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(tái) 264025；2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)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(tái) 264004）

0 引 言

我國(guó)東南部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，但能源緊缺。開(kāi)發(fā)海上風(fēng)能資源，有效改善能源供應(yīng)和環(huán)境問(wèn)題，已成為我國(guó)“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(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》已將遠(yuǎn)海深水風(fēng)電場(chǎng)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(lái)重要的創(chuàng)新突破方向。

目前，我國(guó)對(duì)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(guó)家近海水深大（大部海域水深在100 m 以上）相比，我國(guó)近海大部海域水深較小，從風(fēng)電場(chǎng)選址水深方面考慮，我國(guó)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(guó)東南沿海中等水深海域。相對(duì)于半潛式浮式風(fēng)機(jī)，張力腿式浮式風(fēng)機(jī)通過(guò)基礎(chǔ)（支撐平臺(tái)）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(lái)保持穩(wěn)定，其受外界載荷所引起的運(yùn)動(dòng)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(duì)較大。國(guó)外有美國(guó)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(guó)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(kāi)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(jí)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(tái)）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(zhǎng)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(dòng)與結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)。美國(guó)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(dòng)、系泊系統(tǒng)的靜力和動(dòng)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(dòng)響應(yīng)將會(huì)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(dòng)關(guān)系著發(fā)電的波動(dòng)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(dòng)力特性，學(xué)者們建立了相對(duì)完善的時(shí)域動(dòng)力分析模型。美國(guó)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(dòng)力學(xué)提出了浮式風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力-水動(dòng)力-結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力響應(yīng)，風(fēng)機(jī)變槳故障停機(jī)對(duì)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(dòng)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(dòng)頻率）。這些結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率可能與波浪頻率或者葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率1P和葉片通過(guò)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(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。

因此，針對(duì)我國(guó)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(tái)）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(dòng)力響應(yīng)的影響仍需更加深入的研究。本文基于我國(guó)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(guò)對(duì)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(duì)其在工作海況和極端海況下的結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)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(méi)在水面下一定深度，使基礎(chǔ)受波浪載荷?。ň哂休^優(yōu)的水動(dòng)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(huì)引起較大的系泊載荷變化；（2）在位狀態(tài)下，基礎(chǔ)通過(guò)張緊系泊與海床相連，整體運(yùn)動(dòng)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(dòng)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?；A(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(hào)見(jiàn)表2。

表2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主尺度參數(shù)符號(hào)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(lái)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(duì)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(guò)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(dòng)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(tái)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(dòng)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(duì)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(shì)流理論及莫里森方程，開(kāi)展張力腿浮式基礎(chǔ)頻域水動(dòng)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(tái)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(jí)社開(kāi)發(fā)的頻域水動(dòng)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(shì)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(shì)流理論，對(duì)于小尺度細(xì)長(zhǎng)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(dòng)力分析模型

張力腿浮式風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境載荷作用，如風(fēng)載荷、水動(dòng)力載荷、系泊系統(tǒng)載荷等。時(shí)域耦合動(dòng)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(dòng)，K為剛度矩陣，F(xiàn)w為氣動(dòng)載荷，F(xiàn)I為波浪激勵(lì)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(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的OPENFAST軟件進(jìn)行建模，并對(duì)正常和極端海況下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行分析，參考我國(guó)《海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范》[21]等標(biāo)準(zhǔn)，采用湍流風(fēng)及隨機(jī)波浪對(duì)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(jiàn)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(duì)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(jiàn)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(shì)流阻尼、一階及二階波浪載荷等頻域水動(dòng)力參數(shù)對(duì)三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)特性進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)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(shì)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(shì)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(shì)流阻尼，TLP3則具有較大的垂蕩勢(shì)流阻尼，三種浮式風(fēng)機(jī)縱搖勢(shì)流阻尼幅值相差不大。

圖3 勢(shì)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(guò)采用基于三維勢(shì)流理論的頻域水動(dòng)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(jiàn)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(dòng)力特性，本文采用時(shí)域耦合分析方法對(duì)不同海況下的張力腿浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、塔筒底部彎矩及系泊系統(tǒng)載荷變化等動(dòng)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(duì)三種張力腿浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guò)對(duì)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)。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(tái)的垂蕩自振頻率可以很好地避開(kāi)一階波浪的頻率，不會(huì)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(dòng)規(guī)律類似，在正常及惡劣海況下，縱搖運(yùn)動(dòng)主要受波浪影響，尤其是對(duì)于基礎(chǔ)質(zhì)量及排水體積均較小的TLP3 來(lái)說(shuō)，縱搖運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)影響，且對(duì)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(duì)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(dòng)引起的系泊張力變得更加顯著，尤其是對(duì)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(dòng)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(dòng)力響應(yīng)。通過(guò)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(dòng)、塔筒底部彎矩、系泊張力對(duì)比分析可以得到，張力腿浮式風(fēng)機(jī)TLP1具有較優(yōu)的動(dòng)力性能。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)我國(guó)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(guò)設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)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(kāi)常見(jiàn)一階波浪周期。在不增加基礎(chǔ)質(zhì)量的前提下，可以通過(guò)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(shì)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(dòng)、塔筒底部彎矩及系泊張力等動(dòng)力響應(yīng)。

（3）對(duì)于張力腿浮式風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，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(dòng)力性能，尤其是對(duì)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。