CN103402865A - 一种环形浮体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及浮体领域，尤其涉及一种包括中心月池(2)的环形浮体(1)，其被配置为使得，在水中，当涌浪的周期与该浮体(1)以升沉运动移动时的固有周期实质相等时，由中心月池(2)中相对于该涌浪反相振荡的大量的水施加在该浮体(1)上的垂直力至少部分地补偿由该涌浪施加在该浮体(1)上的垂直激荡力。本发明还涉及一种至少部分地消除浮体(1)以其固有周期的升沉运动的方法。

Description

一种环形浮体

技术领域

本发明涉及一种浮体，并且涉及一种至少部分地消除这样一种浮体的升沉运动的方法。

背景技术

浮体(buoyant body)在各方向遭受涌浪振荡。“升沉(heave)”是一种由涌浪引起的在垂直方向上这样的振荡运动。像浮体的其它振荡运动一样，升沉有各种缺点。除了在浮体遭受这样的升沉的甲板上会感受到明显不舒服之外，这种运动引起平台上不利地影响支撑结构的高加速作用，尤其在涌浪的周期与浮体的升沉固有周期接近时。

浮体的升沉固有周期T_升沉可以通过下面的方程式表达：

这里T_升沉代表升沉固有周期，M代表浮体的质量(排水量)，ρ代表水的密度，g代表重力加速度，S₀代表浮体的水平面(waterplane)面积，Ma代表由本领域技术人员通常限定的浮体的附加质量。附加质量Ma随浮体的形状、浮体的吃水深度(draught)、浪涌的周期以及其它因素而变化，并且例如可以利用公认的绕射-辐射准则(diffraction-radiation code)来计算。除非有别的指示，在本说明书的方程式和公式中所有的变量均使用国际单位制(SI)的测量单位。

施加在浮体上的力首先包括与不被浮体干扰的由涌浪产生的可变压力场有关的佛劳得克利洛夫力(Froude-Krylov)力，其次包括与来自浮体对涌浪的绕射有关的绕射力。这些力也能够利用绕射-辐射准则计算。

设置有“月池(moonpools)”的浮体对于本领域技术人员是已知的，尤其在浮动钻井平台中。“月池”是穿过浮体并与水平面相交的向下延伸的开口。它们的动态特性，尤其是月池中大量水的垂直振荡(“活塞模式”)已经被意识到是缺点。在题为“关于月池中的活塞和晃动模式(On the piston andsloshing modes in moonpools)”的论文(流体机械(J.Fluid Mech.)(2001)，第430卷，第27-50页)中，B·茂林(B.Molin)已经分析了漂浮平台上在这样的月池中包含的大量水的垂直振荡的这种“活塞模式”。但是，没有提出利用这种振荡来抵抗由涌浪施加在浮体上的激荡(excitation)力。

美国专利申请US2009/126616A1和US2006/045628A1中的每一个描述了具有月池的浮体，该月池适应于增大随浮体被垂直地驱动的水的附加质量，以便增大浮体的惯性，从而提高其升沉固有周期，使得所述固有周期在涌浪周期的一般范围之上。不幸的是，其遭受到导致由涌浪施加在浮体上的激荡力增大的缺点。

发明内容

本发明的目的是提出一种使升沉运动最小化的浮体，尤其是在浮体的升沉固有频率附近。

在本发明的浮体的至少一个实施例中，该目的是通过包括中心月池的环形浮体来实现的，并且该浮体被配置为使得，在水中，当涌浪的周期与浮体以升沉运动移动时的固有周期实质相等时，由中心月池中相对于涌浪反相振荡的大量的水施加在浮体上的垂直力，至少部分地补偿由涌浪施加在浮体上的垂直激荡力。在本说明书的内容中，对本领域技术人员应该清楚的是“周期与升沉固有周期实质相等”并非必然意味着周期准确地与所述固有周期相等，而是指相对于所述固有周期的某些变化(例如正负15％的变化)是可接受的。

