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一种整体桁架式海上风电机组支撑结构 Download PDF

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Abstract

一种整体桁架式海上风电机组支撑结构，涉及海上风电机组，包括三根桩，其特征在于：还包括均由三个呈等边三角形布置的立柱构成外框体的桁架式风机塔架、桁架式基础结构；桁架式风机塔架和桁架式基础结构采用法兰连接；桁架式基础结构的每个立柱下端设有一个桩腿，桩腿通过连杆A和连杆B与桁架式基础结构的立柱连接，连杆A为立柱与桩腿之间的水平连杆，连杆B为立柱与桩腿之间的斜连杆；桩穿过桩腿贯入海底土中将桁架式基础结构固定于海床上，桩的上端与桩腿焊接固定。本发明所述的整体桁架式海上风电机组支撑结构，采用整体桁架式结构作为支撑结构，材料强度利用率好，施工周期短、施工成本低，结构成本低，适用任何海底条件且适用水深范围大。

Description

一种整体桁架式海上风电机组支撑结构
技术领域
本发明涉及海上风电机组，具体的说是一种整体桁架式海上风电机组支撑结构。
背景技术
海上风电机组支撑结构是海上风电场建设的关键结构，其成本决定了海上风电场能否实现并网发电，成为传统能源的替代能源。
目前，海上风电机组支撑结构主要有重力式结构、单桩结构、三角架结构、导管架结构和浮式结构。其中，重力式结构适用的最大水深为10m，单桩结构适用的最大水深为30m，三角架结构适用的最大水深为40m，导管架结构适用的最大水深为50m，而浮式结构适用的水深则为50m以上。海上风电机组支撑结构的成本随结构形式和水深两个因素增长，如相同水深条件下，单桩结构的成本大于重力式结构，三角架结构的成本大于单桩结构，导管架结构的成本大于三角架。单桩结构采用液压打桩锤将钢管桩贯入海底，上端露出海面并用桩帽调整桩的垂直度，并与风机塔架连接，桩帽与桩采用灌浆连接。三角架结构采用直径与风机塔架直径相同的中心立柱与三根小直径桩腿连接的三角形基础结构，因此，侧向刚度大于单桩结构。导管架结构采用石油平台的设计概念，利用刚架结构来增加水下结构的刚度。
海上风电机组支撑结构的成本是制约海上风电场发展的瓶颈，它占海上风电场总投资的14～16％，而陆上风电场支撑结构的成本只占3～5％，由此可见，降低海上风电机组支撑结构成本具有极其重要的意义，在某种程度上，决定了海上风电事业的发展。因此，发展低成本的海上风电机组支撑结构是海上风电产业的重中之重。
目前，海上风电机组支撑结构均采用圆柱型风机塔架与基础结构连接，为了保证风机的正常工作，要求风机塔架顶端的最大位移小于结构高程的1％。为了实现这一设计目标，塔架的刚度必须满足一定的要求。而增加塔架刚度的方法主要是增大塔架的壁厚，造成结构重量大幅度增加，从而成本增加，且材料的强度利用率降低(结构应力小)。塔架刚度增大带来的另一个问题是塔架与基础结构连接处的应力和变形过度集中，疲劳损伤加剧，疲劳寿命降低。
综上所述，现有的海上风电机组支撑结构缺点可总结为以下几点：
1、圆柱形塔架的刚度和强度不匹配
圆柱形塔架为筒型结构，其截面抗弯刚度取决于横截面的外径和内径。因此，为了满足塔架的刚度要求(塔架顶端的水平位移应小于塔架和基础结构高度之和的1％)，最有效的方法是增大塔架的外径，其次是增加壁厚(减小内径)。从而造成大直径(7m)和大壁厚(大于直径的2％)，为了限制塔架的壁厚(壁厚太大，圆筒的卷制工艺复杂，质量难以保证)，国外设计规范(我国目前还没有风电机组支撑结构的设计规范)规定，塔架的壁厚不能大于直径的2％。随着壁厚的增加，塔架的应力减小，因此，圆柱形塔架的刚度和强度不匹配，塔架的设计主要是刚度控制的。
2、施工难度大、周期长
