座底重力式潮流能发电装置结构探究和应用

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1、座底重力式潮流能发电装置结构探究和应用　　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StructuralStudyandApplicationofGravityBasedTidal-CurrentEnergyEquipmentLIUMing（CNOOCResearchInstitute，Beijing

2、100027，China）Abstract：Gravitybasedtidal-currentenergyequipmentincludeshydrogeneratorandsupportstructureonthewhole.It’ssimpleinstructure，lightweight，easytobuildandoffshoreinstallation.Indesign，thesupportstructurehastobestaticallyanalyzed，anti-overturningchecked，anti-slidingchecke

3、dandmodalanalyzed.，inordertomakesurestructureingoodconditionandstable.10Keywords：tidal-currentenergy，hydrogenerator，gravitybased，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

4、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10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

5、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

6、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外围底部，在该处增加的重量对于稳性的贡献更大。103）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

7、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

8、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