利用这些配置，可以非常显著地减小浮体的升沉运动。此外，这些配置为某些应用提供额外的优势。为了使中心月池中相对于涌浪以相移(phase-shifted)的方式振荡的大量的水施加在浮体上的垂直力能够至少部分地补偿由涌浪施加在浮体上的垂直力，通常应该限制浮体的吃水深度，并且通常月池的面积相对于水平面面积应该特别大。尽管这相对于其吨位而言增大了浮体的整体尺寸，但这样一个宽的环形配置也对其静态稳定性有益，甚至到了消除对压载系统的需求的程度，甚至对于诸如风轮机的具有特别高重心的上层结构(superstructure)也是如此。

有利地，为了实现浮体的中心月池中振荡的大量的水与涌浪之间反相，同时也保留浮体结构的坚固性，中心月池中大量的水的垂直振荡活塞模式的固有周期T_活塞可以介于浮体以升沉运动移动时的固有周期T_升沉的1.25倍至1.55倍的范围内。

对于在具有实质垂直壁的浮体的中心月池中，大量的水的振荡活塞模式的固有周期T_活塞的近似值，可以使用下面的公式：

在该公式中，S₁代表中心月池的面积，g是重力加速度，以及k是系数，如果将月池看成具有相同面积的方形开口，该系数能够视作为等于0.52，如B.Molin所著题为“关于月池中的活塞和晃荡模式”(J.Fluid Mech.(2001)，第430卷，第27-50页)的论文中所描述的那样。

在中心池中振荡的大量水的固有周期T_活塞与浮体以升沉运动移动时的固有周期T_升沉之间的比率因而能够通过下面的公式表达：

因此，浮体的尺寸及其中心月池的尺寸可以有利地由下面的公式限定：

其中，附加质量Ma依赖于浮体的构造，通常介于浮体的质量M的0.45倍至0.85倍的范围中。

尽管如此，可替换地，可以利用数字工具，诸如本领域技术人员众所周知的流体动力分析软件，如Principia Diodore^TM、

AQWA或其它软件，用以更精确地计算固有周期T_活塞和T_升沉、消除周期T_施力、施加在各种浮体上的所有垂直激荡力、以及与涌浪的周期有关的浮体的升沉响应。

这样，在至少一个特别的实施例中，环形浮体包括至少一个有效载荷。尤其，所述至少一个有效载荷可以是用于利用能量的装置，诸如风轮机，也可以是其它用于利用海洋能源的装置，诸如来自波涛、来自涌浪、来自潮汐或来自水流的能量，来自大海的热能，来自大海的渗透能、或者任意其它类型的能量。在风轮机中，能够考虑本领域技术人员已知的所有类型的风轮机，例如水平轴或垂直轴、具有一个或多个转子、转子与发电机之间有变速装置或无变速装置、或者有任意数目叶片的风轮机。

由于浮体具有环形构造，可以使至少一个有效载荷相对于浮体偏离中心坐落。然后环形浮体可以在至少一个有效载荷附近具有更大的浸水容积以便于平衡有效载荷的重量。

为了将浮体在保持在适当位置，其还可以设置至少一个锚固装置，诸如用于锚固到塔标(turret buoy)的锚固装置、头部固定的锚固装置、缆绳(cable)、锚链(chain)或其它锚固装置。此外，其还可以包括至少一个横摇抑制装置，横摇抑制装置包含例如抗横摇龙骨、抗横摇水舱、或者经由U型管互连的多个抗横摇水舱装置等。

为了调整浮体的动态特性，例如可以通过将至少一个外来附加物(如裙板或平板)包含进浮体中来增加在浮体的垂直运动中跟随浮体的水的附加质量。还可以将中心月池中的至少一个附加物包含进浮体中，以便于调整升沉固有周期以及在中心月池中相对于涌浪反相振荡的大量水的涌浪周期。在有这些附加物时，随浮体振荡的水的附加质量Ma可介于浮体质量M的0.55倍至0.85倍的范围中，而在没有这些附加物时，附加质量Ma可介于浮体质量M的0.45倍至0.65倍的范围之内。为了增大大量水的晃动的粘性阻尼(viscous damping)，浮体还可在中心月池的外围包括与中心月池有限制地连通的至少一个横摇抑制腔。

本说明书还提供一种至少部分地消除浮体的升沉运动的方法，该浮体漂浮在遭受周期与升沉固有周期实质相同的涌浪的水中，其中所述浮体设置有中心月池，在中心月池中有大量的水相对于涌浪反相振荡，以便对浮体施加与由涌浪施加的垂直激荡力相反的垂直力。

