CN102490876A - 浮动式海上风机运动抑制装置及用于海上风机的浮动基础 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浮动式海上风机运动抑制装置及具有该装置的浮动基础，所述浮动式海上风机运动抑制装置包括围绕浮动基础且水平设置的至少一层环状减摇板。在减摇板上还布置有多个减摇鳍片，所述多个减摇鳍片包括布置在减摇板的一侧的第一组减摇鳍片，所述第一组减摇鳍片围绕浮动基础竖直地互相隔开。根据本发明的浮动式海上风机运动抑制装置能够有效地抑制浮动式风机的运动，并且成本低，具有广阔的应用前景。

Description

浮动式海上风机运动抑制装置及用于海上风机的浮动基础
技术领域
本发明涉及一种海上风力发电机，具体地讲，涉及一种能够抑制海上风机绕垂直轴的摆动的浮动式海上风机运动抑制装置以及一种具有该浮动式海上风机运动抑制装置的用于海上风机的浮动基础。
背景技术
对于海上风机而言，根据海水深度以及海底地质条件，一般采用重力式基础、单桩式基础、导管架式和三支柱式基础、沉箱式基础以及浮动式基础。在这些类型的风机基础中，浮动式基础的安装不受海床条件限制并可适用于海水深度超过50米的海上风场，因此，对浮动式基础的研究具有广阔的应用前景。
与浮动式海上风电基础工程比较接近的是船舶行业和海油工程中的漂浮式平台。
目前，船舶行业中的减摇装置主要有减摇鳍、舭龙骨、减摇水舱、减摇舵等，其中减摇鳍、舭龙骨和减摇舵都是利用船舶航行时作用在这些结构上的流体升力保持船舶稳定，航速越高船舶越稳定，而减摇水舱是利用左右舷边舱压载水的压差抵消船舶的倾覆力矩，保持船舶稳定。
海油工程中的漂浮式平台的运动抑制装置主要有用于truss-spar的阻尼板，用于FPSO等浮体的减摇板。
然而，应用于海上风电领域的浮动式风机基础承受的载荷不同于传统的船舶和海油工程中的漂浮式平台，浮动式海上风机基础除了承受风浪流的联合作用外，还要承受风机这一高耸结构运行所引起的陀螺回转效应，该效应会对风机基础产生倾覆力矩Mx、My以及绕垂直轴的扭矩Mz，从而整个风机会产生六个自由度的剧烈运动，包括X、Y和Z轴的轴向移动和绕轴的摆动，给风机的变桨和偏航控制系统带来巨大挑战，会影响到风机的正常运行，影响发电量，甚至会危及整个系统结构的安全。
由于浮动式风机基础与船舶和漂浮式平台的结构特点不同，所搭载的机械装置运转产生的载荷也不同，目前尚无有效的专门针对海上浮动式风机整机运动的抑制装置。因此，有必要提出一种抑制浮动式风机六个自由度运动的装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够抑制浮动式风机的运动的浮动式海上风机运动抑制装置以及具有该运动抑制装置的用于海上风机的浮动基础。
为了实现上述目的，提供了一种浮动式海上风机运动抑制装置，所述浮动式海上风机具有浮动基础，所述抑制装置包括围绕浮动基础且水平设置的至少一层环状减摇板。
在减摇板上还可布置有多个减摇鳍片，所述多个减摇鳍片可包括布置在减摇板的一侧的第一组减摇鳍片，所述第一组减摇鳍片可围绕浮动基础竖直地互相隔开。
所述多个减摇鳍片还可包括布置在减摇板的另一侧的第二组减摇鳍片，所述第二组减摇鳍片可围绕浮动基础竖直地互相隔开。
所述第一组减摇鳍片中每个减摇鳍片的宽度方向可相对于穿过浮动基础的中心和该减摇鳍片的内侧端点的直线方向偏转第一角度。
所述第一组减摇鳍片中每个减摇鳍片的宽度方向可相对于穿过浮动基础的中心和该减摇鳍片的内侧端点的直线方向偏转第一角度，所述第二组减摇鳍片中每个减摇鳍片的宽度方向可相对于穿过浮动基础的中心和该减摇鳍片的内侧端点的直线方向偏转第二角度。
第一角度和第二角度可相同。
第一组减摇鳍片和第二组减摇鳍片的偏转方向可相反。
第一角度可大于0度并小于45度，优选地，第一角度可在5度至10度的范围内。
第一角度可大于0度并小于45度，第二角度可在1度至15度的范围内。
第一角度可在5度至10度的范围内，第二角度可在5度至10度的范围内。
所述减摇鳍片的横截面可为L形。
