CN103953059B - 牵索锚固式海上风机基础 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种牵索锚固式海上风机基础，主要适用于近海及深海海上风电场环境要求和技术特点的海上风机搭建，属于海上风机基础领域。主要技术方案为：钢立柱顶部连接下法兰盘，与风机塔筒底部的上法兰盘通过螺栓固定，钢立柱底部铰接万向接头，使钢立柱嵌固于海床，三根及以上牵索钢缆连接于下法兰盘和海床之间，实现钢立柱与海床的牵拉固定。本发明使得风机基础系统的刚度得以适当配置，在正常天气和小风暴下，表现为刚性固定；在大风暴及飓风条件下，变为柔性结构，产生可恢复的结构变形耗散结构内力，防止结构体系破坏。
Description
技术领域
本发明属于海上风机基础领域，涉及一种牵索锚固式海上风机基础，主要适用于近海及深海海上风电场环境要求和技术特点的海上风机的搭建。
背景技术
由于离岸越远，风资源条件越好，理论上离岸10km，风速提高25%，发电量可提高70%，故海上风电有从滩涂向近海乃至深海发展的趋势。
目前，国内外常用的海上风机基础形式包括：重力式基础、单桩基础、三桩式或导管架基础、吸力式基础及悬浮式基础等。上述几种基础形式比较适合较深海域特点的有导管架基础和悬浮式基础。但是，导管架基础（如：常规海上风机基础）属于刚性结构，高出海床部分结构完全依靠自身刚度抵抗各种荷载，随着水深增加成本抬升很快，同时运输安装需要依赖大型专业安装船，成本较高；悬浮式基础在风浪流的共同作用下，具有六个方向自由度，响应复杂，对风机的变桨和偏航产生干扰，影响发电量甚至于整个系统结构的安全可靠性。
申请号为20121026502.5的中国专利提供了一种半潜式海上浮动风机基础设计方案，该类型的基础在风机荷载和波浪荷载作用下，基础会产生不同程度的倾斜，进而影响到风机机组的运行。申请号为201310703698.9的中国专利提供了一种海上风机的导管架平台设计方案，这种基础结构尺寸较大，需要预加工场地大，杆件较多，加工制作和焊接工作量大，而且施工周期较长。申请号为201020200021.5的中国专利提供了一种桩基-混凝土承台的风机基础方案，对于这种海上风电机组基础，中、大体积超重的混凝土结构处于高悬臂状态，抗震不利，而且桩基为斜桩，打桩不便，施工周期长。
发明内容
为了克服现有的风机基础的不足,本发明提供一种牵索锚固式海上风机基础，该牵索锚固式风机基础的牵索钢缆，在正常天气或小风暴条件下，表现为刚性不变形，保证结构稳定；在大风暴或飓风条件下，牵索钢缆带动整个结构顺应外部荷载响应，产生一定量的形变耗散外部荷载作用，减少结构本体的破坏风险。
为解决上述技术问题，本发明技术方案为：一种牵索锚固式海上风机基础，其特征在于：钢立柱顶部连接下法兰盘，与风机塔筒底部的上法兰盘通过螺栓固定，钢立柱底部铰接于万向接头，使钢立柱嵌固于海床，三根及以上牵索钢缆连接于下法兰盘和海床之间，实现钢立柱与海床的牵拉固定。
所述牵索钢缆为三根、四根、六根或多根，围绕钢立柱呈中心对称排列；所述钢立柱的横截面为圆形或正多边形；所述钢立柱包括变截面结构。
所述钢立柱可替换为导管架。
所述牵索钢缆与钢立柱的夹角为40o～60o。
所述下法兰盘为正多边形或圆形。
在平均海深10m～25m的近海领域使用该结构时，所述牵索钢缆上加装阻尼器，增加整体结构的柔性。
在平均海深25m～50m的深海领域使用该结构时，对牵索钢缆进行预拉伸，形成张力腿，提高整体结构的刚性。
在平均海深50m～100m的深海领域使用该结构时，钢立柱替换为等截面的导管架，对牵索钢缆进行预拉伸，形成张力腿，提高整体结构的刚性。
钢缆结构形式有三种：六股式（sixstrand），螺旋股式（spiralstrand），多股式（multistrand）。螺旋股式结构具有较强的纵向刚度和扭转平衡，旋转损耗低，对于50m以上深海基础采用此种钢缆结构。
