CN106759454B - 一种全潜分离式风机基础 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全潜分离式风机基础，涉及海上风力发电技术领域，直接避免浮筒所受波浪荷载影响，明显降低了风机整体动力响应。所述全潜分离式风机基础，主要由两部分组成，一部分为潜浮式基础，另一部分为风机体系。潜浮式基础由套筒、支撑架、潜浮筒、张紧线和悬链线组成，风机体系由风机和塔筒构成。塔筒穿过中套筒可实现上下浮动，套筒通过支撑架与潜浮箱固定连接，套筒、支撑架、潜浮筒经张紧线和悬链线固定于海面以下形成潜浮式基础，充当塔筒的定向支座，塔筒底部通过张紧线连接到海床。所述为全新海上风机基础结构形式，适用于海上风机基础建设。

Description

一种全潜分离式风机基础

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术领域，尤其涉及一种潜浮式风机基础。

背景技术

目前为止，我国的漂浮式风机研究还处于起步阶段。而海上风电场的发展，目前多位于0-30米水深的浅海，距离海岸在20km以内，如响水风电场、东海大桥风电场等，均采用固定式支撑基础。而根据最新的中国气象局海上风资源调查结果显示，我国5m到25m水深线以内的近海区域、海平面以上50m高度风电可装机容量约为2亿kW，25m到50m以内的过渡区域、海平面以上70m以上可装机容量约为5亿kW，而100m以上的深海区域风能资源更为丰富。30米水深以上的海域，风能尚未被开发利用。

与浅海固定式基础结构形式相比，对于深海域漂浮式基础具有明显的优势。目前漂浮式基础形式有Spar式、张力腿式、半潜式等，各种漂浮式基础都有自身的优缺点。

Spar式浮式基础由中央柱、浮力舱、压载舱、系泊系统组成，由于重心低于浮心可以保证基础的稳定性。优点：水线面积小受波浪荷载影响小；缺点：水下结构吃水深、耗材多、不经济同时悬链线对横摇纵摇纵荡横荡的刚度不够，此结构不适用于100米以内水域风能的开发。

半潜式浮式基础主要由立柱、横梁、斜撑、浮箱和系泊系统组成。优点：此形式基础具有较大的水线面面积，回复力矩大，稳定性好；缺点：大尺度浮筒结构遭受较大波浪载荷，基础结构体积巨大不经济。

张力腿式浮式基础主要通过张力筋腱将浮于海面的平台基础固定在海底的基座，通过收紧张力筋键，使浮体的吃水比静平衡时大，因此浮力大于浮体重力，该剩余浮力由筋键的张力予以平衡，保持整个风机结构的稳定。优点：张力腿式浮式基础具有良好的垂荡和摇摆特性；缺点：张力腿结构复杂，价格昂贵，安装成本高。

目前世界范围内已有不少漂浮式基础应用到风力发电当中，却因技术限制、造价昂贵、漂浮式基础受荷复杂等原因，未能像浅海域固定式基础那样得到大力的推广。

目前我国正在大力的开发海上风能，深海领域还未开始涉及，随着对海上风能的开发，必定会走向深海，如何吸取国外经验，开发一种能够保证风机稳定的海上基础形式是目前要解决的一个重大技术难题。

因此，为了充分利用我国广阔的海洋风能资源，建设可以向深海区域发展的优良基础形式，这需要结合各种漂浮式基础的优点摒弃缺点，研发一种经济适用、受波浪荷载小、动力响应小等优异的海上新型风机基础。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种全潜分离式风机基础，能有效减少整机运动幅值，避免浮筒受波浪荷载的作用，运动性能上要优于传统的漂浮式风机基础，为风机提供最大可能的稳定运行环境，保障风机正常运行发电。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种全潜分离式风机基础，包括风机、上塔筒、中桁架、下部浮筒结构、中套筒、支撑架、潜浮筒、第一张紧线、第二张紧线、悬链线和吸力式沉箱基础，所述风机的底部与上塔筒的顶部设置连接，所述上塔筒的底部与中桁架的顶部设置连接，所述中桁架的底部与下部浮筒结构的顶部设置连接，所述下部浮筒结构通过第一张紧线连接海床；所述下部浮筒结构的上段套设在中套筒内，所述中套筒竖直设置在支撑架内部中心并固定，所述支撑架的外部均匀分布设置若干潜浮筒，若干所述潜浮筒分别通过竖直方向的第二张紧线连接至海床面，并通过悬链线与吸力式沉箱基础连接；所述吸力式沉箱基础沿着以风机基础的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心均匀的设置在海底。