所述减摇鳍片上可设置有加强筋。
所述减摇鳍片可呈平面或曲面状。
减摇鳍片的加强筋可以是水平加强筋、倾斜加强筋和竖直加强筋中的至少一种。
所述减摇板的表面上可设置有加强筋。
所述减摇板可呈平面或曲面状。
所述减摇板上可形成有均匀分布的扰流孔。
所述扰流孔对减摇板产生的透空率可为5％至30％。
所述扰流孔对减摇板产生的透空率可为8％至12％。
第一组减摇鳍片可由环形构件互相连接。
第一组减摇鳍片和第二组减摇鳍片可分别由环形构件互相连接。
环形构件可以是多边形环或圆形环。
环形构件可由方管、圆管或钢板形成。
所述环形构件可被安装为连接减摇鳍片的远离减摇板的一端的外侧和/或穿过减摇鳍片。
所述减摇鳍片的内侧可与浮动基础固定连接。
本发明还提供一种用于海上风机的浮动基础，所述浮动基础可具有上述浮动式海上风机运动抑制装置。
所述浮动基础可以是单立柱式或半潜水式。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述及其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1是示出应用根据本发明的第一实施例的运动抑制装置的单立柱式(spar type)浮动基础海上风机的立体图；
图2是示出根据本发明的第一实施例的运动抑制装置的立体图；
图3和图4分别是示出图2中的运动抑制装置的减摇板的平面图和立体图；
图5是示出图2中的运动抑制装置的减摇鳍片的立体图；
图6是示出应用根据本发明的第二实施例的运动抑制装置的半潜水式浮动基础海上风机的立体图；
图7是示出根据本发明的第二实施例的运动抑制装置的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1是示出应用根据本发明的第一实施例的运动抑制装置的单立柱式(spar type)浮动基础海上风机的立体图。图2是示出根据本发明的第一实施例的运动抑制装置的立体图。图3和图4分别是示出图2中的运动抑制装置的减摇板的平面图和立体图。图5是示出图2中的运动抑制装置的减摇鳍片的立体图。
下面以单立柱式浮动基础海上风机为例描述根据本发明的第一实施例的运动抑制装置。
如图1所示，单立柱式浮动基础海上风机100主要包括：单立柱式浮动基础10；运动抑制装置20，围绕浮动基础10安装，用于减轻海上风机100的整机运动幅度；牵引部分30，用于牵引浮动式基础10并将其锚固于海底，以防止海上风机100大范围移动或倾覆；叶片40以及机舱50，叶片40通过接收风能而旋转，从而带动机舱50内的转子旋转以产生电力；塔筒60，安装在浮动基础10上，用于支撑叶片40和机舱50。
为了简洁以及避免使本发明的主题模糊，将省略对公知部件的详细描述。下面将结合图2-5详细解释根据本发明的第一实施例的运动抑制装置的具体结构和减摇原理。
如图2所示，本发明的运动抑制装置20包括与浮动基础10连接的环形的减摇板21。如图1所示，减摇板21环绕着水下部分的浮动基础10水平地设置，并且可具有圆环或内孔为圆形的多边形环的形状。减摇板21既可以形成平面也可以形成曲面。由于在浮动基础四周设置了减摇板，可以有效地增加浮动基础的横摇、纵摇和垂荡运动阻尼，从而能够减小浮动式风机的运动幅度。
如图2-4所示，在减摇板21上可均匀地开设多个圆形或椭圆形的扰流孔213。通过设置扰流孔213，流体的垂向流动受到扰动，有效地增加了浮动基础垂荡运动的阻尼，能够进一步减小浮动式风机的运动幅度。扰流孔213使减摇板21保持5％至30％的透空率时，减摇板21能够更加有效地增加浮动基础垂荡运动的阻尼，收到良好效果。优选地，8％至12％的透空率效果最佳。另外，扰流孔213的形状还可以是三角形、方形、菱形、梯形等各种形状。
如图3所示，在减摇板21上可沿圆周方向设置多道加强扁钢作为环向加强筋211，例如3道。当然，也可沿着减摇板21的径向方向设置径向加强筋212，例如6道。除了环形加强筋211，还可以在减摇板21的外周形成卷边或设置加强筋(未示出)，以加强减摇板21的强度。