单桩结构采用与风机塔架相同直径的桩，因此，桩和塔架均需由厚钢板卷制而成。海上施工时，先将桩用打桩机贯入海底，再将桩帽通过灌浆的方法与桩连接。桩帽的作用一是提供承台(工作平台)和与塔架连接的法兰，二是对桩的不垂直度进行小幅度调整，以保证塔架的垂直度。由于桩帽的调节幅度小，因此，对打桩的不垂直度要求高，施工难度大。对于特大直径桩(7m)，目前只能采用钻孔的方法安装，打桩机的能力不足以打如此大直径的桩。而我国目前海上最大打桩能力为2m直径的桩。桩帽灌浆后，待浆固化且强度达到要求时，才能安装塔架和风机。因此，海上施工周期长。导管架结构的桩是从导管架主桩腿中打入海底的，因此，必须在完成打桩施工后才能进行上部结构和塔架的安装，施工工期长。
3、应力集中问题突出
三角架结构的中心立柱与风机塔架的直径和壁厚相同，因此，刚度远远大于其它杆件，这就造成中心立柱与其它杆件连接处的高度应力集中，从而疲劳损伤严重。导管架结构的应力集中出现在塔架与导管架的连接位置，即导管架的顶部，由于塔架刚度大，因此，支撑结构的刚度取决于塔架与导管架的连接刚度。目前，国外采用整体锻钢连接件来解决塔架与导管架连接处的局部刚度和应力集中问题，因此，结构成本居高不下。由于目前尚没有采用导管架结构的海上风电场，因此，锻钢连接件仍处于概念设计阶段，尚未实际应用。
4、圆柱型塔架易引发涡激振动
目前的海上风电场均采用圆柱型风机塔架，该塔架不仅刚度和强度不匹配，而且涡激振动现象严重。流场中的圆柱体易产生涡激振动，当涡旋泄放频率与圆柱体频率相同时，就会发生涡激共振。因此，圆柱型塔架的另一个缺点是风引发的涡激振动。(因为塔架在水面以上，因此，塔架的涡激振动是风引发的。)
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种整体桁架式海上风电机组支撑结构，采用整体桁架式结构作为支撑结构，材料强度利用率好，施工周期短、施工成本低，结构成本低，适用任何海底条件且适用水深范围大。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种整体桁架式海上风电机组支撑结构，包括三根桩5，其特征在于：还包括桁架式风机塔架1、桁架式基础结构2，桁架式风机塔架1、桁架式基础结构2均由三个呈等边三角形布置的立柱11构成外框体，立柱11间设有若干水平撑杆12和斜撑杆13；桁架式风机塔架1和桁架式基础结构2采用法兰4连接；桁架式基础结构2的每个立柱11下端设有一个桩腿3，桩腿3通过连杆A6和连杆B7与桁架式基础结构2的立柱11连接，连杆A6为立柱11与桩腿3之间的水平连杆，连杆B7为立柱11与桩腿3之间的斜连杆；桩5穿过桩腿3贯入海底土中将桁架式基础结构2固定于海床上，桩5的上端与桩腿3焊接固定。
在上述技术方案的基础上，连杆A6的一端焊接在距离桩腿3底端1.5m处，另一端与桁架式基础结构2的立柱11底端焊接；连杆B7的一端按如下规则焊接在桩腿3上：连杆A6和连杆B7的马鞍口之间距离大于100mm以确保接点焊缝不重合，另一端与桁架式基础结构2的立柱11中下部焊接。
本发明所述的整体桁架式海上风电机组支撑结构，采用整体桁架式结构作为支撑结构，材料强度利用率好，施工周期短、施工成本低，结构成本低，适用任何海底条件且适用水深范围大。具体地说，本发明具有以下优点：
1、适用水深范围大：
由于采用了整体桁架式结构，可通过改变基础结构的立柱斜度来适应水深的变化。
2、适用任何海底条件：
本发明采用了桩基础，因此，对海底条件不敏感。
3、结构成本低：
本发明采用小直径钢管焊接而成的桁架结构，在相同截面刚度的条件下，材料用量小，因此，材料成本低。且桁架结构的建造成本比厚板卷制圆筒形塔架的建造成本低，因此，本发明的结构总成本低。
4、施工成本低：
本发明采用整体海上安装和小直径桩的打桩施工，且避免了单桩结构的灌浆施工，因此，海上施工难度小、周期短，从而降低了海上施工成本。
