CN103925171A - 深吃水多立柱海上浮动式风力机基础 - Google Patents

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何炎平
杨建民
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Abstract

一种深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其包括风轮、机舱、塔筒、塔筒过渡结构、上周向立柱组、下周向立柱组、周向立柱过渡结构、加强结构、硬舱、垂荡板结构、软舱和系泊系统，其中，风轮和机舱安装在塔筒上部，塔筒下部与塔筒过渡结构上部相连，塔筒过渡结构下部与上周向立柱组相连，加强结构用以连接上周向立柱组上部，上周向立柱组位于水线面处，硬舱连接于上周向立柱组与下周向立柱组之间，软舱连接于下周向立柱组的底部，垂荡板结构等间距地布置在下周向立柱组上，系泊系统的上端与硬舱相连接且下端与海底连接。本发明不仅具有优良的运动性能，又能较好地传递风机工作载荷，有效地降低了建造成本，能够满足外海深水区域的海上风力机正常运行的需要。

Description

深吃水多立柱海上浮动式风力机基础
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及一种海洋新能源利用设备的安装基础，具体涉及一种适用于海上风力机的深吃水多立柱浮动式基础。
背景技术
风能是目前发展最迅速、最具潜力的可再生能源，全球可利用的风能资源非常丰富，风能总量比地球上可开发利用的水能总量大10倍以上，其中大部分高品质的风能资源集中在海上深水区域。海上风能大国如：美国、中国、日本、挪威等的风能资源都集中在水深超过30m的非浅水区域。深水浮动式风力机作为一种替代传统固定式风机的新装备具有广阔的应用前景，已成为国外海上风能研究的热点领域。美国、欧洲和日本等对此进行了比较广泛的研究，纷纷提出了新型的浮式风机概念，目前处于不同的设计和验证阶段。
浮动式风力机主要由三部分组成，即位于顶部的风力发电机组、底部的浮式基础和用以连接二者的塔筒结构。底部的浮式基础与海洋石油平台下浮体相似，可划分为三种主要类型：单柱式平台，半潜式平台和张力腿式平台。单柱式平台通过压载使重心高度远低于浮心高度以获得稳性和优良的垂荡性能，但由于水线面面积惯性矩过小，其纵摇和横摇运动不佳。半潜式平台通过合理布置水线面以取得较大的水线面惯性矩，从而获得稳性和较好的运动性能。张力腿式平台通过设置张力腿预张力以获得稳性和优良的运动性能。
经对现有技术的文献检索发现，美国国家新能源实验室（NREL）于2010年5月发布的研究报告NREL/TP-500-47535中公开了一种5MW海上单立柱浮动式风力机，其单立柱浮动基础主体型深120m，直径9.4m,排水量8235m3，平台重量包括固定压载约为7466t，浮心位置位于水面下约60m处，重心位置位于水面下约90m处。该技术目前处于技术验证阶段，若实现大规模商用，则发电成本较高，因此实用性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有海上风力机浮动基础的上述不足和缺陷，提供一种深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，不仅具有优良的运动性能，又能较好地传递风机工作载荷，进一步减少结构重量，从而有效降低建造成本，更好地满足处于外海深水区域的海上风力机正常运行的需要。
本发明解决其技术问题的技术方案是：
一种深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其包括风轮、机舱、塔筒、塔筒过渡结构、上周向立柱组、下周向立柱组、周向立柱过渡结构、加强结构、硬舱、垂荡板结构、软舱和系泊系统，其中，风轮连接于机舱的前部，风轮和机舱安装在塔筒的上部，塔筒的下部与塔筒过渡结构的上部相连，加强结构用以连接上周向立柱组的上部，上周向立柱组位于水线面处，其上部通过周向立柱过渡结构连接于塔筒过渡结构的下部，硬舱的上部和下部通过周向立柱过渡结构分别连接于上周向立柱组的下部和下周向立柱组的上部，软舱通过周向立柱过渡结构连接于下周向立柱组的底部，垂荡板结构上下等间距地布置在下周向立柱组上，系泊系统的上端与硬舱相连接且下端与海底连接。
进一步地，所述的上周向立柱组和下周向立柱组各包括若干周向立柱，该周向立柱为空心圆柱或空心方柱形结构，沿环周均匀布置。
进一步地，所述的周向立柱的内部设置有浮力储存舱。
进一步地，所述的垂荡板结构为数层板式结构，上面均匀开设有减轻孔。
进一步地，所述的塔筒为圆锥形壳体式结构，塔筒过渡结构为圆转方形壳体式结构。
进一步地，所述的硬舱为圆柱形壳体式结构，内部设置有浮力储存舱。
进一步地，所述的软舱为壳体式结构，内部设有固定压载。
