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CN112943545B - 一种漂浮式风机基础 - Google Patents

一种漂浮式风机基础 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种漂浮式风机基础，包括：立柱套筒、支撑立柱、若干侧立柱、可伸缩横撑结构、管状连接件和底部软舱结构；所述立柱套筒用于支撑风机塔架，所述的支撑立柱具有可在垂直方向伸缩的可伸缩结构；所述侧立柱对称布置在所述支撑立柱周围；所述可伸缩横撑结构连接于相邻的两个所述侧立柱之间，能在水平方向上伸缩；所述管状连接件包括第一管状连接件和第二管状连接件；所述第一管状连接件的两端分别与所述侧立柱上端和所述立柱套筒铰接，所述第二管状连接件的两端分别与所述侧立柱下端和所述底部软舱结构铰接，使得所述支撑立柱在所述垂直方向拉伸/压缩时，所述可伸缩横撑结构在所述水平方向上压缩/拉伸。

Description

一种漂浮式风机基础
技术领域
本发明涉及发电设备技术领域，具体涉及一种可变立柱跨距SPAR型单点漂浮式风机基础。
背景技术
近年来，在人类对可再生能源—风能的开发利用过程中，风机逐渐从陆上转向近海，又逐步从近海走向深远海。这个过程中，涌现了多种类型海上漂浮式风机基础的形式，这当中，以单立柱式(SPAR)、半潜式 (Semi-Submersible)、张力腿式(TLP)以及船型(Barge)四种类型的漂浮式风机基础最为常见。
目前，欧美国家在漂浮式风机基础的研发能力和投入上都处于领先地位。其中，最具有代表性的几类漂浮式风机基础包括：
(1)挪威国家石油公司(Equinor)研发的Hywind(单立柱式基础)，该基础由一根直径为14.4m的下浮体及直径为7.5m的过渡段所构成，过渡段上部承载着塔筒和风机，整体结构形式较为简单；
(2)美国的Principle Power研发的WindFloat(半潜式基础)，该基础由三个直径约10m的立柱构成，立柱间通过横撑和斜撑进行连接和加强，立柱底部有六边形的薄板结构作为垂荡板；
(3)法国的SBM Offshore研发的用于PGL海上风电场项目中的漂浮式基础(张力腿式基础)，其整体结构形式为桁架式，其中用于连接系泊系统的部分是三个圆形截面立柱，立柱上安装有锚链锁紧装置；
(4)法国IDEOL公司研发的DampingPool(船型风机基础)，该漂浮式风机基础由“回字形”的浮筒所构成，它采用了阻尼池技术来实现减摇功能。
由于我国近海岸较浅水深(大部分处在30-50m左右)的限制，目前海上风电场所采用的基础形式主要还是以单桩、导管架以及高桩承台等固定式基础为主。漂浮式基础的应用尚处于起步阶段，其中相对处于领先地位的主要是三峡新能源及龙源电力等公司主推的漂浮式样机项目，但无一例外的是，这些公司所采用的基础方案均为半潜式基础结构形式。
半潜式基础的主要特点是其水线面面积较小，立柱间跨距较大，结构形式相对较为简单，但是，体型庞大、建造成本高是其最主要缺点；另外，由于它的立柱跨距较大，当半潜式基础用于浅水环境时，当其运动较大时(主要为横摇和纵摇)，则在立柱底部边界处，极容易发生触底的事故，存在较大的安全隐患。
立柱式基础，由于其整体上主要为细长型结构，不存在诸如边界触底的问题；同时，其六自由度运动固有周期相对于半潜式基础更大，对于同样环境条件的海域而言，立柱式基础的运动性能更佳，对风机发电也更为有利；然而，对于常规的立柱式基础结构，其浸没于水中的部分高度可达80-100m (如Hywind等)，显然不太适用于我国大部分近海浅水深海域。
另外，对于漂浮式基础而言，系泊系统的布置也是一大难题。对于半潜式基础，可利用的系泊系统形式几乎只能是常规悬链线式系泊，而对于立柱式基础而言，其选择余地则相对较大，既可以采用悬链线式系泊，又能够采用半张紧或完全张紧式的系泊系统形式，系泊系统方案设计受限相对较小。这对于成本异常敏感的漂浮式风机而言，若能大幅度降低系泊系统的成本占比，无疑更利于商业化推广。