所述钢缆全没于海平面以下，钢立柱顶部连接下法兰盘，在下法兰盘上连接一个支柱，支柱两端设置过渡法兰盘，支柱下端的过渡法兰盘与下法兰盘连接，支柱上端的过渡法兰盘与风机塔筒底部的上法兰盘通过螺栓固定，钢立柱底部铰接万向接头，使钢立柱嵌固于海床，三根及以上牵索钢缆连接于下法兰盘和海床之间，实现钢立柱与海床的牵拉固定。
本发明有益效果是：使得风机基础系统在正常天气和小风暴下，表现为刚性固定；在大风暴及飓风条件下，变为柔性结构，产生可恢复的结构变形耗散结构内力，防止结构体系破坏。
附图说明
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。
图1是本发明的牵索锚固式海上风机基础的示意图。
图2是本发明的牵索锚固式海上风机基础的第一变型的示意图。
图3是本发明的牵索锚固式海上风机的示意图。
图4是本发明的牵索锚固式海上风机的第一变型示例的示意图。
图5是本发明的牵索锚固式海上风机的第二变型示例的示意图。
图6是本发明的牵索锚固式海上风机的一种较佳实施例。
图中，1.牵索钢缆，2.钢立柱，3.万向接头，4.下法兰盘，5.阻尼器，6.支柱，7.过渡法兰盘，8.风机塔筒，9.上法兰盘，10.风机机舱，11.风机叶片，12.导管架，13.测风塔架。
具体实施方式
以下参照附图结构详细描述本发明的实施例。
本发明一种牵索锚固式海上风机基础，包括钢立柱顶部连接下法兰盘，与风机塔筒底部的上法兰盘通过螺栓固定，钢立柱底部铰接万向接头，使钢立柱嵌固于海床，三根及以上牵索钢缆连接于下法兰盘和海床之间，实现钢立柱与海床的牵拉固定。
优选地，所述牵索钢缆为三根、四根、六根或多根，围绕钢立柱呈中心对称排列。
优选地，所述钢立柱的横截面为圆形或正多边形。
优选地，所述钢立柱可以包括变截面结构。
优选地，所述钢立柱可替换为导管架。
优选地，所述牵索钢缆与钢立柱的夹角为40o～60o。
优选地，所述下法兰盘为等多边形或圆形。
优选地，在平均海深10m～25m的深海领域使用该结构时，所述牵索钢缆上加装阻尼器，增加整体结构的柔性。
优选地，在平均海深25m～50m的深海领域使用该结构时，对牵索钢缆进行预拉伸，形成张力腿，提高整体结构的刚性。
优选地，在平均海深50m～100m的深海领域使用该结构时，钢立柱可替换为等截面的导管架，对牵索钢缆进行预拉伸，形成张力腿，提高整体结构的刚性。
作为该结构的另一种变型，另一种牵索锚固式海上风机基础，包括钢立柱顶部连接下法兰盘，在下法兰盘上连接一个支柱，支柱两端设置过渡法兰盘，支柱下端的过渡法兰盘与下法兰盘连接，支柱上端的过渡法兰盘与风机塔筒底部的上法兰盘通过螺栓固定，钢立柱底部铰接万向接头，使钢立柱嵌固于海床，三根及以上牵索钢缆连接于下法兰盘和海床之间，实现钢立柱与海床的牵拉固定。
如图1、图3所示，一种牵索锚固式海上风机，应用于平均海深10m～25m的海域，具体结构为：
钢立柱2顶部连接下法兰盘4，与风机塔筒8底部的上法兰盘9通过高强度螺栓固定，风机塔筒8顶部与风机机舱10连接，在风机机舱10的轮毂上连接风机叶片11，钢立柱2底部铰接万向接头3，使钢立柱2嵌固于海床，三根牵索钢缆1连接于下法兰盘4和海床之间，实现钢立柱2与海床的牵拉固定，牵索钢缆1和钢立柱2的夹角为45o，牵索钢缆1围绕钢立柱呈中心对称排列。
优选地，所述牵索钢缆1也可以为四根、六根及以上，围绕钢立柱2呈中心对称排列。
优选地，所述钢立柱2的横截面可以为多边形、圆形或椭圆形。
优选地，所述钢立柱2可以包括变截面结构。
优选地，所述牵索钢缆1与钢立柱2的夹角可以为45o～60o。
优选地，所述下法兰盘4可以为等多边形或圆形。
优选地，所述牵索钢缆1上加装阻尼器5，增加整体结构的柔性。
优选地，在平均海深30m～60m的深海领域使用该结构时，对牵索钢缆1进行预拉伸，形成张力腿，提高整体结构的刚性。
优选地，如图5所示，在平均海深60m～100m的深海领域使用该结构时，钢立柱2可替换为等截面的导管架12，对牵索钢缆1进行预拉伸，形成张力腿，提高整体结构的刚性。