另外，通过在减摇板21上围绕浮动基础设置减摇鳍片22可以有效地增加浮动基础的首摇阻尼和附加质量，从而达到减小浮动式风机运动的效果。具体地讲，可在水平减摇板21上围绕浮动基础竖直地布置互相间隔开的多个减摇鳍片22。其中，减摇鳍片22可包括布置在水平减摇板21的上方和下方的两组减摇鳍片。然而，本发明不限于此，减摇鳍片22可仅布置在水平减摇板21的上方或下方。优选地，减摇鳍片22之间的间隔是均匀的。
例如，可在上方或下方分别均匀布置4-10个(例如6个或8个)减摇鳍片22。优选地，上方和下方的每个减摇鳍片22分别相对于浮动基础的径向(或者说，相对于穿过浮动基础的中心和该减摇鳍片的内侧端点的直线)偏转一定的角度α和β(优选地，α或β可大于0度且小于45度，更优选地，α或β可在5至10度的范围内)。优选地，角度α和β可以相同。当然，角度α和β不同也是可以的。实践证明，当每组减摇鳍片22设置为6个时，若减摇鳍片偏转10度可取得良好的减摇效果。更优选地，布置在上方的上层减摇鳍片22和布置在下方的下层减摇鳍片22的偏转方向相反。通过减摇鳍片22的偏向设置，使得绕Z轴流动的流体受到更大的阻滞作用，有效增加了浮动基础首摇运动的阻尼和附加质量。另外，由于上下两层减摇鳍片22的偏转方向不同，使得浮动基础无论是顺时针还是逆时针的首摇运动幅度均可得到较大程度的降低。与减摇鳍片22的偏转角度相适应，径向加强筋212也可偏转与减摇鳍片22相同的角度或大致相当的角度。
如图2、3和5所示，每个减摇鳍片22沿着竖直方向延伸，并具有L形横截面。例如，如图5所示，减摇鳍片22的外侧边缘卷起以形成L形折边223，从而增强结构的刚度，以使得整个运动抑制装置20的结构更加牢固可靠。然而本发明不限于此，也可以在减摇鳍片22的外侧用扁钢加强而不形成L形横截面，同样可实现使整个运动抑制装置20的结构更加牢固可靠的效果。
为了提高运动抑制装置20的整体性能和可靠性，可分别将水平减摇板21的上方和下方的减摇鳍片22的外侧互相连接，并使所有减摇鳍片22的内侧均与浮动基础10连接(例如，焊接或螺栓连接)。优选地，如图2至3所示，可利用环形构件23将上方减摇鳍片22的远离水平减摇板21的一端(即，上端)的外侧互相连接，并利用环形构件24将下方减摇鳍片22的远离水平减摇板21的一端(即，下端)的外侧互相连接。然而本发明不限于此，例如，环向构件23和24也可从减摇鳍片22的内侧将其连接，或环向构件23和24穿过减摇鳍片22将其互相连接，本发明也可以结合多种方式可设置更多的环形构件，并使不同的环形构件安装在减摇鳍片上的不同位置(例如，一个环形构件可以从减摇鳍片的内侧或外侧连接减摇鳍片，而另一个环形构件可以穿过减摇鳍片进行连接)。环形构件23和24可由圆管、方管或板材制成，并可呈圆环或多边形环的形状。
为了进一步提高运动抑制装置的刚性，如图5所示，在每个减摇鳍片22的侧表面上还可设置水平加强筋221、竖直加强筋222或倾斜的或弯曲的加强筋(未示出)，以增强减摇鳍片22的结构刚度。
虽然在该图5中示出的实施例中减摇鳍片22是矩形的，但是本发明不限于此，减摇鳍片22也可以采用三角形、梯形等其它平面形状，或采用曲面。当结合运动抑制装置20的浮动基础的直径均匀时，减摇板21在径向上的宽度可与减摇鳍片22的宽度相同。当结合运动抑制装置20的浮动基础的直径不均匀的情况下，减摇鳍片22的宽度可根据浮动基础10的直径的变化而变化。优选地，减摇鳍片22的外边缘与减摇板21的外边缘平齐。当然，减摇鳍片22的外边缘与减摇板21的外边缘不平齐也是允许的。另外，减摇鳍片22的内边缘也最好与减摇板21的内边缘平齐。
上面结合附图1-6描述了具有上下两层减摇鳍片的运动抑制装置，但是，本发明不限于此，例如可设置一层或更多层减摇板以及一层或更多层的减摇鳍片。
在上述实施例中，由于整个运动抑制装置20可全部由钢材料制成。对于如图1中所示的单立柱式浮动基础风机而言，在建造时就将其固定安装到浮动基础上，因而没有日常维护要求。
下面将参照图6至图7说明根据本发明的第二实施例的运动抑制装置。