进一步地，所述的系泊系统为悬链式或张紧式。
进一步地，所述的风轮包含叶片和轮毂，机舱的内部设有风力发电机组。
本发明通过吸收和融合现有海洋工程深吃水多立柱式浮动基础的优点，并结合风力机塔筒的结构型式，优化浮动基础的结构设计，有效地降低了建造成本，并能更好地满足海上风力机正常运行的需要，尤其适用于外海深水区域。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）塔筒过渡结构将塔筒与上周向立柱组相连接，有效地传递了塔筒根部的弯矩和剪力，避免了应力集中，提高了该处结构的疲劳寿命；2）设置了周向立柱结构，有效地减小了水线面面积，从而减小了波浪载荷，同时又能提供部分稳性回复力矩；3）设置了垂荡板结构，有效地增加了浮动基础的垂荡附加质量和垂荡阻尼，从而有效地抑制了浮动基础的运动。
附图说明
图1是本发明的主视图。
图2是本发明的侧视图。
图3是本发明的俯视图。
图4是本发明的立体图。
图中，1—风轮，2—机舱，3—塔筒，4—塔筒过渡结构，5—加强结构，6—周向立柱，7—周向立柱过渡结构，8—硬舱，9—垂荡板结构，10—软舱，11—系泊系统。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，本实施例以本发明的技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例所述的深吃水多立柱海上浮动式风力机基础包括：风轮1、机舱2、塔筒3、塔筒过渡结构4、加强结构5、上周向立柱组、下周向立柱组、周向立柱过渡结构7、硬舱8、垂荡板结构9、软舱10和系泊系统11。
连接关系为：
风轮1连接于机舱2的前部，风轮1和机舱2通过法兰安装在塔筒3的上部，塔筒3的下部与塔筒过渡结构4的上部通过法兰相连；上周向立柱组位于水线面MSL处，其上部通过周向立柱过渡结构7连接于塔筒过渡结构4的下部，加强结构5用以连接上周向立柱组的上部；硬舱8连接于上周向立柱组与下周向立柱组之间，即硬舱8的上部通过周向立柱过渡结构7连接于上周向立柱组的下部，硬舱8的下部通过周向立柱过渡结构7连接于下周向立柱组的上部；软舱10通过周向立柱过渡结构7连接于下周向立柱组的底部；垂荡板结构9上下等间距地布置在下周向立柱组上；系泊系统11的上端与硬舱8相连接且下端与海底G连接。
所述的风轮1包含3组叶片和轮毂，其中叶片直径为126m，叶片安装在轮毂上。
所述的机舱2内部设有一组5MW风力发电机组及传动系统，风轮1与5MW风力发电机组通过传动系统相连。
所述的塔筒3为圆锥形壳体式结构，其底部直径6m，顶部直径4m，塔筒3的顶部与机舱2通过法兰相连。
所述的塔筒过渡结构4为圆转方形壳体式结构，顶部圆形直径为6m，底部为正方形，边长为8.8m。
所述的上周向立柱组和下周向立柱组各包括若干周向立柱6，本实施例中，各包括四个周向立柱6，该周向立柱6为空心圆柱或空心方柱形结构；本实施例中，周向立柱6为空心圆柱，其直径为3.5m，长度为100m，沿环周均匀布置，各周向立柱6之间间距约为8.8m；所述的周向立柱6的内部设置有浮力储存舱。
所述的周向立柱过渡结构7为圆转方形壳体式结构，顶部圆形直径为3.5m，底部为正方形，边长为3.5m，共16组。
所述的硬舱8为圆柱形壳体式结构，内部设置有浮力储存舱，该硬舱8的高度为15m，硬舱8的外侧设置有8组系泊眼板。
所述的垂荡板结构9为数层板式结构，上面均匀开设有减轻孔并设置有加强筋；本实施例中，垂荡板结构9共两层，上下等间距地布置在下周向立柱组的四个周向立柱6上。
所述的软舱10为壳体式结构，高度为7m，内部设有固定压载。
所述的系泊系统11为悬链式或张紧式，本实施例中为张紧式系泊系统，共8组，沿周向布置，下端固定连接或锚接于海底G。
本实施例的工作过程如下：当风力作用在风轮1上时，风轮1开始旋转并带动设置于机舱2内的5MW风力发电机组发电。风轮1和机舱2通过塔筒3和塔筒过渡结构4支撑于所述多立柱浮式基础上。上下周向立柱组的作用是为整个浮式基础提供浮力、稳性和强度。硬舱8内设置的浮力储存舱为整个浮式基础提供大部分浮力。当浮式基础晃动时，垂荡板结构9的作用是提供垂向附连水质量和阻尼。8组张紧式系泊系统11的作用是控制浮式基础的水平位置和运动。软舱10内的固定压载为浮式基础工作时提供压载。通过以上结构设置，整个浮式基础的重心位于浮心之下，从而有效地保证了浮式基础稳性。
本实施例所提供的5MW深吃水多立柱海上浮动式风力机基础与美国国家新能源实验室（NREL）于2010年5月发布的研究报告NREL/TP-500-47535中公开的一种5MW海上单立柱浮动式风力机基础相比，其水线面面积减少了约31m2,从而有效地减小了波浪载荷，其水线面惯性矩增加了约362m4，从而增加了整体稳性；垂荡板结构9增加了垂向附连水质量和阻尼，从而有效地抑制了浮式基础的运动，保证了风力机正常工作。