进一步的，风机塔筒与浮筒中间设有中桁架，使海平面位于中桁架所处竖直方向范围之内，所述中桁架为镂空型结构，可以大大的降低风机塔筒所受到的波浪荷载作用。

进一步的，所述第一张紧线为一根或者为多根连接至海底；多根所述第一张紧线与风机的纵向中心线夹角呈30°～45°均匀分布连接至海床。

进一步的，所述支撑架三角形框架或立体锥形框架。

进一步的，所述中套筒为单套筒结构或者由多个单套筒分离式组成的多套筒结构。

进一步的，所述中套筒内部设置有橡胶圈，所述橡胶圈内部设置有上下贯穿的若干套筒凹槽，所述下浮筒结构的外壁上设置有与套筒凹槽对应的若干凸条，所述下浮筒结构与中套筒之间通过套筒凹槽和凸条配合设置。

进一步的，所述潜浮筒为整体式单个潜浮筒或者单元式多潜浮筒。

进一步的，所述单元式多潜浮筒包括至少一个单元中浮筒和可拆卸的多个单元边浮筒，多个所述单元边浮筒均匀固定在单元中浮筒周围；所述单元中浮筒的体积大于单元边浮筒，所述单元中浮筒的高度大于或等于单元边浮筒。

进一步的，所述支撑架的外侧端部设置有支座，所述支座上设置有均匀分布的圆形孔洞，所述圆形孔洞的内壁面上相对设置有上下贯的凹槽，以及设置在圆形孔洞内壁的一圈卡槽；所述单元边浮筒的外壁背面上设置有一对凸角；所述单元边浮筒的凸角顺着凹槽嵌入圆形空洞内，旋转单元边浮筒，当凸角与卡槽相对应时，由单元边浮筒所受浮力，使凸角卡在卡曹内，支座可固定单元边浮筒。

进一步的，所述悬链线可以更换成张紧的系泊缆。

有益效果：本发明中的塔筒采用了Spar式浮式基础形式，但不涉及压载舱，大大减少了水下结构吃水深度，所述潜浮式基础与半潜式基础相比，节约用材，最大优点在于浮筒免受较大波浪荷载作用。解决了半潜式浮式基础最根本的问题。

1、本发明适用于水深为50米至200米之间海域的风机基础选型问题。

2、所述全潜分离式风机基础，全潜式基础通过张紧线和悬链线固定于水下，与半潜式漂浮式风机基础相比，完全避免了基础受波浪荷载作用的影响，大大的减少了结构的动力响应，并大幅减小漂浮式风机的运动幅值。

3、全潜式基础通过张紧线和悬链线固定于水下，可以保证竖向与水平向稳定性，为风机系统提供稳定的基础形式。

4、传统漂浮式风机基础都要受到来自风机上部的倾覆力矩作用，而全潜分离式风电基础，实现了塔柱与基础分离，套筒类似一个定向支座，风机下部由张紧线固定，风机能绕固定点发生转动，因此中部套筒为风机提供一个支点，全潜式基础主要受到风机塔筒传来的水平反力作用，全潜式基础受倾覆力矩小。

5、所述全潜式基础主要受来自塔筒传来的水平荷载作用，张紧线和悬链线可以用来抵抗来自套筒传来的水平荷载。由于全潜式基础所受倾覆力矩较小，所以无需过多过剩浮力来抵抗倾覆力矩，能满足风机稳定性即可，所以与半潜式基础相比大大的节约了用钢量。

6、所述全潜分离式风机基础优点在于，结合了Spar式风机较小的水线面积，塔筒受波浪荷载小，采用了半潜式基础回复力矩大的优点，最后通过张力线把浮筒拉入水中，具有较高的竖向与水平稳定性。

7、本发明最重要一点就是可以确定该风机的目标海域，目标水深从50米到200米，目前我国海上风能的开发尚未涉及到该海域，而此海域的风能却远远高于近海风能，该发明解决了该水域风机选型的问题。