图6示出了一种具有较大浮动基础10’的风机200。由于浮动基础较大，因此浮动基础可半潜于海水中，因此这种浮动基础也被称为半潜水式基础。
除浮动基础10’以及运动抑制装置20’以外，风机200的基本结构与风机100基本类似，因此将省略对风机的其它部分的详细描述。
如图6和图7所示，浮动基础10’为八角形形状，与之相适应，围绕浮动基础10’的运动抑制装置20’包括八边形环状的减摇板21’以及按照上下两层布置在减摇板21’上的减摇鳍片。与第一实施例类似，在减摇板21’上可形成有圆形扰流孔。另外，与第一实施例类似，可在减摇板21’上设置扁钢作为环形加强筋211’和径向加强筋212’，也可在减摇鳍片22’上设置扁钢或折边来形成加强筋，从而增强运动抑制装置20’的结构强度，提高运动抑制装置的减摇效果。
虽然在图6和图7中示出的浮动基础是八角形的，但是本发明的运动抑制装置也可被应用于圆形、方形、五边形、六边形等其它多边形的半潜水式浮动基础。
通过上面的描述可清楚得知，根据本发明的实施例通过在浮动基础的外围设置减摇板来增加浮动风机基础的横摇、纵摇和垂荡阻尼，并可在减摇板上设置减摇鳍片来增加浮动风机基础的首摇阻尼和附加质量。另外可在减摇板上形成扰流孔，以使流体的垂向流动受到扰动，以增加浮动基础垂荡运动的阻尼。因此根据本发明的运动抑制装置可减小浮动基础各个方向的运动幅度。
另外，根据本发明的实施例通过设置双层偏转方向相反的减摇鳍片，能有效地减小浮动基础的首摇运动幅度。
而且根据本发明的实施例的运动抑制装置以常规钢材建造而成，结构简单，对于减小海上浮动式风机的整机运动效果明显。
另外，根据本发明的实施例的运动抑制装置成本低、加工方便、易于实现，可被应用于各种类型的浮动风机基础中。
虽然已经结合示例性实施例显示和描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下进行的修改和变化将是明显的。

Claims (28)

1.一种浮动式海上风机运动抑制装置，所述浮动式海上风机具有浮动基础，其特征在于，所述抑制装置包括围绕浮动基础且水平设置的至少一层环状减摇板。
2.如权利要求1所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，在减摇板上布置有多个减摇鳍片，所述多个减摇鳍片包括布置在减摇板的一侧的第一组减摇鳍片，所述第一组减摇鳍片围绕浮动基础竖直地互相隔开。
3.如权利要求2所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述多个减摇鳍片还包括布置在减摇板的另一侧的第二组减摇鳍片，所述第二组减摇鳍片围绕浮动基础竖直地互相隔开。
4.如权利要求2所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述第一组减摇鳍片中每个减摇鳍片的宽度方向相对于穿过浮动基础的中心和该减摇鳍片的内侧端点的直线方向偏转第一角度。
5.如权利要求3所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述第一组减摇鳍片中每个减摇鳍片的宽度方向相对于穿过浮动基础的中心和该减摇鳍片的内侧端点的直线方向偏转第一角度，所述第二组减摇鳍片中每个减摇鳍片的宽度方向相对于穿过浮动基础的中心和该减摇鳍片的内侧端点的直线方向偏转第二角度。
6.如权利要求5所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，第一角度和第二角度相同。
7.如权利要求5或6所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，第一组减摇鳍片和第二组减摇鳍片的偏转方向相反。
8.如权利要求4所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，第一角度大于0度且小于45度。
