“滑动配重滑轮组”破解浮式风机浅水系泊难题

全球向清洁能源转型的过程中，海洋风力发电正发挥着越来越重要的作用。通常水深超过100米时，将巨型风机固定在漂浮式平台上（即浮式海上风机，FOWT）是公认更经济、可行的方案。这一在欧洲深海发展成熟的技术在引入我国时，却遇到了很大问题。

我国南海北部等典型大陆架海域的水深多处于30至100米之间，属于典型的“浅水或中等水深”。这种环境下使用传统的“悬链线”系泊绳索遇到极大的技术制约：由于水深浅，垂吊在海水中的系泊链很短，当风浪拉扯平台时，短链会迅速绷紧并产生剧烈的“几何硬化”效应，拉出极高的张力尖峰。在我国早期的浮式风机示范项目中，系泊系统的造价占到了整个工程的20%到30%，几乎是欧洲深海项目（10-15%）的两倍。

为了解决这一行业痛点，论文设计了一种带滑动配重块的自适应张力腿系泊系统（SC-TLMS），利用巧妙的机械结构，实现风机在浅海中高效减震，大幅缩减了海底占地面积与材料成本。传统的系泊系统就像拴一条固定长度的铁链，依靠铁链自身的重量随平台晃动在海床上起落来缓冲力量。浅水中，铁链太短导致缓冲机制几乎失效。科研团队另辟蹊径，设计了一套能够自动收放绳索、同时维持张力恒定的系泊方案：

图1所示，团队将传统的导向孔（Fairlead）移到了风机半潜式平台外立柱的底部，以防止绳索摩擦柱体。在立柱内部，掏空设计了一个垂直的、完全密封的配重舱（Compartment）。舱室内部安装有Constrained导轨，一组沉重的重力块（Clump Weight）通过顶部的滑轮组（Pulley System）与通往海底锚碇的钢丝绳相连。当海浪把风机向外推时，绳索通过滑轮组被拉出，拉动内部的重力块在导轨上垂直向上滑动，将海浪的动能平稳转化为重力势能；当平台回摆时，重力块下落，自动将绳索收回。这种封闭导轨设计在技术上克服了早期开放式悬吊配重块在海水中乱晃、撞击海床导致疲劳损伤的缺陷。

为了量化这套新系统的表现，研究团队利用OrcaWind仿真框架，将新系统与已经针对浅水优化过的传统重块悬链线系统（W-CMS）进行了静、动态性能的全面对比。

在静水环境下模拟平台遭遇水平位移（Offset）时，单根系泊线的受力变化情况：从图9(a)中可以清晰地看到，传统悬链线系统（W-CMS）位移超过4米后，由于浅水几何限制，钢链张力呈现出极为陡峭的指数级飙升，极易超出材料的安全承载极限。相比之下，采用了“重力-滑轮”机制的 SC-TLMS（蓝线），其绳索张力在水平位移从-20米到+20米的长跨度范围内，几乎保持为一条水平的直线。证明该机构能够在静态大位移下完美维持系泊张力的平稳，消除突发过载的风险。

随后，团队将装载了15兆瓦（MW）巨型风机的整体模型，投入到了模拟我国南海“50年一遇极端暴风雨”（LC3：波高10.7米，风速12米/秒）的时域动态测试中：在暴风浪高频拍击下，由于变长度机制容纳了波浪频率的运动，新系统（SC-TLMS）成功将迎风面1号系泊线的最大峰值张力降低60%。意味着工程师在设计时，可以使用更细、更轻的钢丝绳替代昂贵的重型巨链。得益于类似张力腿（TLP）的对称传力拓扑，新系统大幅增强了平台的抗扭转刚度，平台的最大偏航响应（Yaw）降低65%。对于保障风机在大风中的对风对焦稳定性、提升发电效率具有实际意义。

既然配重块在内部是动态上下滑动的，那么在极端的台风天，配重块会不会由于晃动幅度过大，直接撞碎舱顶或砸穿舱底？为了确保在极限工况下的运行可靠性，研究人员在舱室的最顶部和最底部都加装了弹簧缓冲限制器（Spring Buffer）。

图3展示了缓冲限制器的力学特性：当配重块在中间自由滑动时，限制力为零；一旦触碰到边界，会首先经历缓冲弹簧的线性弹性压缩；若遭遇极度猛烈的冲击，则迅速过渡到近乎刚性的高硬度阶段，锁死位移。

通过对 100t、300t、500t、700t 四种不同配重块的模拟发现（图8），100吨的配重块（图8c红柱）由于太轻，在大浪中频繁发生“撞顶”，引发了异常的高张力。而团队最终选定的 300吨黄金配重方案（黄柱），其垂直位移幅值表现平稳，全程轻柔地悬浮在安全行程限制器之内，完美实现了运动控制与受力优化的平衡。

此外，由于采用了高陡度的张力腿走线，其系泊线长度大幅缩短，锚固半径减小。不仅削减了昂贵的用料，还显着收窄了风机在海底的“占地面积（Footprint）”，对保护海洋生态环境和规避捕捞作业冲突同样带来了积极的价值。

学者介绍：邓燕飞，哈尔滨工业大学（深圳）智能学部智能海洋工程研究院副研究员、博士生导师。主要从事海洋工程水动力学、海上风电基础动力特性、极端波浪强非线性作用及海洋工程装备设计与智能化等方面研究。

ORCID：0000-0001-6882-7870

DOI：10.1016/j.oceaneng.2025.122145