CN105089949B - 一种充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，包括腔体以及设置于腔体内部的多级水压柱，腔体表面设有数个进气阀和进水阀，所述多级水压柱包括U型缸体以及依次嵌套的多级空心活塞杆。将腔体与风电塔架组装后向腔体注入空气，拖曳至风电场工地，向腔体内部充水至沉入海底，然后向U型缸体压入高压海水，推动各级空心活塞杆逐级钻入砂石孔洞，直到极限位置，抽出水，向多级水压柱内部灌注混凝土，混凝土凝固后形成风电塔架的永久桩基。本发明使基础结构合理，既方便制造，又方便运输和安装，减少制造工程量和安装工程量、缩短工期，确保风电场尽快并网发电，该风电塔架基础具有极大的经济效益。

Description

一种充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础

技术领域

本发明属于风电设备技术领域，涉及一种充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础。

背景技术

随着世界能源日趋紧张，风力发电作为一种新能源的来源，受到世界各国的重视。我国海域面积辽阔，蕴含丰富的风能资源，特别是在近海区域发展风电，具有巨大的经济价值。

近海风电不同于内陆风电，其塔架基础的施工难度大，易受天气环境的影响。同时，现有的近海风电存在制造安装周期长、固定困难等问题。目前，常采用的方式是在内陆制造风电塔架及其基础，在港口将风电塔架和基础总装成能浮于海面的单个浮体，将这些浮体拖曳至风电场进行安装。传统风电塔架形式多为桩基础或重力式基础，而这些传统风电塔架基础的海上施工和安装费用较高并且安装工程量大，因此有必要对现有的近海风电塔架基础进行改进。

发明内容

为克服传统风电塔架基础的海上施工和安装费用较高并且安装工程量大等问题，本发明提出一种充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，使近海风电塔架基础既方便制造，又方便运输和安装，进而减少工程工期和成本。

本发明通过下列技术方案实现：一种充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，包括腔体以及设置于腔体内部的多级水压柱，腔体表面设有数个进气阀和进水阀。

所述腔体为扁平的圆柱体，腔体内部所形成的空腔为圆柱体空腔，圆柱体的上底面外部与风电塔架连接。

所述多级水压柱通过桁架结构竖直固定在腔体内部，多级水压柱的上下两端分别穿过腔体两底面上的通孔，通孔与多级水压柱相接处密封。

所述进气阀设置于腔体的上底面，进水阀设置于腔体的下底面。

所述进气阀、进水阀分别与设置于腔体内的自动控制装置电连接，通过自动控制装置对进气阀和进水阀实现开关。该自动控制装置还与遥控器通过信号连接。

所述腔体由厚度3毫米以下的钢板制成。

所述多级水压柱包括上端带端盖的U型缸体以及依次嵌套在U型缸体中的多级空心活塞杆；所述多级空心活塞杆中的最内层空心活塞杆在U型缸体开口方的端部设置为锥形头，该锥形头内部设密封板和安装板，在密封板和安装板之间设置弹簧，密封板与锥形头之间的空腔内设有密封球，该密封球穿过密封板的开孔与弹簧拉紧相连，使密封球在弹簧的拉力作用下紧压在密封板上，所述端盖上设有与多级空心活塞杆内部相连通的进水孔，安装板表面开设数个通孔，锥形头尖部开设喷嘴。

所述安装板以螺杆、螺母固定连接带有挡环的弹簧。

所述多级空心活塞杆各级之间通过挡圈和密封件相互形成连接，密封件达到密封作用，避免水灌入活塞杆中，挡圈在各级空心活塞杆拉伸时形成限位作用，防止各级活塞杆被水压拉导致脱离。

所述端盖为带凸缘的塞盖，塞盖通过螺栓套装于U型缸体中，塞盖上环设凹槽，并在凹槽内加设密封圈与U型缸体形成密封连接。

所述进水孔与外部高压泵通过管道相连。

在港口将腔体与风电塔架进行组装，吊装入海。闭合腔体上的进水阀，运用空压机经进气阀向腔体注入空气，使腔体膨胀成预应力结构，并关闭气阀，腔体的扁平圆柱状结构可以提供浮力，并能保证风电塔架的稳定，此时该组装体为浮体漂浮于海面。采用拖船将组装体拖曳至风电场工地，用管道将进水孔与拖船上的高压泵相连，工作人员通过遥控器传输信号给自动控制装置，使进水阀打开，向腔体内部充水，同时遥控传输信号给自动控制装置打开进气阀排出腔体内的气体；随着腔体内的水量增多，腔体缓慢沉入海底。然后通过管道连接的高压泵向U型缸体压入高压海水，高压海水推动最内层空心活塞杆向下端延伸抽开，同时高压海水流过安装板上的通孔，克服弹簧对密封球的拉力，使密封球与密封板分离，不再紧压密封板的开孔，高压海水流过密封板上的开孔继而通过喷嘴形成高压射流。高压射流可冲开海底的柔软砂石，最内层空心活塞杆依靠前端的锥形头钻入被射流冲击形成的砂石孔洞。最内层空心活塞杆外伸至极限位置后，由挡圈限位，并进一步带动其他各级空心活塞杆逐级钻入射流冲击形成的砂石孔洞，直到各级空心活塞杆达到极限位置，即可停止向U型缸体内压水，由于没有高压海水流入，密封球被弹簧拉回，紧贴密封板形成密封，隔绝外部海水。然后通过管道经进水孔将多级水压柱内部的海水抽出，最后通过管道经进水孔向多级水压柱内部灌注混凝土，混凝土凝固后和多级水压柱形成风电塔架的永久桩基。