9.如权利要求4所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，第一角度在5度至10度的范围内。
10.如权利要求5或6所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，第一角度大于0度且小于45度，第二角度大于0度且小于45度。
11.如权利要求5或6所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，第一角度在5度至10度的范围内，第二角度在5度至10度的范围内。
12.如权利要求2至6中的任一项所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述减摇鳍片的横截面为L形。
13.如权利要求2至6中的任一项所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述减摇鳍片上设置有加强筋。
14.如权利要求2至6中的任一项所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述减摇鳍片呈平面或曲面状。
15.如权利要求13所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，减摇鳍片的加强筋是水平加强筋、倾斜加强筋和竖直加强筋中的至少一种。
16.如权利要求1至6中的任一项所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述减摇板的表面上设置有加强筋。
17.如权利要求1至6中的任一项所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述减摇板呈平面或曲面状。
18.如权利要求1至6中的任一项所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述减摇板上形成有均匀分布的扰流孔。
19.如权利要求18所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述扰流孔对减摇板产生的透空率为5％至30％。
20.如权利要求18所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述扰流孔对减摇板产生的透空率为8％至12％。
21.如权利要求2所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，第一组减摇鳍片由环形构件互相连接。
22.如权利要求3所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，第一组减摇鳍片和第二组减摇鳍片分别由环形构件互相连接。
23.如权利要求21或22所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，环形构件是多边形环或圆形环。
24.如权利要求23所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，环形构件由方管、圆管或钢板形成。
25.如权利要求21或22所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述环形构件被安装为连接减摇鳍片的远离减摇板的一端的外侧和/或穿过减摇鳍片。
26.如权利要求2至6、21和22中的任一项所述的浮动式海上风机运动抑制装置，其特征在于，所述减摇鳍片的内侧与浮动基础固定连接。
27.一种用于海上风机的浮动基础，其特征在于，所述浮动基础具有如权利要求1至26中的任一项所述的浮动式海上风机运动抑制装置。
28.如权利要求27所述的用于海上风机的浮动基础，其特征在于，所述浮动基础是单立柱式或半潜水式。
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