综上，为了能够同时获得立柱式和半潜式基础优良的稳定性和运动性能以及适应性更为广泛的系泊系统设计形式，且在一定程度上满足从浅水深向中等乃至深水过渡的需求，发明一款新型的漂浮式基础将变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够适应从中等水深过渡至深水范围内使用的新型立柱式风机基础结构形式。
为了达到上述目的，本发明提供了一种漂浮式风机基础，包括：立柱套筒、支撑立柱、若干侧立柱、可伸缩横撑结构、管状连接件和底部软舱结构；
所述立柱套筒、支撑立柱和底部软舱结构由上至下依次刚性连接；所述立柱套筒用于支撑风机塔架，所述的支撑立柱具有可在垂直方向伸缩的可伸缩结构；
所述侧立柱对称布置在所述支撑立柱周围；
所述可伸缩横撑结构连接于相邻的两个所述侧立柱之间，能在水平方向上伸缩；
所述管状连接件包括第一管状连接件和第二管状连接件；所述第一管状连接件的两端分别与所述侧立柱上端和所述立柱套筒铰接，所述第二管状连接件的两端分别与所述侧立柱下端和所述底部软舱结构铰接，使得所述支撑立柱在所述垂直方向拉伸/压缩时，所述可伸缩横撑结构在所述水平方向上压缩/拉伸。
优选地，所述立柱套筒和所述支撑立柱均为圆柱体，所述支撑立柱的直径小于所述立柱套筒的直径。
优选地，所述立柱套筒包括内部套筒和外部套筒，所述内部套筒和所述外部套筒之间设有多排联动滚珠轴承，使所述内部套筒和所述外部套筒间能够相互转动；所述内部套筒与所述支撑立柱刚性连接。
优选地，所述支撑立柱包括内部立柱和外部立柱，所述内部立柱套设于所述外部立柱内，所述内部立柱和所述外部立柱之间设有多组液压环向卡钳，使所述内部立柱和所述外部立柱在竖直方向上能相对移动，实现所述支撑立柱的伸缩，并能使所述内部立柱和所述外部立柱在任意位置上锁定。
优选地，其包含：至少三个所述侧立柱。
优选地，所述的底部软舱结构内部分隔为若干舱室，用于放置压载物。
优选地，当所述管状连接件与所述侧立柱之间的夹角为90°时，所述支撑立柱的高度与所述侧立柱的高度相同。
优选地，所述管状连接件与所述侧立柱能在90°-180°之间以任意角度悬停。
优选地，所述管状连接件与所述立柱套筒、侧立柱和底部软舱结构之间均通过铰接支座铰接。
本发明的有益效果：
本发明中的多立柱型SAPR基础主要通过支撑立柱内外套筒间的伸缩功能，辅以侧立柱端部的管状连接件，实现侧立柱间的可变跨距，使得该风机基础能够在不同风机载荷工况下，调节其结构转动方向(主要为横摇和纵摇) 的回转半径(转动惯量)，来抑制过大的基础运动转角，从而提高风机发电效率，降低度电成本(LCOE)。另外，本发明通过顶部大直径的立柱套筒的内外套筒间的转动功能，在整体上实现了“单点”系泊系统的风向标功能，在减少结构波浪载荷的同时，还能提高风轮对风及发电效率。
附图说明
图1为风机与本发明的基础整体结构的连接状态示意图。
图2为本发明的立柱套筒的结构示意图。
图3-1为本发明的系泊缆的位置俯视图。
图3-2为本发明的系泊缆的位置主视图。
图4为本发明的支撑立柱结构示意图。
图5为本发明的液压环向卡钳示意图。
图6为本发明的多立柱(包含支撑立柱和侧立柱)结构示意图。
图7为本发明的侧立柱跨距最大时的结构示意图。
图8为本发明的侧立柱跨距最小时的结构示意图。
图9为本发明的侧立柱铰接结构示意图。
1-立柱套筒，11-内部套筒，12-外部套筒，13-滚珠轴承，2-支撑立柱，21- 内部立柱，22-外部立柱，23-液压环向卡钳，3-侧立柱，4-管状连接件，41- 第一管状连接件，42-第二管状连接件，43-铰接支座，5-可伸缩横撑结构，6- 底部软舱结构，7-系泊缆。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供了可变立柱跨距SPAR型单点漂浮式风机基础，包括：立柱套筒1、支撑立柱2、若干侧立柱3、管状连接件4、可伸缩横撑结构5和底部软舱结构6。所述立柱套筒1、支撑立柱2和底部软舱结构6 由上至下依次刚性连接，所述侧立柱3对称布置在所述支撑立柱2周围，所述管状连接件4用于连接所述侧立柱3与所述立柱套筒1和底部软舱结构6。所述管状连接件4包括第一管状连接件41和第二管状连接件42；所述第一管状连接件41的两端分别与所述侧立柱3上端和所述立柱套筒1铰接，所述第二管状连接件42的两端分别与所述侧立柱3下端和所述底部软舱结构6 铰接，使得所述支撑立柱2在所述垂直方向拉伸/压缩时，所述可伸缩横撑结构5在所述水平方向上压缩/拉伸。