本发明具备的优点及效果：为了节省风电基础的制造材料，将风电基础制造成空腔体，内部由桁架结构进行支撑；在和塔架组装之前，将空腔体的内部充入一定压力的空气，使空腔体膨胀成预应力结构。这样，腔体和塔架组装之后可以漂浮于海面，腔体内部气压和海水对腔体壁的压力进行部分抵消，达到节省腔体制造材料和结构轻量化的目的。另一方面，塔架和基础的组装体能漂浮于海面进行拖曳运输，这样可以方便塔架的运输，且腔体和风电塔架组装成整体运输大大减少了安装工程量。本发明提供的风电塔架基础通过腔体沉入海底后，经进气阀向腔体内部输送砂石料，腔体被混凝土填满后，作为塔架的永久基础，与风电塔架形成牢靠的“不倒翁”式结构。由于近海风电基础施工难度大，工序复杂，又极易受气候环境的影响，本发明优化了风电塔架基础的结构设计，使基础结构合理，既方便制造，又方便运输和安装，从而大大减少制造工程量和安装工程量、缩短工期，确保风电场尽快并网发电，该风电塔架基础具有极大的经济效益。

附图说明

图1为本发明风电塔架基础与风电塔架组装后的结构示意图；

图2为风电塔架基础的主视结构示意图；

图3为腔体的剖视结构示意图；

图4为腔体的俯视结构示意图；

图5为多级水压桩的结构示意图；

图6为图5中A部分的局部放大图；

图7为图5中B部分的局部放大图；

图8为图5中C-C向的截面结构示意图；

图9为多级水压桩逐级拉伸后的结构示意图；

图10为图9中D部分的局部放大图。

图中，1-风电塔架，2-腔体，3-多级水压柱，4-桁架结构，5-进气阀，6-进水阀，7-端盖，8-螺栓，9-密封圈，10-挡圈，11-U型缸体，12-第三级空心活塞杆，13-最内层空心活塞杆，14-密封件，15-螺杆，16-螺母，17-挡环，18-密封球、19-密封板、20-弹簧、21-安装板、22-进水孔、23-第二级空心活塞杆、24-锥形头、25-喷嘴、26-通孔。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明做进一步说明。

如图所示，充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，包括腔体2以及设置于腔体2内部的多级水压柱3，腔体2表面设有数个进气阀5和进水阀6。所述腔体2为扁平的圆柱体，腔体2内部所形成的空腔为圆柱体空腔，圆柱体的上底面外部与风电塔架1连接。所述多级水压柱3通过桁架结构4竖直固定在腔体2内部，多级水压柱3的上下两端分别穿过腔体2两底面上的通孔，通孔与多级水压柱3相接处密封。所述进气阀5设置于腔体2的上底面，进水阀6设置于腔体2的下底面。所述进气阀5、进水阀6分别与设置于腔体2内的自动控制装置电连接，通过自动控制装置对进气阀5和进水阀6实现开关。该自动控制装置还与遥控器通过信号连接。所述腔体2由厚度3毫米以下的钢板制成。

所述多级水压柱3包括上端带端盖7的U型缸体11以及依次嵌套在U型缸体11中的多级空心活塞杆；所述多级空心活塞杆中的最内层空心活塞杆13在U型缸体11开口方的端部设置为锥形头24，该锥形头24内部设密封板19和安装板21，在密封板19和安装板21之间设置弹簧20，密封板19与锥形头24之间的空腔内设有密封球18，该密封球18穿过密封板19的开孔与弹簧20拉紧相连，使密封球18在弹簧20的拉力作用下紧压在密封板19上，所述端盖7上设有与多级空心活塞杆内部相连通的进水孔22，安装板21表面开设数个通孔26，锥形头24尖部开设喷嘴25。所述安装板21以螺杆15、螺母16固定连接带有挡环17的弹簧20。所述多级空心活塞杆各级之间通过挡圈10和密封件14相互形成连接，密封件14达到密封作用，避免水灌入活塞杆中，挡圈10在各级空心活塞杆拉伸时形成限位作用，防止各级活塞杆被水压拉导致脱离。所述端盖7为带凸缘的塞盖，塞盖通过螺栓8套装于U型缸体11中，塞盖上环设凹槽，并在凹槽内加设密封圈9与U型缸体11形成密封连接。所述进水孔22与外部高压泵通过管道相连。

