单柱复合筒型基础一体化下放过程模型试验

张权; 乐丛欢; 校建东; 陈忐; 陈鹏飞; 张浦阳

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503575

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3798-3805 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503575

电工技术

单柱复合筒型基础一体化下放过程模型试验

张权 ¹ ,
乐丛欢 ²^,^* ,
校建东 ¹ ,
陈忐 ² ,
陈鹏飞 ¹^,² ,
张浦阳 ²

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Model Test on Integrated Lowering Process of Mono-column Composite Bucket Foundation

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摘要

为实现单柱复合筒型基础海上风机一体化运输安装的目的,研发了一体化浮运平台,并以该多体耦合系统的一体化初期下放过程为研究对象,设计了缩尺比为1∶80的室内模型试验,研究了单柱复合筒型基础风机的一体化下放过程中,下放深度对风机整机和辅助安装平台运动响应、复合筒基础分舱气压以及平台系泊缆绳张力等动力特性的影响。研究发现,在下放过程中,在辅助安装平台的掩护下,风机整机的纵摇、横摇运动响应得到了较好控制,纵摇倾角极值在筒顶盖淹没前显著增大,淹没后逐渐稳定,筒内迎浪侧分舱的舱压均值及波动幅度显著增大;安装平台的浮稳性更好,纵摇、横摇倾角幅值均能控制在2°以内,迎浪侧平台系泊力较大,且缆绳张力的均值、极值和波动幅度均呈上升趋势,系泊力峰值可达302.75 t。该结果可为实际工程中风机基础的一体化下放提供理论依据和技术支持,并对优化安装平台设计、提高施工效率和安全性提供更多的指导。

Abstract

To achieve the goal of integrated transportation and installation of mono-column composite bucket foundations for offshore wind turbines, an integrated floating platform was developed. Focusing on the early lowering process of this multi-body coupled system, a laboratory-scale model test with a scale ratio of 1∶80 was designed to investigate the dynamic characteristics of the integrated lowering process, including the motion response of the wind turbine and installation platform, compartment air pressure of the composite bucket foundation, and mooring cable tension. The research found that during the lowering process, with the assistance of the auxiliary installation platform for protection, the longitudinal and lateral oscillation responses of the entire wind turbine are well controlled. The extreme values of the longitudinal oscillation angle significantly increases before the top cover of the cylinder was submerged, and then gradually stabilizes after submersion. The mean and fluctuation amplitude of the cabin pressure on the wave-facing side of the cylinder interior significantly increases. The buoyancy stability of the installation platform is better, with the amplitude of the longitudinal and lateral oscillation angles being able to be controlled within 2°. The mooring force on the wave-facing side of the platform is relatively large, and the mean, extreme, and fluctuation amplitudes of the cable tension all show an upward trend. The peak mooring force could reach 302.75 t. The result can provide a theoretical basis and technical support for the integrated installation of wind turbine foundations in practical engineering applications, while offering more guidance for optimizing installation platform design and improving construction efficiency and safety.

Graphical abstract

关键词

海上风电 / 单柱复合筒型基础 / 一体化下放安装 / 模型试验 / 动力特性

Key words

offshore wind turbine / mono-column composite bucket foundation / integrated lowering installation / model test / dynamic characteristics

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张权, 乐丛欢, 校建东, 陈忐, 陈鹏飞, 张浦阳. 单柱复合筒型基础一体化下放过程模型试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(9): 3798-3805 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503575

ZHANG Quan, LE Cong-huan, XIAO Jian-dong, CHEN Tan, CHEN Peng-fei, ZHANG Pu-yang. Model Test on Integrated Lowering Process of Mono-column Composite Bucket Foundation[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(9): 3798-3805 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503575

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截至2024年第三季度,中国海上风电累计并网容量达到3 910万kW,稳居全球第一位^[1]。中国拥有丰富的海上风能资源,大力发展海上风电是推动能源结构绿色转型、助力实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”目标的重要举措^[2-3]。为支撑这一战略部署,中国政府出台了一系列政策措施,统筹推进山东半岛、长三角、闽南、粤东等千万千瓦级海上风电基地建设,完善竞争性配置机制,推动技术创新与全产业链协同降本。与此同时,沿海省份正加快海上风电项目规划、核准与开发建设,积极推动产业规模化、高质量发展。