Claims (9)

1.一种深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其特征在于：所述基础包括风轮、机舱、塔筒、塔筒过渡结构、上周向立柱组、下周向立柱组、周向立柱过渡结构、加强结构、硬舱、垂荡板结构、软舱和系泊系统，其中，风轮连接于机舱的前部，风轮和机舱安装在塔筒的上部，塔筒的下部与塔筒过渡结构的上部相连，加强结构用以连接上周向立柱组的上部，上周向立柱组位于水线面处，其上部通过周向立柱过渡结构连接于塔筒过渡结构的下部，硬舱的上部和下部通过周向立柱过渡结构分别连接于上周向立柱组的下部和下周向立柱组的上部，软舱通过周向立柱过渡结构连接于下周向立柱组的底部，垂荡板结构上下等间距地布置在下周向立柱组上，系泊系统的上端与硬舱相连接且下端与海底连接。
2.根据权利要求1所述的深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其特征在于，所述的上周向立柱组和下周向立柱组各包括若干周向立柱，该周向立柱为空心圆柱或空心方柱形结构，沿环周均匀布置。
3.根据权利要求2所述的深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其特征在于：所述的周向立柱的内部设置有浮力储存舱。
4.根据权利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其特征在于：所述的垂荡板结构为数层板式结构，上面均匀开设有减轻孔。
5.根据权利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其特征在于：所述的塔筒为圆锥形壳体式结构，塔筒过渡结构为圆转方形壳体式结构。
6.根据权利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其特征在于：所述的硬舱为圆柱形壳体式结构，内部设置有浮力储存舱。
7.根据权利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其特征在于：所述的软舱为壳体式结构，内部设有固定压载。
8.根据权利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其特征在于：所述的系泊系统为悬链式或张紧式。
9.根据权利要求1或3所述的深吃水多立柱海上浮动式风力机基础，其特征在于，所述的风轮包含叶片和轮毂，机舱的内部设有风力发电机组。
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