通过阅读下面以非限制示例的方式示出的实施例的详细描述，能够很好地理解本发明并且能够更清楚地体现其优点。

附图说明

本说明书涉及说明书附图，其中：

图1A是本发明的浮体的第一实施例的俯视示意图；

图1B是图1A的浮体的侧视示意图；

图2是比较曲线图，示出与没有中心月池的浮体相比以及与环形浮体相比，图1A的浮体的升沉响应与涌浪周期的关系，其中所述环形浮体未被构造为使得中心月池中的大量水至少部分地补偿由涌浪施加的垂直力；

图3A是曲线图，示出图1A的浮体的升沉响应以及在所述浮体上施加的总体垂直激荡力与涌浪周期的关系；

图3B是比较曲线图，示出未被构造为使得中心月池中的大量水至少部分地补偿由涌浪施加的垂直激荡力的浮体的升沉响应；

图4A和图4B示意性示出涌浪接近或等于浮体的升沉固有周期时图1A的浮体的运动以及在浮体的中心月池中的大量水的运动；

图5A、图5B、图5C和图5D是本发明的浮体的各种实施例的俯视示意图；

图6A、图6B和图6C示意性示出具有伸入到中心月池中的水平板的浮体的三个不同实施例；

图7示意性示出在中心月池周围具有抑制腔的浮体的实施例；

图8示意性示出具有抗横摇龙骨的浮体的实施例；以及

图9示意性示出用于浮体的抗横摇装置的另一实施例。

具体实施方式

图1A和图1B示出本发明的环形浮体1的第一实施例。该浮体1具有方形形状并且设置有也是方形形状的中心月池2。浮体1还设置有在浮体1上偏离中心坐落的风轮机3。尽管示出风轮机3是具有水平轴向转子的轮机，但可以考虑其它类型的风轮机，水平轴或垂直轴的、具有一个或多个转子的、转子与发电机之间有变速装置或无变速装置的、或者有任意数目叶片的风轮机。还可以在同一浮体上装配多个风轮机。此外，作为替代的是，这样的浮体还能够用以支撑其它类型的设备，例如用于利用海洋能源(如来自波涛、来自涌浪、来自潮汐或来自水流的能量，来自大海的热能，来自大海的渗透能，或任意其它类型的能量)的其它类型的装置。浮体1还设置有锚固装置，其在该实施例中包括多个锚索4。但是也可以考虑本领域技术人员已知的其它可选择的锚固装置。

浮体1具有浅的吃水深度，使其能够用于浅水中，并且具有少量的出水高度(freeboard)，为风轮机3的维护操作提供容易的通道。

浮体1及其月池2具有这样的规格，在水中，当涌浪的周期与浮体的升沉固有周期基本上相等时，在中心月池2中的大量的水基本上与涌浪反相振荡。以这种方式，由在中心月池中基本上相对于涌浪反相振荡的所述大量的水施加在浮体上的垂直力，也基本上与由涌浪施加在浮体上的垂直激荡力反相。

本领域技术人员知道针对浮体1的各种构造而言能够用于根据涌浪的周期计算附加质量M_a以及由涌浪和在中心月池2中大量水的垂直振荡施加的垂直力的绕射-辐射准则，因而也知道用于消除垂直激荡力的固有周期T_活塞与固有周期T_升沉之间的最优比率。对于具有图1A和图1B所示的构造的浮体1，附加质量M_a是大约M的0.55倍，而用于实现中心月池中大量的水相对于涌浪反相的最优T_活塞/T_升沉比率介于1.25至1.55的范围之内，尤其在1.40附近。通过将这些值运用于方程式(3)，能够推导出，如果中心月池2是方形，则中心月池2的侧边的长度l是吃水深度d的大约4倍。如果在用于方形浮体1的排水量的方程式中将该比例应用作为吃水深度d的代入：

M＝ρ(L²-l²)d      (5)

则得到下面的三次多项式：

$\frac{\mathrm{\ρ}}{4.0}{l}^3-\frac{\mathrm{\ρ}{L}^2}{4.0}l+M=0---\left(6\right)$

从浮体1的给定排水量M和给定长度L开始，这样可以计算中心月池2的最优尺寸以便于实现在中心月池中的大量水相对于涌浪的反相，并因此实现施加在浮体1上的垂直激荡力的至少部分消除。从长度L和l以及从排水量M开始，也能够直接计算吃水深度d。

