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1、座底重力式潮流能發(fā)電裝置結構探究和應用 摘要：座底重力式潮流能發(fā)電裝置總體上包括水輪發(fā)電機和支撐結構兩部分。該類型裝置具有結構形式簡單，重量輕、易于建造和海上施工等特點。在設計上，支撐結構要經(jīng)過靜力結構校核、抗傾覆校核、抗滑移校核和模態(tài)共振分析等，以確保結構安全和潮流能發(fā)電裝置的穩(wěn)定性。關鍵詞：潮流能；水輪發(fā)電機；座底重力式；傾覆；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隨著能源需求的急速增長，蘊藏巨大可再生能量的海洋成為新能源開發(fā)的重要對象。潮流能，作為海洋能的一種，由于可預測性好、穩(wěn)定性高，規(guī)律性強等優(yōu)勢，其開發(fā)技術正在日益得到發(fā)展。使用水輪發(fā)電機，將水流的動能轉化為電能，可以實現(xiàn)對潮流能的清潔開發(fā)。為給水輪機提供固定與支撐，根據(jù)不同
4、的水深、環(huán)境和使用條件，需要開發(fā)、設計相適應的支撐結構。根據(jù)支撐結構形式的不同，潮流能發(fā)電裝置可分為三類：漂浮式、樁基式和座底式。在膠南市齋堂島附近海域的新能源示范項目中，對座底重力式潮流能發(fā)電裝置進行了研究和實踐。1總體構成與結構特點座底重力式塔架潮流能發(fā)電裝置總體上包括水輪發(fā)電機和座底重力式支撐結構兩大部分（見圖1）。圖1座底重力式塔架潮流能發(fā)電裝置總體構成10水輪發(fā)電機位于支撐結構頂部，主要由水輪機葉片、傳動機構和發(fā)電機組成。傳動機構和發(fā)電機等由密封的機艙包圍，水輪機葉片則位于機艙外部。為有效避開海面波浪的直接影響并進行連續(xù)、有效的獲能，水輪機位
5、于海面以下一定深度處。該深度由水輪機的設計確定，并用于確定支撐結構的設計高度。葉片朝向與潮流方向基本一致，并通過變槳距機構使得葉片在雙向來流時均能保持較高的獲能效率。為避免影響葉片的運轉，水輪機機艙在潮流方向設計成細長的流線型，徑向尺寸遠小于葉片長度。座底重力式支撐結構頂部連接水輪機，底部通過基礎結構自然座落于海底，中間部分為滿足設計高度要求的剛性結構。整套裝置依靠水輪機和支撐結構的自重和海底的摩擦力滿足穩(wěn)定性的要求。支撐結構的設計比較靈活（見圖2），一般為全固定連接的鋼質框架。這樣的結構除了能很好的滿足結構穩(wěn)性并能提供對水輪機的支撐功能以外，而且結構
6、輕便，易于建造和海上安裝。而后者對于施工風險大、施工費用高昂的海洋工程領域非常重要。座底重力式支撐結構一般具有以下特點。1）由于三點支撐已具備穩(wěn)定性，為減少塔架的復雜程度，支撐基礎結構通常設計為3個站立腿柱。2）由于鋼質框架結構重量相對較輕，當自重無法滿足穩(wěn)性要求時，通過在腿柱內灌注混凝土可以有效的改善整體穩(wěn)性。這種設計優(yōu)點很多：不需增加結構的復雜程度，后期僅通過修改腿柱就可以進行調整；混凝土適合水下使用，且成本較低；腿柱位于整體結構的外圍底部，在該處增加的重量對于穩(wěn)性的貢獻更大。103）由于結構簡單，支撐結構規(guī)模較小而無需再分塊，為方便建造加工，支撐
7、結構一般通過焊接方式實現(xiàn)框架的全固定連接。2載荷座底重力式塔架所受的載荷主要有三類：水輪機工作載荷、環(huán)境載荷和自重。1）水輪機工作載荷主要包括水輪機水平推力和輪轂扭矩（見圖3）。水流沖擊葉片表面，除推動水輪機旋轉用于發(fā)電，也產生沿水輪機軸向的水平推力。由于輪轂和支撐軸承之間的摩擦，推動水輪機葉片旋轉的扭矩未能全部用于推動發(fā)電機，一部分用于克服摩擦形成最終作用到支撐結構上的輪轂扭矩。水輪機工作載荷由水輪機的設計者提供，作為支撐結構設計的輸入載荷。圖3水輪機工作載荷示意圖2）環(huán)境載荷包括水流和波浪載荷。由于水流對水輪機的載荷已考慮在水輪機工作載荷內，只需再
8、考慮水流對于支撐結構的載荷。潮流能發(fā)電裝置位于水面以下一定位置，避開了海面波浪的直接作用。隨著