8、所述全潜分离式风机基础中的塔筒采用三段式结构，上部为塔筒，中部为桁架，下部为潜浮筒结构，下部潜浮筒为风机系统提供所需浮力，因此风机重不需要全潜基础来承担，中部桁架镂空结构代替了圆筒结构进一步减小了风机所受的波浪荷载。

附图说明

图1是本发明的示例性实施例的全潜分离式风机基础结构的示意性原理图；

图2是本发明的示例性实施例的全潜分离式风机基础采用不同组合形式的示意图；

图3是本发明实施例提供的套筒与塔筒连接措施示意图；

图4是本发明实施例提供的单元潜浮筒结构的两种示意图；

图5是本发明实施例提供的单元潜浮筒连接措施示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1，一种全潜分离式风机基础，包括风机11、上塔筒12、中桁架13、下部浮筒结构14、中套筒21、支撑架22、潜浮筒23、第一张紧线26、第二张紧线24、悬链线25和吸力式沉箱基础27。

具体的，风机11与上塔筒12的顶部设置连接，所述上塔筒12的底部与中桁架13的顶部设置连接，中桁架设置在海面51处，中桁架一部分设在海面以上，一部分设置在海面以下，所述中桁架13为镂空型结构，大幅减小海平面波浪对风机的影响。所述中桁架13的底部与下部浮筒结构14的顶部设置连接，下部浮筒结构所受浮力可与风机体系自重相平衡，所述下部浮筒结构14通过第一张紧线26连接至海床。

所述下部浮筒结构14的上段套在中套筒21内，所述中套筒21竖直设置在支撑架22内部中心并固定，所述支撑架22的外部均匀分布设置若干潜浮筒23，若干所述潜浮筒23分别通过竖直方向的第二张紧线24连接至海床面，具体的，第二张紧线24从潜浮式基础的潜浮筒23底部沿着与风机基础纵向中心线平行的方向延伸到海床，经锚基础连接到海床保证潜浮体的竖向稳定性。

所述至少三根悬链线25的一端分别连接到潜浮筒的中部，所述至少三根悬链线25的另一端分别由锚基础连接到海床，悬链线可以更好的保持潜浮式基础的水平稳定性。另外所述悬链线25，可以改换成张紧的系泊缆28，三根系泊缆28的一端分别连接到潜浮式基础中潜浮筒的中部，另一端分别由锚基础连接到海床。系泊缆在工作过程中一直处于绷紧状态。

图2，所述第一张紧线26为一根或者为多根连接至海床，多根所述第一张紧线26与风机的纵向中心线夹角呈30°～45°均匀分布连接至海床。所述中套筒21为单套筒结构或者由多个单套筒分离式组成的多套筒结构29，多套筒形式能够更好的保证风机的稳定性。

图3，在中套筒21与塔筒12接触的地方设有防止风机艏摇措施，以及中套筒与塔筒防碰撞措施。所述中套筒21内部设置有橡胶圈42，橡胶圈一方面可以防止塔筒与中套筒之间的碰撞，另一方面也可以起到一定的阻尼作用。所述橡胶圈42内部设置有上下贯穿的若干套筒凹槽43，所述下浮筒结构14的外壁上设置有与套筒凹槽43对应的若干凸条41，所述下浮筒结构14与中套筒21之间通过套筒凹槽43和凸条41配合设置，目的是为了避免风机发生艏摇现象，这里只是给出了一种防塔筒与中套筒碰撞以及防止风机发生艏摇的措施，目的是为了说明需要对中套筒进行相应的技术处理。

所述潜浮筒23为整体式潜浮筒或者单元式多潜浮筒。由单元式多潜浮筒的大小，排水量的多少，可以有效的控制张紧线张力的大小。

具体的如图4和图5，所述单元式多潜浮筒组合包括至少一个单元中浮筒33和可拆卸的多个单元边浮筒32，多个所述单元边浮筒32均匀设置在单元中浮筒33周围；所述单元中浮筒33的体积大于单元边浮筒32，所述单元中浮筒33的高度大于或等于单元边浮筒32。