这样为了在具有5900公吨(t)的排水量M和39米(m)的边长L的方形浮体1上至少部分消除垂直激荡力(处于浮体1的升沉周期T_升沉)，也是方形的其中心月池2每一边可以具有23m的长度l。当具有这些尺寸，并且在密度大约为每立方米1027千克(kg/m³)的海水中时，浮体1具有5.8m的吃水深度d。在由公式(4)限定的范围内，如果保持具有L＝39m和l＝23m的方形形状，作为替代的实施例可以考虑不同的吨位和介于4.4m至8.4m范围中的吃水量。

图2示出浮体1的响应、也设置有中心月池但未经优化以使浮体的升沉最小化的另一浮体的响应、以及没有设置中心月池的浮体的响应。曲线201代表涌浪的振幅与浮体1升沉的振幅之间的传递函数RAO_升沉(heaveresponse-amplitude operator，升沉的响应-振幅算子)。通过比较的方式，曲线202代表涌浪的振幅与未经优化的环形浮体的振幅之间的传递函数，并且曲线203代表与没有设置中心月池的浮体相对应的传递函数。

在曲线203中能够看出，没有设置中心月池的浮体具有大约8.5秒(s)的固有周期，传递函数RAO_升沉在此处达到1.08的最大值。由曲线202表达其响应的未经优化的环形浮体在大约9.5s的固有周期处具有更明显的接近1.4的最大值。相反地，对应于环形浮体1的第一实施例的曲线201不具有这样的最大值，并且其值不超过1。

这是由于浮体1的升沉固有周期T_升沉在该示例中是5.8s，接近对应于由水施加在浮体1上的垂直激荡力的振幅的最小值。在图3A中，曲线201叠加在曲线301上，其中曲线301代表涌浪的振幅与浮体1上所有垂直激荡力的振幅之间的传递函数RAO_施力(力的响应-振幅算子)，可以看出该曲线301如何在周期T_施力处具有最小值，在该示例中是6.1s，其非常接近浮体1的升沉固有周期T_升沉。这是由中心月池2中大量水的垂直激荡力导致的，其相对于涌浪反相并且至少部分地消除在所述周期T_施力以及接近的周期处由涌浪施加在浮体1上的激荡力，如图4A和图4B示意所示。

在中心月池2中包含的大量水的活塞式垂直振荡相对于涌浪反相。该大量的水的流进和流出在浮体1附近产生振荡流动，其对于浮体1上的涌浪压力场至少有部分补偿。这也能表达为在浮体上施加的Froude-Krylov力与绕射力之间的反相。

为使装置适当地奏效，活塞模式固有周期T_活塞应该大于浮体的升沉固有周期T_升沉。激荡力的消除周期通常介于活塞模式固有周期T_活塞与浮体1的升沉固有周期T_升沉之间。这样，通常T_升沉＜T_施力＜T_活塞。

通过比较的方式，在图3B中，未经优化的环形浮体的响应RAO_升沉的曲线202叠加在曲线302上，其中曲线302代表涌浪的振幅与未经优化的环形浮体上的垂直激荡力的振幅之间的传递函数RAO_施力，并且该未经优化的环形浮体具有9.5s的升沉固有周期T_升沉。由于在这种情况下，周期T_升沉不接近于周期T_施力，所以由涌浪施加在未经优化的浮体上的激荡力没有被中心月池中大量水的垂直振荡显著地降低。相反，升沉共振实际上变得比没有设置中心月池的浮体更差。

为了平衡浮体1和为了补偿风轮3的重量，浮体1在其相对于所述风轮3的侧边上被加以压载。但是在图5A示出的替代实施例中，能够通过提高风轮机3附近的浮体1的浸水容积(因而及于其吃水量)而使压载物的重量最小化。此外，在其他实施例中，浮体1可以具有除了第一实施例的方形形状之外的其他形状。于是，在图5B示出的实施例中，浮体1具有圆形形状，并且在图5C和图5D示出的实施例中，浮体1具有三角形形状。

本发明的浮体的各种实施例可以由多种材料制成，例如诸如钢铁的黑色金属材料，诸如铝或其合金的有色材料，诸如混凝土的矿物质材料，或者包括复合材料的合成材料，以及多种这样的不同材料的组合。