5、材料强度利用率好：
本发明采用整体桁架式结构，使得结构的刚度和强度趋于合理分布，降低了应力集中程度和疲劳损伤率，从而提高了材料的利用率。
附图说明
本发明有如下附图：
图1整体桁架式海上风电机组支撑结构的结构示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明所述的整体桁架式海上风电机组支撑结构的结构示意图，包括三根桩5，其特征在于：还包括桁架式风机塔架1、桁架式基础结构2，桁架式风机塔架1、桁架式基础结构2均由三个呈等边三角形布置的立柱11构成外框体，立柱11间设有若干水平撑杆12和斜撑杆13；桁架式风机塔架1和桁架式基础结构2采用法兰4连接；桁架式基础结构2的每个立柱11下端设有一个桩腿3，桩腿3通过连杆A6和连杆B7与桁架式基础结构2的立柱11连接，连杆A6为立柱11与桩腿3之间的水平连杆，连杆B7为立柱11与桩腿3之间的斜连杆；桩5穿过桩腿3贯入海底土中将桁架式基础结构2固定于海床上，桩5的上端与桩腿3焊接固定。桁架式风机塔架1的高度和立柱斜度可根据风机8、扇叶9的规格采用现有技术确定，桁架式基础结构2的高度和立柱斜度则根据水深和风机8的规格采用现有技术确定。
在上述技术方案的基础上，连杆A6与桩腿3垂直焊接，连杆B7与桩腿3呈一斜角焊接。所说的斜角的具体角度与桁架式基础结构2的高度和立柱斜度有关。
在上述技术方案的基础上，连杆A6的一端焊接在距离桩腿3底端1.5m处，另一端与桁架式基础结构2的立柱11底端焊接；连杆B7的一端按如下规则焊接在桩腿3上：连杆A6和连杆B7的马鞍口之间距离大于100mm以确保接点焊缝不重合，另一端与桁架式基础结构2的立柱11中下部焊接。
本发明的目的如下：
1、合理地配置结构的刚度和强度，提高材料的强度利用率
本发明的主要目的之一是改变现有结构刚度和强度配置的不合理性，通过采用桁架式结构，在不增加结构横截面积(不增加材料用量)的前提下，提高结构横截面的截面抗弯刚度改变现有结构刚度大、应力小的不合理配置，使刚度和强度的配置趋于合理。
2、避免过度的应力集中和疲劳损伤
本发明的主要目的之二是解决海上风电机组支撑结构的过度应力集中和疲劳损伤问题，这也是现有三角架结构和导管架结构的主要缺点。本发明通过合理地分配结构刚度，避免刚度和应力传递集中于单个构件来实现减小应力集中和疲劳损伤的目标。
3、降低结构成本
本发明旨在降低海上风电机组支撑结构的材料和建造成本，主要通过合理地设计支撑结构的横截面几何形状，使材料能够合理地分布，实现了在减少材料用量的基础上提高结构的刚度，从而达到降低结构成本的目标。
4、降低海上施工难度、缩短海上施工周期
本发明旨在降低海上风电机组支撑结构的施工难度，通过将单根大直径桩改为三根小直径桩、避免桩帽和桩的灌浆连接以及打桩的垂直度要求等措施，通过将顺序海上安装改为陆地上组装、整体海上安装，大大降低了海上的施工难度，缩短了海上施工周期，从而降低了海上施工成本。
5、扩大支撑结构的适用水深范围
本发明的整体桁架式风电机组支撑结构可以通过改变基础结构的立柱斜度来适应水深的变化，因此，实现了单一结构形式适用水深范围最大的发明目标。整体桁架式海上风电机组支撑结构有三个立柱，三个立柱呈等边三角形布置，由若干水平撑杆和斜撑杆连接成桁架结构。桁架结构又分为两部分——塔架结构和基础结构(桁架式风机塔架和桁架式基础结构)，塔架结构的高度和立柱斜度可根据风机规格确定，基础结构的高度和立柱斜度则根据水深和风机规格确定。塔架和基础结构之间采用法兰连接，基础结构的立柱底部采用焊接方法与桩腿连接，桩穿过桩腿打入海底，桩头与桩腿焊接连接。因此，本发明的适用水深可扩展至0～50m。即固定式海上风电机组支撑结构适用的水深范围内均可采用本发明的结构形式。
