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【第三十一期】大工技述:船舶与海洋工程科技新讯——船舶与海洋工程水动力团队研发三体高速船、单点系泊浮式海洋平台、海上风电等多项关键技术

2018-06-26  点击:[]

海洋是人类生存和发展的基本环境和重要资源,随着人类对能源需求和海上航运的日益增加和活跃,海洋成为世界主要沿海国家拓展经济和社会发展空间的载体。在现代海洋开发中,船舶与海洋工程发挥着越来越重要的作用。

大连理工大学“船舶与海洋工程水动力”创新团队依托于“船舶制造国家工程研究中心”、“工业装备结构分析国家重点实验室”和“高新船舶与深海开发装备协同创新中心”三个国家级平台,长期致力于复杂海洋环境下水动力学问题的研究。近年来,团队立足自主创新,相继研发出以半滑行复合前三体高速客货运输船设计、单点系泊浮式海洋平台设计以及海上双转子垂直轴风机设计为代表的多项关键技术,力图推进我国船舶与海洋工程事业高质高效发展。

 

半滑行复合前三体高速客货运输船设计技术

半滑行复合前三体高速客货运输船是一种新型高速船型,船体在高速航行时进入半滑行状态,克服喷溅阻力并减小船艏砰击,航速可达40节;突破了新式大型高速船型阻力、稳性、结构设计、强度校核、水弹性、振动以及疲劳分析等方面的研究难题,取得了一批具有自主知识产权与自主创新的成果和专利技术,进一步促进了我国大型高速船的研究开发。

半滑行复合前三体高速客货运输船效果图

针对由于三体船细长导致总纵强度(包括静态和动态)面临严峻的设计考验以及首部和连接桥处砰击载荷问题,团队通过建立包括T形翼等在内的附体结构、基于水弹性的波浪载荷计算技术和方法,建立前三体铝合金船总纵强度的计算和评估方法;通过对目标船的计算和交叉核对以及结构优化等系列技术手段,成功实现了船体总纵强度和局部结构加强。针对作业海域风高浪大的特点,团队通过运动控制装置进一步优化前三体复合船型,降低在波浪中的运动响应,研究船舶在波浪中运动的各种主动控制技术和被动控制的技术;通过采用综合技术方式,达到低晕船率的要求。团队还在阻力预报技术及其船型研究,振动、噪声和砰击设计,半滑行复合前三体船型的弹振和水弹性分析技术等多方面进行了大型半滑行船型前沿课题探索,实现了船体尾部振动、首部砰击和舱室噪声的控制,并将三体船波浪中的水弹性响应研究成果应用于相关结构的设计指导。

半滑行复合前三体船的基本设计图纸已得到中国船级社(CCS)认可,该船型设计资料也为CCS制定三体船规范提供依据和参考,对国内高速多体船的发展起到促进作用。目前团队正在积极推进该设计船型的产业化进程。

 

单点系泊浮式海洋平台设计关键技术

目前世界石油产量的1/3以上来自海洋,我国2010年以来新增石油产量的85%来自于海洋,世界浮式生产平台中以浮式生产储油卸油装置(FPSO)数量最多,大约占总量的60%。FPSO是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输,集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地,已成为海上油气田开发的主流生产方式。

软钢臂式单点系泊FPSO示意图

我国渤海海域多数FPSO均采用单点系泊形式,目前仍采用国外设计国内建造的模式。另外,随着浅海油气资源枯竭,未来我国采油必将走向深海。内、外转塔式单点系泊平台,将成为更适合于深海采油平台的结构形式。此项单点系泊浮式海洋平台设计关键技术完全适用于该领域,具有良好的经济效益和发展前景。国内海洋平台的结构设计可供借鉴的应用实例十分有限。

团队通过对平台及单点系泊系统的结构设计及分析方法进行研究,完成了单点系泊系统极端海况条件下初步设计方案,形成了单点系泊平台的一套完整的初步设计及结构分析与评价方法。同时收集10余个大方面,涉及870余篇主要资料以及2000余篇辅助资料,为单点系泊海洋平台的设计提供了相关设计依据。

应对我国渤海海域建设海洋平台时缺乏海洋环境资料(风、浪、流、冰、海底地形等)的现状,团队建立了海洋环境资料数据库系统,集成了极端海况预报分析模型,可实现为设计提供必要输入参数和谱分析、极限波浪预报等功能;同时,应对在极端环境条件下平台环境载荷及运动响应变化剧烈的问题,团队进行了风浪流水池试验研究,对软刚臂单点系泊系统机构及平台进行了高真实度试验模型设计。后者极大提高了实验的精度,解决了极端海况下单点系泊平台水池实验的精度控制问题。另外,团队还对极限工况浮式平台动力性能预报分析方法以及海上浮式平台搁浅、碰撞、水下爆炸结构安全性等问题进行了深入探索,为单点系泊浮式海洋平台设计打下了坚实理论和实践基础。

 

海上双转子垂直轴风机设计与开发关键技术

在全球高度关注发展低碳经济的环境下,海上风电有成为改变游戏规则的可再生能源电力的潜质。与海上风电采用的传统水平轴风机相比,双转子垂直轴风机的使用解决了叶片根部疲劳载荷的限制,降低了浮式基础承受的风机纵摇弯矩,发电机和变速箱在水线高度,易于维护和维修,同时减低风机的重心,提高整体稳性。较传统的单转子垂直轴风机相比,双转子垂直风机可以进一步增大产电效能,同时逆向旋转的设计可以大幅降低锚泊系统承受的艏摇弯矩载荷。

双转子垂直轴风机海上风电系统示意图

双转子垂直轴风机较传统垂直轴风机相比,发电效率增加高达20%,其发电效率与目前最先进的水平轴风机处于同一水平,但双转子垂直轴风机海上风电系统的装机总容量可达20兆瓦(目前在测试的最大水平轴风机装机容量为8兆瓦),大幅增加了海上风电项目的经济效益。同时,其浮式设计不受水深限制,不影响水产养殖以及海运航道,可应用于为我国偏远岛屿供电。

 

教授简介:

张桂勇,教授,博士生导师,国家学者,大连理工大学“船舶与海洋工程水动力”科研创新团队带头人,船舶与海洋工程水动力研究所所长和船模拖曳试验水池实验室主任。研究方向为船舶与海洋工程中流固耦合等关键共性问题研究以及极地船舶等高技术船舶开发技术,形成了将无网格等先进数值计算方法和船海工程创新紧密结合的研究特色。共发表SCI索引论文64篇,他引700余次;2013年出版了关于无网格光滑点插值法的英文专著。主持国家重点研发计划项目、海军装备十三五预研、国家自然科学基金面上等项目,参与国家自然科学基金重点项目、工信部高技术船舶等项目多项。先后获得亚太计算力学学会青年学者奖、高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖和海洋工程科学技术奖二等奖等奖励奖项。”

   

编辑排版:经顾廷

责任编辑:蔡  琳 张  璐

文字来源:张  翠 李秀峰

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