作为该结构的一种变型，如图2、图4所示，一种牵索锚固式风机，主要用于平均海深30m～60m的深海领域，具体结构为：钢立柱2顶部连接下法兰盘4，在下法兰盘4上连接一个支柱6，支柱6两端设置过渡法兰盘7，支柱6下端的过渡法兰盘7与下法兰盘4连接，支柱6上端的过渡法兰盘7与风机塔筒8底部的上法兰盘9通过螺栓固定，风机塔筒8顶部与风机机舱10连接，在风机机舱10的轮毂上连接风机叶片11，钢立柱2底部铰接万向接头3，使钢立柱2嵌固于海岩，四根牵索钢缆1连接于下法兰盘4和海床之间，实现钢立柱2与海床的牵拉固定，牵索钢缆1和钢立柱2的夹角为45o，牵索钢缆1围绕钢立柱呈中心对称排列。
如图6所示，该种海上风机基础设计方案不仅可以用于海上风机的固定和支撑，还能用于海上测风塔的安装。将下法兰盘4与测风塔架的固定法兰通过螺栓等方式进行连接，即组装为一座海上测风塔，适用范围广泛。
本发明牵索锚固式海上风机，法兰盘以下部分整体锚固于海床，钢立柱的计算长度等于其自身高度，只有法兰盘以上部分为悬臂结构，大大减小了风机支撑结构的计算长度。结构体系可分解为法兰盘之下的广义风机基础和法兰盘之上常规塔筒及风机本体的二元体结构。
钢立柱采用万向接头嵌固于海岩，使风机塔筒结构在风暴的作用下可小角度内摆动，有效避免了传统的单桩固定式基础的施工困难、结构疲劳性能差等缺点；使用牵索钢缆提高整体结构的强度，有效避免整体结构在强风作用下的颤振。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种牵索锚固式海上风机基础，其特征在于：钢立柱（2）顶部连接下法兰盘（4），下法兰盘（4）与风机塔筒（8）底部的上法兰盘（9）通过螺栓固定，钢立柱（2）底部铰接于万向接头（3），使钢立柱（2）嵌固于海床，三根以上牵索钢缆（1）连接于下法兰盘（4）和海床之间，实现钢立柱与海床的牵拉固定；
在平均海深10m～25m的近海领域使用该牵索锚固式海上风机基础时，所述牵索钢缆（1）上加装阻尼器，增加整体结构的柔性。
2.根据权利要求1所述的牵索锚固式海上风机基础，其特征在于：所述牵索钢缆（1）为三根、四根或六根，围绕钢立柱呈中心对称排列。
3.根据权利要求1所述的牵索锚固式海上风机基础，其特征在于：所述钢立柱（2）替换为导管架（12）。
4.根据权利要求1所述的牵索锚固式海上风机基础，其特征在于：所述钢立柱（2）的横截面为圆形或正多边形；所述钢立柱（2）包括变截面结构。
5.根据权利要求1所述的牵索锚固式海上风机基础，其特征在于：所述牵索钢缆（1）与钢立柱（2）之间的夹角为40o～60o。
6.根据权利要求1所述的牵索锚固式海上风机基础，其特征在于：所述下法兰盘（4）为正多边形或圆形。
7.根据权利要求1所述的牵索锚固式海上风机基础，其特征在于：在平均海深25m～50m的深海领域使用权利要求1结构时，对牵索钢缆（1）进行预拉伸，形成张力腿，提高整体结构的刚性。
8.根据权利要求1所述的牵索锚固式海上风机基础，其特征在于：在平均海深50m～100m的深海领域使用权利要求1结构时，钢立柱（2）采用等截面的导管架，对牵索钢缆进行预拉伸，形成张力腿，提高整体结构的刚性。
9.根据权利要求1所述的牵索锚固式海上风机基础，其特征在于：钢缆结构形式有两种：六股式、螺旋股式，螺旋股式结构具有较强的纵向刚度和扭转平衡，旋转损耗低，对于平均海深50m以上的深海基础采用此种钢缆结构。
10.根据权利要求1所述的牵索锚固式海上风机基础，其特征在于钢缆全浸于海平面以下，在下法兰盘（4）上连接一个支柱（6），支柱（6）两端设置过渡法兰盘（7），支柱（6）下端的过渡法兰盘（7）与下法兰盘（4）连接，支柱（6）上端的过渡法兰盘（7）与风机塔筒（8）底部的上法兰盘（9）通过螺栓固定。
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