相比于陆上风电,海上风电的运输安装成本通常更高。目前海上风机的安装作业主要采用专用船舶逐件吊装的方式:即通过专业风电安装船,在海上对风机基础、塔架、机舱、叶片等组件依次进行单独安装^[4]。而采用一体化运输安装平台,则能够减少复杂的海上吊装环节,有效缩短海上施工周期,降低对天气与海况等施工窗口期的依赖。

单柱复合筒型基础是三峡集团上海院针对广东、福建等近海深水海域复杂地质环境下海上风电项目创新研发的一种新型基础型式,其整体结构为“单柱+连接件+筒体”的结构,充分发挥单桩和传统筒形基础结构的优势,可解决近海深水海域水深、浪大、基岩埋深浅、施工窗口期短的工程难题。同时,陆上整体建造,海上驳船运输,现场快速下沉安装,无需打桩及嵌岩施工,可有效提高基础的施工效率,降低整体工程造价。

目前已针对复合筒型基础的运输安装作业开展了许多探索与研究。倪道俊等^[5]通过一步式运输安装船现场实验,对江苏响水风电整机施工过程中塔筒、叶片吊装以及拖航过程进行实时监测。刘俊峰等^[6]通过现场原型试验的方法,对首批海上风电单柱复合筒型基础的沉放过程进行分析,表明了单柱复合筒型基础可实现吸力安装下沉,且在调平上具有极强的可控性。张浦阳等^[7-9]使用MOSES水动力分析软件通过对海上风电单柱复合筒型基础拖缆力、运动响应、筒内气压等相关拖航动力特性的研究,验证了其较好的拖航性能。闵巧玲^[10]通过模型试验与数值模拟的手段,分析了不同波浪荷载下复合筒型基础吃水深度、航速、压载等因素对基础拖航运动特性的影响。章李卉^[11]推导了复合筒型基础不同状态下的稳性高度及大小倾角稳性回复力矩计算公式,分析了风浪联合作用下筒型基础的稳定性与耐波性。赵荥^[12]以某工程原型单筒多舱筒型基础为研究对象,通过理论计算、模型试验和数值模拟方法,研究了筒型基础气浮拖航过程中“气-液-固”耦合机理及浮运特性。黄绍幸等^[13]通过物理模型试验分析了拖揽点位置对单柱复合筒型基础的拖航特性的影响。Xiao等^[14]通过缩尺模型试验,检验了单柱复合筒型基础在规则波中拖曳时的浮体特性。Chen等^[15]根据已开发出的一种海上风电单柱复合筒型基础风机一步式浮式运输平台,设计了1∶80缩尺比的复合筒型基础风机一体化拖航模型试验,研究波高、波浪周期和波浪入射角等环境因素对一体化风机和浮式平台在浮运过程中的运动响应、舱内压力以及缆绳拖曳力的影响。Zhang等^[16]通过静水拖曳试验比较了分隔结构对复合筒型基础(composite bucket foundation,CBF)拖曳阻力的影响,并分析了结构运动特性和气垫压力的变化。

在海上风电领域,一体化设计^[17-18]正渐渐成为业内主流的设计方式。现设计海上风电单柱复合筒型基础的一体化整机物理试验模型,进行一体化下放安装模拟试验,进一步探究下放施工初期下放深度对单柱复合筒型基础一体化风机下放过程稳性的影响。