在港口将腔体2与风电塔架1进行组装，吊装入海。闭合腔体2上的进水阀6，运用空压机经进气阀5向腔体注入空气，使腔体2膨胀成预应力结构，并关闭气阀5，腔体2的扁平圆柱状结构可以提供浮力，并能保证风电塔架1的稳定，此时该组装体为浮体漂浮于海面。采用拖船将组装体拖曳至风电场工地，用管道将进水孔22与拖船上的高压泵相连，工作人员通过遥控器传输信号给自动控制装置，使进水阀6打开，向腔体2内部充水，同时遥控传输信号给自动控制装置打开进气阀5排出腔体2内的气体；随着腔体2内的水量增多，腔体2缓慢沉入海底。然后通过管道连接的高压泵向U型缸体11压入高压海水，高压海水推动最内层空心活塞杆13向下端延伸抽开，同时高压海水流过安装板21上的通孔26，克服弹簧20对密封球18的拉力，使密封球18与密封板19分离，不再紧压密封板19的开孔，高压海水流过密封板19上的开孔继而通过喷嘴25形成高压射流。高压射流可冲开海底的柔软砂石，最内层空心活塞杆13依靠前端的锥形头24钻入被射流冲击形成的砂石孔洞。最内层空心活塞杆13外伸至极限位置后，由挡圈10限位，并进一步带动第二级空心活塞杆23、第三级空心活塞杆12逐级钻入射流冲击形成的砂石孔洞，直到各级空心活塞杆达到极限位置，即可停止向U型缸体11内压水，由于没有高压海水流入，密封球18被弹簧20拉回，紧贴密封板19形成密封，隔绝外部海水。然后通过管道经进水孔22将多级水压柱3内部的海水抽出，最后通过管道经进水孔22向多级水压柱3内部灌注混凝土，混凝土凝固后和多级水压柱3形成风电塔架的永久桩基。

Claims (7)

1.一种充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，其特征在于 ：包括腔体（2）以及设置于腔体（2）内部的多级水压柱（3），腔体（2）表面设有数个进气阀（5）和进水阀（6）；所述腔体（2）为扁平的圆柱体，腔体（2）内部所形成的空腔为圆柱体空腔，圆柱体的上底面外部与风电塔架（1）连接；所述多级水压柱（3）包括上端带端盖（7）的 U 型缸体（11）以及依次嵌套在 U 型缸体（11）中的多级空心活塞杆 ；所述多级空心活塞杆中的最内层空心活塞杆（13）在 U 型缸体（11）开口方的端部设置为锥形头（24），该锥形头（24）内部设密封板（19）和安装板（21），在密封板（19）和安装板（21）之间设置弹簧（20），密封板（19）与锥形头（24）之间的空腔内设有密封球（18），该密封球（18）穿过密封板（19）的开孔与弹簧（20）拉紧相连，使密封球（18）在弹簧（20）的拉力作用下紧压在密封板（19）上，所述端盖（7）上设有与多级空心活塞杆内部相连通的进水孔（22），安装板（21）表面开设数个通孔（26），锥形头（24）尖部开设喷嘴（25）；所述多级水压柱（3）通过桁架结构（4）竖直固定在腔体（2）内部，多级水压柱（3）的上下两端分别穿过腔体（2）两底面上的通孔，通孔与多级水压柱（3）相接处密封。

2.根据权利要求1所述的充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，其特征在于 ：所述进气阀（5）设置于腔体（2）的上底面，进水阀（6）设置于腔体（2）的下底面。

3.根据权利要求1所述的充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，其特征在于 ：所述进气阀（5）、进水阀（6）分别与设置于腔体（2）内的自动控制装置电连接，通过自动控制装置对进气阀（5）和进水阀（6）实现开关，该自动控制装置还与遥控器通过信号连接。

4.根据权利要求1所述的充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，其特征在于 ：所述腔体（2）由厚度 3 毫米以下的钢板制成。

5.根据权利要求1所述的充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，其特征在于 ：所述安装板（21）以螺杆（15）、螺母（16）固定连接带有挡环（17）的弹簧（20）。

6.根据权利要求 1所述的充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，其特征在于 ：所述多级空心活塞杆各级之间通过挡圈（10）和密封件（14）相互形成连接。

7.根据权利要求 1 所述的充气运输水压桩固定式海上风电塔架基础，其特征在于 ：所述端盖（7）为带凸缘的塞盖，塞盖通过螺栓（8）套装于 U 型缸体（11）中，塞盖上环设凹槽，并在凹槽内加设密封圈（9）与 U 型缸体（11）形成密封连接。