本发明采用桁架式结构的目的是：
(1)使支撑结构横截面的几何形状远离截面惯性主轴，以期在减少横截面积的条件下增大截面抗弯刚度(而圆筒形截面则只能靠增大直径的方法来达到此目的，因此，横截面积将大大增加，因为横截面与直径呈平方关系)。
(2)增加塔架与基础结构连接点，分散刚度和荷载的传递路径，从而大大降低了应力集中和疲劳损伤率(圆柱型塔架与基础结构之间只有一个刚度和荷载的传递点，因此，变形和应力集中现象严重)。
(3)塔架和基础结构可以在陆地上完成连接安装，使海上施工由顺序安装简化为整体安装(单桩结构和导管架结构需在打桩完成后才能连接塔架，因为打桩的桩头也是与塔架的连接位置)。在海上施工设备允许的条件下，风力发电机也可以在陆地上安装在塔架上，从而进一步缩短海上施工周期。
本发明具有以下优点：
1、适用水深范围大
本发明提出的整体桁架式海上风电机组支撑结构采用了桁架结构风机塔架和桁架式水下基础结构，对于不同的水深和风机规格，可以通过改变水下基础结构的桩腿3的倾角来调整结构的承载能力。因此，该结构的适用水深为0～50m。
2、结构应力分布合理
本发明提出的整体桁架式海上风电机组支撑结构其塔架和基础结构采用相同的桁架结构，因此，结构的应力分布更加合理，消除了导管架结构塔架与基础结构连接处的过度应力集中和三角架结构中心立柱管结点处的过度应力集中问题，因此，结构的疲劳寿命长。
3、结构重量大幅度降低，刚度分布合理
本发明采用的桁架式结构以小直径的钢管焊接塔架代替了厚板卷制的圆柱形塔架，使塔架截面的抗弯刚度在截面积减小的条件下大大增加(截面抗弯刚度取决于截面的几何形状，而并非截面积的大小。因此，合理的几何形状是增大截面抗弯刚度的关健。本发明正是根据这一原理设计了这个结构)。
4、结构成本低
本发明采用小直径钢管焊接而成，钢管可选用型材钢管，不仅由于结构重量的降低而降低了材料成本。而且，型材管自身的材料成本也低于厚钢板卷制的大直径钢管(海洋工程的Z向钢厚板价格高于钢管)。同时，采用型材钢管的焊接结构，焊接工艺要求也低于厚板卷制的大直径钢管(型材钢管的壁厚远远小于卷制钢管的壁厚，而厚壁焊缝的焊接工艺要求高，工作量大)。
5、施工成本低
本发明提出的整体桁架式海上风电机组支撑结构不需要进行海上大直径桩的打桩施工，且可以采用整体海上安装的施工工艺，即在陆地上将塔架和基础结构连接成一体，大大降低了海上施工难度和施工周期，降低了海上施工成本，从而大大降低了海上风电场投资成本。

Claims (2)

1.一种整体桁架式海上风电机组支撑结构，包括三根桩(5)，其特征在于：还包括桁架式风机塔架(1)、桁架式基础结构(2)，桁架式风机塔架(1)、桁架式基础结构(2)均由三个呈等边三角形布置的立柱(11)构成外框体，立柱(11)间设有若干水平撑杆(12)和斜撑杆(13)；桁架式风机塔架(1)和桁架式基础结构(2)采用法兰(4)连接；桁架式基础结构(2)的每个立柱(11)下端设有一个桩腿(3)，桩腿(3)通过连杆A(6)和连杆B(7)与桁架式基础结构(2)的立柱(11)连接，连杆A(6)为立柱(11)与桩腿(3)之间的水平连杆，连杆B(7)为立柱(11)与桩腿(3)之间的斜连杆；桩(5)穿过桩腿(3)贯入海底土中将桁架式基础结构(2)固定于海床上，桩(5)的上端与桩腿(3)焊接固定。
2.如权利要求1所述的整体桁架式海上风电机组支撑结构，其特征在于：连杆A(6)的一端焊接在距离桩腿(3)底端1.5m处，另一端与桁架式基础结构(2)的立柱(11)底端焊接；连杆B(7)的一端按如下规则焊接在桩腿(3)上：连杆A(6)和连杆B(7)的马鞍口之间距离大于100mm以确保接点焊缝不重合，另一端与桁架式基础结构(2)的立柱(11)中下部焊接。
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