1 试验设计

1.1 试验模型

海上风电单柱复合筒型基础一体化下放试验在天津大学水利工程智能建设与运维全国重点实验室进行,推板式造波机可用于制造不同波高及周期的波浪用于模拟海洋环境。研究模型试验采用缩尺比λ=1∶80,遵循弗劳德数相似准则,一体化单柱复合筒型基础风机以及辅助安装平台试验模型如图1所示,用于模拟安装平台辅助下风机整机的一体化下放过程,下放过程中复合筒内各舱室分布如图2所示。对于下放过程,按照全局坐标系,遵循右手法则,船艉到船艏方向为X轴正向,船舯到左舷方向为Y轴正向,Z轴指向水面上方,下放过程中,艏倾为正,艉倾为负。环境坐标系中,X轴正向方向定义为0°方向,相反为180°方向,Y轴正向方向定义为90°方向,环境角度逆时针增加。

模型制作材料选用聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate,PMMA),材料密度1.18 g/cm³,模型各部件按照比例进行制作,严格保证模型线性尺寸与原型线性尺寸满足相似比。同时,在满足线性尺寸的前提下,要保证模型质量、重心高度以及回转半径满足比例要求,在Abaqus有限元软件建立模型,通过改变模型厚度以及增加配重的方法进行调节,最终确定模型厚度均为5 mm,在单柱截面一过渡处设置法兰盘,对称放置4 块质量为0.5 kg的配重块。模型制作过程中提前预留气压计孔、排气管道和拖缆点洞口,设置倾角仪安装法兰。试验筒型基础模型示意图如图3所示,模型、原型参数对比如表1所示。

1.2 试验方案

试验设置不同的试验工况,对单柱复合筒型及筒型基础带风电塔筒及机组下放安装过程进行模拟,研究在下放初期不同下放深度下,下放过程中结构的运动响应以及姿态控制模式,为实际工程的开展提供指导。试验筒型基础下放初期,采用主动调节筒内气垫高度的方式调节下放深度,辅助安装平台在初始沉放过程中主要用作导向和扶正装置。试验改变下放深度,使用不规则波进行模拟,监测筒型基础和辅助安装平台在下放过程中的运动响应、筒舱气压波动以及系缆力变化等,研究大直径单柱复合筒型基础在下放过程中的稳性。

根据《海上风力发电工程施工规范》(GB/T 50571—2010)^[19]的要求,将模型试验模拟的真实海洋环境波浪高度设计为1.5 m,设计试验原型筒型基础不同下放深度分别为4.0、8.0、12.0 m,设计工况如表2所示。

2 结果分析

按照上述试验设计方案进行试验,探究下放作业初期下放深度在下放过程中对风机整机以及辅助安装平台动力特性的影响,如图4所示为单柱复合筒型基础一体化下放试验现场图片。选取风机整机和辅助安装平台运动响应中较为剧烈的纵摇和横摇运动、筒型基础迎浪侧1舱和避浪侧4舱舱压以及平台迎浪侧缆绳1和避浪侧缆绳2系泊力作为对比分析的关键指标,每组试验记录300 s时长的数据,为排除试验初期瞬态响应的影响,舍弃前120 s的结果。

2.1 风机整机动力响应

2.1.1 风机整机动力响应

将试验数据按照试验原型与模型的物理量比尺转化为试验原型数据,绘制各工况下风机整机运动响应(纵摇和横摇)前600 s的数据如图5所示,并绘制各工况的统计值箱线图如图6所示。

可以看出,随着下放初期下放深度的增加,复合筒基础筒顶盖逐步入水,基础附加质量增大且受到抨击荷载作用,风机整机纵摇方向运动极值在筒顶盖淹没前增大明显,筒顶盖入水后逐渐稳定。在辅助安装平台的掩护作用下,风机整机下放入水作业过程中整体运动响应得到了较好的控制,其中横摇方向运动满足《海上风电场工程风电机组复合筒型基础技术规范》(NB/T 11086—2023)^[20]的复合筒型基础顶盖未入水前2°横摇倾角和复合筒型基础顶盖入水后3°横摇倾角的要求,而纵摇方向运动平衡位置受波浪影响较为明显,纵摇方向运动幅值在下放初期均能控制在4°以内。

试验模拟的是单柱复合筒型基础风机的整机下放,相比于单独复合筒型基础的浮吊或辅助下放过程中摇摆运动的控制模式更加复杂,实际工程中辅助安装平台应增加限位或主动扶正装置,能进一步提高单柱复合筒型基础风机一体化下放过程中的摇摆稳定性。