如图2所示，所述立柱套筒1为大直径圆柱体结构，起到承载塔筒和风机重量的作用。所述立柱套筒1包括内部套筒11和外部套筒12，其中所述支撑立柱2与所述内部套筒11刚性连接，风机塔筒与所述外部套筒12刚性连接。所述内部套筒11与所述外部套筒12之间设有多排联动滚珠轴承13，使所述内部套筒11和所述外部套筒12间能够相互转动，从而使得该基础结构在整体上具有类似单点系泊的功能(风向标效应)，即风机带动外部套筒 12实现对风功能，而内部套筒11连同下部其他结构实现在艏摇方向(RZ方向)的限位功能。所述内部套筒11同时用于连接分布式系泊缆。如图3-1和图3-2所示，在垂向上系泊缆悬挂在内部套筒上，对内部套筒及其下部结构进行艏摇限位。
如图4所示，所述支撑立柱2为圆柱体，其直径小于所述立柱套筒1的直径。所述支撑立柱2具有可伸缩结构，实现中央支撑立柱的伸缩功能，提高有限范围内的水深适应性。所述支撑立柱2包括内部立柱21和外部立柱 22。如图5所示，所述内部立柱21和所述外部立柱22之间设有多组液压环向卡钳23，使所述内部立柱21和所述外部立柱22在竖直方向上能相对移动，实现所述支撑立柱2的伸缩，并能使所述内部立柱21和所述外部立柱22在任意位置上锁定。
如图6所示，所述侧立柱3对称布置在所述支撑立柱2周围，所述侧立柱3至少有三个；优选地，所述侧立柱3有四个。相邻的两个所述侧立柱3 之间通过所述可伸缩横撑结构5连接，起到对所述侧立柱3的支撑和加强作用，所述可伸缩横撑结构5能在水平方向上伸缩。优选地，所述可伸缩横撑结构5设有两排，其直径小于所述侧立柱3的直径。
如图7和图8所示，所述侧立柱3上端和下端分别铰接一管状连接件4，铰接于所述侧立柱3上端的管状连接件41与所述立柱套筒1铰接；铰接于所述侧立柱3下端的管状连接件42与所述底部软舱结构6铰接。当所述侧立柱 3有四个时，所述管状连接件4设有四组，每两根为一组。优选地，所述管状连接件4为铰接圆管，其直径小于所述侧立柱3的直径。铰接圆管嵌套与所述侧立柱3内。如图7所示，当所述管状连接件4与所述侧立柱3之间的夹角为90°时，所述支撑立柱2的高度与所述侧立柱3的高度相同。此时，所述侧立柱3的跨距最大，所述管状连接件4为水平布置。所述侧立柱3的跨距越大，结构的回转半径越大，在相同排水量条件下，其在横摇(RY方向)和纵摇(RX方向)方向的转动惯量就越大，因而对于相同载荷工况而言，其偏转角度更小，有利于提高风机发电效率。如图8所示，当所述管状连接件4与所述侧立柱3之间的夹角为180°时，所述侧立柱3的跨距最小，所述管状连接件4为竖直布置。如图9所示，所述管状连接件4与所述立柱套筒1、侧立柱3和底部软舱结构6之间均通过铰接支座43铰接，通过该铰接支座43，配合所述支撑立柱2的伸缩结构，使所述管状连接件4与所述侧立柱3能在90°-180°之间以任意角度悬停，实现侧立柱横向跨距的增减功能，通过侧立柱间横向跨距的增减功能，可以调整该结构在不同风机载荷工况下的稳定性。
实施例：
本发明中的风机基础结构的顶部为直径约20m左右的大直径的立柱套筒，高度约15m左右，干舷为5m，相应的，其入水深度约为10m左右，风机及塔架重量约为900-1000t。支撑立柱外部套筒高度约30m，其直径约为8m，内部套筒直径较外立柱相对较小，且与外立柱的直径差值保持在0.5m 左右，其全部伸展后(侧立柱跨距最小状态时)的高度可达45m。四根侧立柱的横截面直径约为4m，其高度与中央支撑立柱外部套筒高度相同，其上等间距的布置可伸缩横撑结构(共两排)，其截面为圆形，直径约为1m，支撑立柱底部布置有高度约为5m，直径约20m的底部软舱结构，其内部可分隔一定数量舱室，放置压载物(液体压载或固体压载等)。在侧立柱端部起到使其与顶部大直径的立柱套筒与底部软舱结构相互连接的铰接圆管，其直径为1～2m，这些铰接圆管与侧立柱、顶部大直径的立柱套筒以及底部软舱结构都通过互相铰接的型式进行嵌套连接，两种极限状态下(侧立柱最大和最小跨距)，对应的铰接圆管为水平和竖直布置，通过支撑立柱内外部套筒间的液压环向卡钳结构的锁定功能，可以实现铰接圆管在90°(水平)和180° (竖直)角度间的任意转换，相应的实现水平跨距的连续性变化。
