Spar型浮式风机疲劳性能的研究进展

(武汉理工大学 湖北 武汉 430070)

风机基础根据安装水域深浅程度分为：固定式基础和浮式基础。固定式基础一般安装在水深30m以内的浅水区域，主要有重力式、单桩式、多桩承台、三桩式、导管架式等基础。当水深超过50m时，浮式风机基础的造价成本比固定基础更经济，主流的浮式风机基础有Spar型基础、Barge型基础、Semi型基础和TLP型基础。

各种浮式风机基础在构造上存在着明显的差异，其适用条件和受力特点也有着较大的区别，本文重点对Spar型浮式风机的研究现状进行综述。

一、Spar型浮式风机结构的特点

浮式风机系统主要由叶片、机舱、塔架、浮式平台和系泊系统构成。如图1所示。浮式风机所处海洋环境复杂，其中风、波浪和流冰荷载是作用在海上浮式风机的主要荷载。

塔架由三部分组成，上下部分为两段不同直径的圆柱，中间以圆台连接过渡，风机系统吃水深度为120m，浮式基础上部分与塔架连接，通过调整压载舱使浮心位置在重心之上，保证系统的稳定性。系泊系统采用了3根锚链悬链线定位的方法，每根锚链与基础相连。

图1 风机系统模型

二、Spar型风机结构的研究现状

海上浮式风机系统不仅会受到风、波浪、海流、以及流冰等载荷作用，与陆上风机相比，海上风机还会受到腐蚀、冻融、海生物附着等多种环境因素的相互作用，其受力情况更加复杂。针对浮式风机所承受的这些载荷，海内外许多专家和学者做了大量的分析研究。

高巍等[1]利用动力学分析软件对空气-水动力耦合时域研究，分析了在风浪流耦合作用下Spar基础风机的动力响应，比较了在不同工况作用下对系泊系统的影响。蒙宣伊[2]等利用海洋工程浮体分析软件对Spar式风机基础进行时域分析，研究了几种特殊工况作用下系统的运动响应。成欣等[3]利用水动力软件ANSYS/AQWA研究了Spar基础在风浪流联合作用下的频域特性和时域动力响应，并分析了各波浪力成分随频率的变化规律，得出附加阻尼力是Spar基础的主要波浪力成分。

海上风机受到多种环境荷载耦合作用，为了探究哪种荷载的影响更大，张毅[4]等基于Kaimal 风速谱模拟风载荷计算，采用Kärnä冰力谱模拟冰载荷计算，最后对比风荷载和冰荷载分别单独作用下和风冰联合作用下结构的动力响应。为了探究冰载对结构的影响，黄焱等做了许多关于冰与带抗冰锥体结构物的相互作用模型试验，研究发现[5]：冰荷载是由几种频率成分构成的，当冰与结构作用时，冰荷载中的任一种成分与风机的自振频率相差小于±10%时，将会引起结构的共振效应，极易造成结构损坏。

浮式风机承受风、波浪、流冰等多种荷载耦合作用，浮式风机在这些复杂荷载的作用下极易产生疲劳损伤。章海亮[6]等利用有限元软件对结构关键部位建立子模型，利用多边界插值法计算了不同工况下关键节点的应力时程，最后基于线性损伤理论和S-N曲线预测了各关键节点的疲劳寿命。刘超[7]等分析了导管架平台的动力响应，利用雨流计数法和Miner线性累积损伤理论，评估了导管架平台在各海况作用下的疲劳寿命，得出短期海况对结构疲劳寿命影响十分显著。方磊[8]采用挪威船级社SESAM软件建立Spar平台有限元模型，对锚链频域响应谱进行分析，基于S-N曲线和断裂力学方法评估结构的疲劳寿命。

在风机运行期间，系泊系统与风机基础连接部位是最容易发生疲劳损伤的部位，在复杂的海洋环境作用下，一旦导缆孔发生应力集中现象，便会导致风机结构疲劳损伤破坏的发生，造成严重的安全事故。为了研究浮式基础运动响应和锚链张力的变化规律，邓露[9]等通过改变导缆孔的位置以及锚链之间的夹角，分析这些参数对风机发电效率、平台运动响应和锚链张力的影响。李梦阳[10]等计算了不同环境条件下风机平台受到的载荷，通过改变预张力的大小、导缆孔位置及导缆孔布置形式，分析这些参数对系泊系统位移和锚链张力的影响。

三、结论

目前，对于浮式风机结构的研究，主要是通过足尺缩尺实验和有限元数值模拟等方式来实现的，虽然国内外学者做了大量的模拟研究，但对风机系泊系统导缆孔结构的疲劳性能研究性对较少。导缆孔作为浮式风机塔架和系泊系统重要的连接部位，其结构特殊且容易造成损伤，是浮式风机的薄弱部位。在风机运行期间，导缆孔是最易产生疲劳损伤的位置，一旦导缆孔发生疲劳破坏，将会加速浮式风机结构失效，造成严重的经济损失。由于导缆孔一直处于海洋环境中，极易产生锈蚀，应分析锈蚀状态下，导缆孔在荷载作用下的疲劳性能，从而保证浮式风机结构在服役过程中的安全性。