2.1.2 筒型基础各舱气压

将试验数据按照试验原型与模型的物理量比尺转化为试验原型数据,绘制各工况下筒型基础1舱(迎浪侧)和4舱(避浪侧)舱压前600 s的数据如图7所示,并绘制各工况的统计值如图8所示。

可以看出,在正面0°波浪入射环境下,依靠筒内主动存气的下放过程中,随着筒型基础吃水深度的增加,迎浪侧1舱平均舱压和舱压波动幅度在逐渐增大,而避浪侧4舱平均舱压变化较不明显,但波动幅度在逐渐增大。

2.2 辅助安装平台动力响应

2.2.1 平台运动响应

将试验数据按照试验原型与模型的物理量比尺转化为试验原型数据,绘制各工况下辅助安装平台运动响应(纵摇和横摇)前600 s的数据如图9所示,并绘制各工况的统计值箱线图如图10所示。

相比于风机整机,辅助安装平台浮稳性更好,纵摇和横摇固有周期更大。根据数据可以看出,试验下放过程中在正面1.5 m波高的入射波浪环境下,辅助安装平台的纵摇运动响应幅值均能控制在2°范围内。平台纵摇和横摇运动伴随筒型基础下放深度的增加响应幅度明显增大,但横摇运动幅值仍然较小,横摇倾角最大仅0.87°。

2.2.2 平台系泊力

将试验数据按照试验原型与模型的物理量比尺转化为试验原型数据,绘制各工况下辅助安装平台缆绳系泊力1(迎浪侧)和系泊力2(避浪侧)前600 s的数据如图11所示,并绘制各工况的统计值箱线图如图12所示。

可以明显看出,相较于避浪侧,迎浪侧系泊缆绳张力更大。随着下放深度的增加,筒型基础附加质量逐渐增大,且整体结构迎浪面积增加,入射波散射效应更加显著,因此迎浪侧缆绳的系泊力均值、极值和波动幅度均呈现上升趋势,筒型基础吃水12 m时系泊力最大值为302.75 t。

3 结论

研究了单柱复合筒型基础风机的一体化下放过程,重点分析了下放初期阶段下放深度对风机整机和辅助安装平台运动响应、复合筒基础分舱气压变化以及平台系泊缆绳张力的影响。研究结果表明,下放深度的增加对风机整机和安装平台的动力特性均影响显著,主要结论如下。

(1)随着下放深度的增加,风机整机纵摇方向运动极值在筒顶盖淹没前显著增大,淹没后逐渐稳定。在辅助安装平台的掩护作用下,风机整机的运动响应得到了较好的控制,其中横摇倾角在复合筒基础顶盖入水前后均满足规范的限制要求,纵摇倾角的平衡位置受波浪影响明显,但运动幅值均能控制在4°以内。

(2)在0°迎浪环境下,依靠筒内主动存气的下放过程中,随着筒型基础吃水深度的增加,迎浪侧1舱的平均舱压和舱压波动幅度均逐渐增大,避浪侧4舱的平均舱压变化不明显,但波动幅度也在逐渐增大。

(3)辅助安装平台的浮稳性更好,在试验1.5 m波高的波浪环境下,安装平台的纵摇倾角幅值均能控制在2°以内,伴随筒型基础下放深度的增加,平台纵摇和横摇运动响应幅度明显增大,但横摇运动幅值仍均小于1°。

(4)安装平台迎浪侧系泊缆绳张力显著高于避浪侧,且随着筒型基础下放深度的增加,缆绳张力的均值、极值和波动幅度均呈现上升趋势,系泊力峰值为302.75 t。

未来研究将进一步研究不同波浪入射角度、风浪流等条件下风机一体化整机下放过程的动力响应特性和理论机理研究,以及辅助安装平台的优化设计及模型试验验证,为实际工程中风机基础的一体化下放提供理论依据和技术支持,并对优化安装平台设计、提高施工效率和安全性提出更多的指导。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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