造和海上安装。而后者对于施工风险大、施工费用高昂的海洋工程领域非常重要。

座底重力式支撑结构一般具有以下特点。

1）由于三点支撑已具备稳定性，为减少塔架的复杂程度，支撑基础结构通常设计为3个站立腿柱。

2）由于钢质框架结构重量相对较轻，当自重无法满足稳性要求时，通过在腿柱内灌注混凝土可以有效的改善整体稳性。这种设计优点很多：不需增加结构的复杂程度，后期仅通过修改腿柱就可以进行调整；混凝土适合水下使用，且成本较低；腿柱位于整体结构的底部，在该处增加的重量对于稳性的贡献更大。

3）由于结构简单，支撑结构规模较小而无需再分块，为方便建造加工，支撑结构一般通过焊接方式实现框架的全固定连接。

2 载荷

座底重力式塔架所受的载荷主要有三类：水轮机工作载荷、环境载荷和自重。

1）水轮机工作载荷主要包括水轮机水平推力和轮毂扭矩（见图3）。

水流冲击叶片表面，除推动水轮机旋转用于发电，也产生沿水轮机轴向的水平推力。由于轮毂和支撑轴承之间的摩擦，推动水轮机叶片旋转的扭矩未能全部用于推动发电机，一部分用于克服摩擦形成最终作用到支撑结构上的轮毂扭矩。水轮机工作载荷由水轮机的设计者提供，作为支撑结构设计的输入载荷。

图3 水轮机工作载荷示意图

2）环境载荷包括水流和波浪载荷。

由于水流对水轮机的载荷已考虑在水轮机工作载荷内，只需再考虑水流对于支撑结构的载荷。

潮流能发电装置位于水面以下一定位置，避开了海面波浪的直接作用。随着水深加深水质点速度衰减，作用在潮流能发电装置上的波浪力有所衰减，但是仍应考虑波浪力的作用（见图4）。

图4 波浪力计算模型

由于结构尺度相对较小，可以使用莫里森方程计算水流力和波浪力。

（1）

式中：F—波流力；CD—拖曳力系数；ρ—海水密度；A—杆件在其轴线上的投影面积；U—水质点在杆件轴线垂向的速度分量；|U|—水质点在杆件轴线垂向的速度分量的绝对值；CM—惯性力系数；V—杆件排水体积；■—水质点在杆件轴线垂向的加速度分量。

对于水流和波浪共同作用的支撑结构部分，应按水质点合速度统筹考虑水流力和波浪力。

3）自重包括水轮机和支撑结构的重量和浮力。

3 设计校核

3.1 在位静力校核

在位静力校核是指在潮汐能发电装置安装完成后，针对服役状态的的载荷状况进行的结构校核。该校核用于确定结构能够支撑潮汐能发电装置运转，在服役期内不会损坏。

在对座底重力式支撑结构进行静力分析时，要对腿柱进行边界条件的约束。

座底重力式潮流能发电装置进行结构校核的考核对象主要有两个：

1）结构的应力校核。结构件的最大应力不应超过对应材料的许用应力。在目前尚无统一的专业标准的情况下，一般要求Von Mies等效应力不大于材料的屈服强度的0.7倍。

2）结构的位移校核。为保证水轮机的正常工作，支撑结构位移不应过大。基于座底式支撑结构底部固定、顶部承担水轮机工作载荷这一特点，最大位移通常发生在支撑结构顶部。在目前尚无统一的专业标准的情况下，一般要求最大位移不大于支撑结构高度的1%。

3.2 抗倾覆校核

潮流能发电装置为主要依靠流体运动驱动水轮机叶片转动，进而带动发电机运转产生电能的装置。流体在推动叶片转动的同时也产生沿流向的推动力，推动水轮机倾覆。为确保潮流能发电装置不致倾覆，需进行抗倾覆校核。产生倾覆作用的力除了水轮机水平推力，还有水流和波浪对水轮机装置其它部分及对支撑结构的载荷。

座底重力式支撑结构的腿柱仅放置于海床，海床对其只能提供向上的支持力，不能提供向下的拉力。因而，能够抵抗倾覆的力只有重力。

进行抗倾覆校核的公式为：

（2）

式中：G、LG—潮流能发电装置各部分的重力（扣除浮力）、力臂；F、LF—造成倾覆的力、力臂。

对于抗倾覆的安全系数，目前尚无统一的规定，可参考使用API RP 2A所建议的的1.15。

3.3 抗滑移校核

潮流能发电装置在承受水流、波浪推力后，为保持其原地不动，需要进行抗滑移校核。滑移载荷主要为水流力、波浪力，抗滑移载荷主要为腿柱和海底之间的摩擦力。抗滑移校核的公式为：