此外，浮体的任一实施例还包括其外缘周围和/或中心月池中的附加物，以便增加在其垂直运动中伴随浮体的水的附加质量和/或以便改变在中心月池中大量水的振荡的活塞模式的固有周期T_活塞。图6A、图6B和图6C因此示出为了调整固有周期T_活塞而装配在这样的浮体1的中心月池2外缘周围的水平板5的三个可能的构造。为了抑制中心月池2中的水的晃动，如图7所示，该月池还可以包括在其外缘周围并且通过壁7与中心池2的中心隔开的抑制腔6，该壁7具有多个供水能够穿过的孔8。横摇抑制装置，例如抗横摇龙骨(anti-roll keel)，或者主动的或被动的抗横摇水舱(tank)装置，也能够包含进浮体中。图8示出具有用其流体动阻力来抑制浮体横摇振荡的抗横摇龙骨9的浮体1。被动的抗横摇水舱是包含大量流体的水舱并且尺寸被定为使得液体的晃动抑制横摇。如图9所示，抗横摇水舱的主动装置包括两个抗横摇水舱10A和10B，二者通过它们的底部经由U型管11互连，并且充满大量的液体。在这种情况下，横摇引起液体通过管11在水舱10A与10B之间的迁移。通过管11对液体的流动的阻力，可以抑制横摇。管11还可以设置有用于调整该对流动的阻力的工具。

尽管参考特定的实施例描述了本发明，但清楚的是在不超出本发明由权利要求限定的一般范围条件下可以对这些示例做出各种改型和变化。因此，应该认为说明书和附图是示意性地给出而不是限制性地给出。

Claims (12)

1.一种环形浮体(1)，包括中心月池(2)，其特征在于，该环形浮体(1)被构造为使得，在水中，当涌浪的周期与该浮体(1)以升沉运动移动时的固有周期实质相等时，由该中心月池(2)中相对于该涌浪反相振荡的大量的水施加在该浮体(1)上的垂直力至少部分地补偿由该涌浪施加在该浮体(1)上的垂直激荡力。

2.根据权利要求1所述的环形浮体(1)，以这样的方式配置，该中心月池(2)中的所述大量的水的垂直振荡活塞模式的固有周期T_活塞介于该浮体(1)以升沉运动移动时的固有周期T_升沉的1.25倍至1.55倍的范围中。

3.根据权利要求2所述的环形浮体(1)，其具有的水平面面积S₀、该中心月池在水平面中的面积S₁、吃水深度d和质量M在下面的公式中限定：

$1.25<\sqrt{\frac{\mathrm{\&rho;}{S}_0(d+0.52\sqrt{S_1})}{M+M_a}}<1.55$

其中ρ是水的密度，M_a是与该浮体(1)同相振荡的水的附加质量并且对应于该浮体的质量M的0.45倍至0.85倍的范围中。

4.一种浮体(1)，包括至少一个有效载荷。

5.根据权利要求4所述的环形浮体(1)，其中所述至少一个有效载荷包括至少一个能量利用装置。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的环形浮体(1)，其中至少一个有效载荷相对于该浮体(1)偏离中心坐落。

7.根据权利要求6所述的环形浮体(1)，其在所述至少一个有效载荷附近具有更大的浸水容积。

8.根据任一在先权利要求所述的环形浮体(1)，还包括至少一个锚固装置。

9.根据任一在先权利要求所述的环形浮体(1)，还包括至少一个横摇抑制装置。

10.根据任一在先权利要求所述的环形浮体(1)，还包括至少一个附加物，该附加物在该中心月池外部和/或内部，以便调整该浮体的流体动力特性。

11.根据任一在先权利要求所述的环形浮体(1)，其在该中心月池的外围还包括至少一个横摇抑制腔，该横摇抑制腔与该中心月池(2)有限制地连通。

12.一种至少部分地消除浮体(1)的升沉运动的方法，该浮体(1)漂浮在遭受周期与升沉固有周期实质相等的涌浪的水中，其中所述浮体(1)设置有中心月池(2)，在该中心月池(2)中有大量的水相对于所述涌浪反相振荡，以便在浮体上施加与由该涌浪施加的垂直激荡力相对的垂直力。

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