铰接圆管在90°(水平)和180°(竖直)角度间变化时，该基础所对应的浸没于水中的结构高度在45～60m之间进行变化，因而该基础结构可适用水深为大于等于45m，基本上可以实现覆盖过渡水深范围及至中深水范围的需求。
综上所述，本发明提供了一种可变立柱跨距SPAR型单点漂浮式风机基础，侧立柱与立柱套筒和底部软舱结构间通过较小横截面铰接圆管进行连接，配合支撑立柱的内外立柱间的伸缩和锁定功能，可实现铰接圆管从0°到90°之间任意角度的悬停状态，进而实现风机基础能够从浅水深向中等乃至深水过渡；并使得该风机基础能够在不同风机载荷工况下，调节其结构转动方向 (主要为横摇和纵摇)的回转半径(转动惯量)，来抑制过大的基础运动转角，从而提高风机发电效率，降低度电成本(LCOE)。通过顶部立柱套筒的内外筒间的转动功能，在整体上实现了“单点”系泊系统的风向标功能，在减少结构波浪载荷的同时，还能提高风轮对风及发电效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。

Claims (9)

1.一种漂浮式风机基础，其特征在于，包括：立柱套筒、支撑立柱、若干侧立柱、可伸缩横撑结构、管状连接件和底部软舱结构；
所述立柱套筒、支撑立柱和底部软舱结构由上至下依次刚性连接；所述立柱套筒用于支撑风机塔架，所述的支撑立柱具有可在垂直方向伸缩的可伸缩结构；
所述侧立柱对称布置在所述支撑立柱周围；
所述可伸缩横撑结构连接于相邻的两个所述侧立柱之间，能在水平方向上伸缩；
所述管状连接件包括第一管状连接件和第二管状连接件；所述第一管状连接件的两端分别与所述侧立柱上端和所述立柱套筒铰接，所述第二管状连接件的两端分别与所述侧立柱下端和所述底部软舱结构铰接，使得所述支撑立柱在所述垂直方向拉伸/压缩时，所述可伸缩横撑结构在所述水平方向上压缩/拉伸。
2.如权利要求1所述的一种漂浮式风机基础，其特征在于，所述立柱套筒和所述支撑立柱均为圆柱体，所述支撑立柱的直径小于所述立柱套筒的直径。
3.如权利要求1所述的一种漂浮式风机基础，其特征在于，所述立柱套筒包括内部套筒和外部套筒，所述内部套筒和所述外部套筒之间设有多排联动滚珠轴承，使所述内部套筒和所述外部套筒间能够相互转动；所述内部套筒与所述支撑立柱刚性连接。
4.如权利要求1所述的一种漂浮式风机基础，其特征在于，所述支撑立柱包括内部立柱和外部立柱，所述内部立柱套设于所述外部立柱内，所述内部立柱和所述外部立柱之间设有多组液压环向卡钳，使所述内部立柱和所述外部立柱在竖直方向上能相对移动，实现所述支撑立柱的伸缩，并能使所述内部立柱和所述外部立柱在任意位置上锁定。
5.如权利要求1所述的一种漂浮式风机基础，其特征在于，其包含：至少三个所述侧立柱。
6.如权利要求1所述的一种漂浮式风机基础，其特征在于，所述的底部软舱结构内部分隔为若干舱室，用于放置压载物。
7.如权利要求1所述的一种漂浮式风机基础，其特征在于，当所述管状连接件与所述侧立柱之间的夹角为90°时，所述支撑立柱的高度与所述侧立柱的高度相同。
8.如权利要求1所述的一种漂浮式风机基础，其特征在于，所述管状连接件与所述侧立柱能在90°-180°之间以任意角度悬停。
9.如权利要求1所述的一种漂浮式风机基础，其特征在于，所述管状连接件与所述立柱套筒、侧立柱和底部软舱结构之间均通过铰接支座铰接。
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