（3）

式中： Ff—塔架腿柱和海底土壤之间的最大静摩擦力；F—潮流能发电装置的水平推力。

腿柱和海底土壤之间的最大静摩擦力和土壤性质有关。针对砂土和粘土使用不同的计算公式。

砂土 Ff = μFn （4）

粘土 Ff= CA （5）

式中： μ—海底砂土的静摩擦系数；Fn—腿柱对海底的压力；C—海底粘土的不排水抗剪强度；A—腿柱与海底的接触面积。

为获得机组工作现场的海底情况和海地土壤的准确性质，需提前进行工作现场的工程地质勘察，进行必要的地质采样和地质钻探。

对于抗滑移的安全系数，目前尚无统一的规定，可参考使用API RP 2A所建议的1.5。

3.4 模态分析

水轮机为旋转运动式设备，为避免共振对支撑结构造成破坏，进行模态分析是必要的。其基本思路为：对潮流能发电装置进行模态分析，将振型频率与水轮机运转频率进行比较，由二者之间的差异对是否存在共振风险作出判断。

在不考虑结构组尼的情况下，自振振型可通过下式求解：

（6）

式中：[M]—质量矩阵；[K]—刚度矩阵；{Y}—位移向量； —加速度向量。

严格的讲，由于完全处于水中，潮流能发电装置的自振频率有所降低，其准确的水中振型可通过流-固耦合的模态分析获得。但由于构件尺度较小，二者差异很小，不考虑水体影响的振型的精度已足够满足工程需要。

水轮机振动的频率由转速和叶片数量确定。

（7）

式中：r—转速；n—叶片数量。

4 设计实例

在胶南市斋堂岛海域进行了重力座底式潮流能发电装置的工程实践。潮流能发电装置所处水深约为35m，该海域潮汐类型为正规半日潮，潮流方向稳定。海底地层为基岩，海底比较平坦。

根据该海域的海洋环境、水文、地质和潮流能资源条件，设计建造了50kw潮流能发电装置（见图1），并采用座底重力式支撑结构。水轮机类型为三叶片水平轴水轮机，直径约为10.5m，水轮机标高约为-21.5m。该水轮机启动流速为0.8m/s，设计流速为1.5m/s，极限流速为2.5m/s。

经过计算，该潮流能发电装置的主要载荷结果为：

水轮机组水平推力550kN；水轮机轮毂扭矩4775NM，水轮机水中重量46250N，支撑结构水中重量46250N。

该支撑结构的最大应力值为80.4MPa。由于所用钢材为Q235，屈服强度为235MPa，故其许用应力为164.5MPa。最大应力小于许用应力，支撑结构强度满足要求。

该支撑结构的最大位移值为9.3mm。小于支撑结构高度（11m）的1%，满足位移要求。

图5 支撑结构应力云图 图6 支撑结构位移云图

该潮流能发电装置的倾覆力矩为2670KNm，抗倾覆力矩为4987KNm，抗倾覆的安全系数为1.87，大于设计要求的1.15。

该潮流能发电装置的滑移力为200kN，抗滑移李为377kN。抗滑移的安全系数为1.89，大于规范要求的1.5。

该潮流能发电装置的支撑结构的最小自振频率为8.8Hz。水轮机的振动频率为1.3Hz。水轮机振动频率远小于支撑结构自振频率，没有共振风险。

表1 斋堂岛潮流能发电装置支撑结构前8阶固有频率及振型

5 结论与建议

为了提高潮流能发电的工作效率，潮流能发电装置一般设计成双向工作模式，从水轮机头部和尾部流向的潮流均能推动水轮机运转。在进行支撑结构设计时，要考虑基于双向潮流的工作载荷，并与环境载荷进行对应的组合。

座底式潮流能发电装置由于整体处于水面以下，不影响水面船舶的交通。座底重力式支撑结构结构形式简单，构件与连接形式单一，重量轻，易于建造和海上整体安装（见图7）。支撑结构适应性强，可以通过调整总体尺度和杆件尺寸适用于较大的水深范围和水轮机规模。腿足混凝土重力式设计稳定性好，成本低，并易于调整。■

参考文献

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