所述支撑架22的外侧端部设置有支座31，所述支座31上设置有均匀分布的圆形孔洞，所述圆形孔洞的内壁面上相对设置有上下贯的凹槽36，以及设置在圆形孔洞内壁的一圈卡槽37；所述单元边浮筒32的外壁背面上设置有一对凸角35；所述单元边浮筒32的凸角顺着凹槽36嵌入于圆形空洞内，旋转单元边浮筒32，当凸角35与卡槽37相对应时，由单元边浮筒所受浮力，使凸角35卡在卡曹37内，支座可固定单元边浮筒。

本潜浮式基础不经仅仅图中所涉及的包括三筒式，同时也包括四筒式或与外圆型等结构形式，不同结构形式经过张紧线与悬链线张拉全潜于水下形成一种稳定的潜浮式基础，为风机系统提供稳定的支撑体系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种全潜分离式风机基础，其特征在于：包括风机(11)、上塔筒(12)、中桁架(13)、下部浮筒结构(14)、中套筒(21)、支撑架(22)、潜浮筒(23)、第一张紧线(26)、第二张紧线(24)、悬链线(25)和吸力式沉箱基础(27)，所述风机(11)的底部与上塔筒(12)的顶部设置连接，所述上塔筒(12)的底部与中桁架(13)的顶部设置连接，所述中桁架(13)的底部与下部浮筒结构(14)的顶部设置连接，所述下部浮筒结构(14)的底部通过第一张紧线(26)连接至海床；所述下部浮筒结构(14)的上段套设在中套筒(21)内，所述中套筒(21)竖直设置在支撑架(22)内部中心并固定，所述支撑架(22)的外部均匀分布设置若干潜浮筒(23)，若干所述潜浮筒(23)分别通过竖直方向的第二张紧线(24)连接至海床面，并通过悬链线(25)与吸力式沉箱基础(27)连接；所述吸力式沉箱基础(27)沿着以风机基础的纵向中心线的延长线与海床面的交点为圆心均匀的设置在海床；

所述中套筒(21)为单套筒结构或者由多个单套筒分离式组成的多套筒结构(29)；

所述中套筒(21)内部设置有橡胶圈(42)，所述橡胶圈(42)内部设置有上下贯穿的若干套筒凹槽(43)，所述下浮筒结构(14)的外壁上设置有与套筒凹槽(43)对应的若干凸条(41)，所述下浮筒结构(14)与中套筒(21)之间通过套筒凹槽(43)和凸条(41)配合设置。

2.根据权利要求1所述的一种全潜分离式风机基础，海平面位于中桁架(13)所处竖直方向范围之内，所述中桁架(13)为镂空型结构，且可以调节高度，且最大调节高度高于历史最高波面。

3.根据权利要求1所述的一种全潜分离式风机基础，其特征在于：所述第一张紧线(26)为一根或者为多根通过锚基础连接至海床；多根所述第一张紧线(26)与风机的纵向中心线夹角呈30°～45°均匀分布连接至海床。

4.根据权利要求1所述的一种全潜分离式风机基础，其特征在于：所述支撑架(22)为三角形框架或立体锥形框架。

5.根据权利要求1所述的一种全潜分离式风机基础，其特征在于：所述潜浮筒(23)为整体式单潜浮筒或者单元式多潜浮筒。

6.根据权利要求5所述的一种全潜分离式风机基础，其特征在于：所述单元式多潜浮筒包括至少一个单元中浮筒(33)和可拆卸的多个单元边浮筒(32)，所述单元中浮筒(33)的体积大于单元边浮筒(32)，所述单元中浮筒(33)的高度大于或等于单元边浮筒(32)。

7.根据权利要求6所述的一种全潜分离式风机基础，其特征在于：所述支撑架(22)的外侧端部设置有支座(31)，所述支座(31)上设置有均匀分布的圆形孔洞，所述圆形孔洞的内壁面上相对设置有上下贯通的凹槽(36)，以及设置在圆形孔洞内壁的一圈卡槽(37)；所述单元边浮筒(32)的外壁背面上设置有一对凸角(35)；所述单元边浮筒(32)的凸角顺着凹槽(36)嵌入圆形孔洞内，旋转单元边浮筒(32)，当凸角(35)与卡槽(37)相对应时，由单元边浮筒所受浮力，使凸角(35)卡在卡曹(37)内，支座可固定单元边浮筒。

8.根据权利要求1所述的一种全潜分离式风机基础，其特征在于：所述悬链线(25)可以更换成张紧的系泊缆(28)。