CN108149716B - 抗冰锥装置及海上风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抗冰锥装置及海上风力发电机组，所述抗冰锥装置包括：连接在安装壁上的外壳；气囊，设置在所述外壳与所述安装壁之间，通过对所述气囊的充气和放气，使所述抗冰锥装置进入抗冰状态和收缩状态。使用根据本发明的抗冰锥装置及海上风力发电机组，可以在有冰情况下形成抗冰结构，降低冰作用荷载，在无冰情况下收缩，减小作用在基础上的波浪的冲击荷载。

Description

抗冰锥装置及海上风力发电机组

技术领域

本发明涉及一种抗冰锥装置及海上风力发电机组，具体来说，涉及一种可具有抗冰状态和收缩状态的抗冰锥装置。

背景技术

大直径单桩基础是近海海域大型海上风力发电机组最常用的基础形式，但由于诸如渤海等的海域在冬季会发生结冰现象，因此在设计大直径单桩基础时需要考虑结构抗冰的问题。

目前，常见的结构抗冰设计来自于油气行业导管架平台的抗冰锥设计，但是由于大直径单桩基础上的抗冰锥结构相比于导管架平台的桩腿上的抗冰锥结构的直径增大很多，会导致作用在抗冰锥结构上的波浪载荷显著增加，进而导致大直径单桩基础和塔筒的设计荷载显著增加，同时增加大直径单桩基础和塔筒结构的重量。例如，目前大直径单桩的直径通常为5m以上，一些单桩的直径甚至可达到7m，以最佳抗冰角度为45°至65°来计算，套在单桩外部的采用正倒锥体形式的抗冰锥结构的直径通常在9m以上，这将会导致作用在抗冰锥结构上的波浪力显著增大，进而导致单桩基础的极限荷载和疲劳荷载增大，在设计时需要加强基础的结构，导致基础结构重量的增加，降低经济性。

发明内容

为了解决由于抗冰锥结构的直径较大而导致作用在抗冰锥结构上的波浪力增大等问题，本发明提供一种可具有抗冰状态和收缩状态的抗冰锥装置以及包括该抗冰锥装置的海上风力发电机组。

本发明的一方面提供一种抗冰锥装置，所述抗冰锥装置包括：连接在安装壁上的外壳；气囊，设置在所述外壳与安装壁之间，通过对所述气囊的充气和放气，使所述抗冰锥装置进入抗冰状态和收缩状态。

利用上述构造，所述抗冰锥装置可以在有冰情况下进入抗冰状态，降低冰作用荷载，在无冰情况下进入收缩状态，减小抗冰锥装置的外径，使得作用在其上的波浪荷载减小。

优选地，所述外壳包括上壳体、下壳体和连接部，所述上壳体的上边缘和所述下壳体的下边缘可转动地连接到所述安装壁，所述连接部连接所述上壳体和下壳体的另一边。

利用上述构造，所述上壳体与所述下壳体可相对于所述安装壁形成倾斜面，以进行抗冰，也可基本贴在所述安装壁的表面上，以减小作用在所述抗冰锥装置上的波浪力。

优选地，所述上壳体的所述上边缘和所述下壳体的所述下边缘通过锁环或销轴连接到所述安装壁。

利用上述构造，可根据需要选择所述上壳体和所述下壳体与所述安装壁的连接方式，以使所述上壳体和所述下壳体可转动地连接到所述安装壁，从而使所述抗冰锥装置进入抗冰状态或收缩状态。

优选地，所述连接部是可伸缩弹性橡胶。

利用上述构造，所述抗冰锥装置可通过所述连接部进入抗冰状态进行抗冰，或者进入收缩状态以减小波浪力。

优选地，在所述气囊充气状态下，所述上壳体和所述下壳体分别相对于所述安装壁形成抗冰角度而呈倾斜状态，所述连接部沿着所述上壳体和所述下壳体的倾斜方向伸展，在所述气囊未充气状态下，所述连接部缩短，以使所述上壳体与所述下壳体贴近所述安装壁。

利用上述构造，可通过对所述气囊充气和放气调节所述上壳体与所述下壳体的位置，以使所述抗冰锥装置进入抗冰状态和收缩状态。

优选地，所述抗冰角度在45°-65°的范围内。

利用上述构造，能够调节所述抗冰锥装置的抗冰角度，从而能够以最佳抗冰角度进行抗冰。

优选地，所述上壳体和所述下壳体为平板状构件，在所述气囊充气状态下，所述外壳的沿竖直方向剖开的截面呈三角形形状。

利用上述构造，可在所述抗冰锥装置进入抗冰状态下形成倾斜面，形成抗冰所需的结构，降低冰作用荷载。

优选地，所述上壳体和所述下壳体是弧状构件，在所述气囊充气状态下，所述外壳的沿竖直方向剖开的截面呈半圆形形状或半椭圆形形状。

利用上述构造，可在所述抗冰锥装置进入抗冰状态下形成弧面，形成抗冰所需的结构，进一步降低冰作用荷载。

优选地，所述气囊的外表面上覆盖有保护层。

利用上述构造，可以增强所述气囊的外表面的强度，保护所述气囊不被外部物体损坏。

优选地，所述保护层为网状鳞片或编织网结构。

利用上述构造，可以进一步避免所述气囊表面的磨损或损坏而导致可能的漏气，并且可减小所述气囊在充气和放气过程中与所述外壳之间的摩擦，从而更容易地通过所述气囊的充放气调整抗冰角度。

本发明的一方面提供一种海上风力发电机组，所述海上风力发电机组包括：基础；及如上所述的抗冰锥装置，所述抗冰锥装置设置在所述基础的外周。

利用上述构造，所述海上风力发电机组的基础可在有冰情况下使海冰的破坏机理由载荷较大的挤压破坏，变为载荷较小的弯曲破坏，从而降低冰荷载，在无冰情况下减小抗冰锥装置的外径，使得作用在其上的波浪对基础的冲击载荷减小，从而可相应地减小所述海上风力发电机组的基础和塔筒的结构重量，提高经济性。

根据本发明的抗冰锥装置可具有两种状态，即，抗冰状态和收缩状态，因此，可在有冰情况下形成抗冰结构，降低冰作用荷载，在无冰情况下收缩，减小抗冰锥装置的外径，使得作用在其上的波浪对基础的冲击荷载减小，从而可相应地减小海上风力发电机组的基础和塔筒的结构重量，提高经济性。

此外，根据本发明的抗冰锥装置可根据冰情和冰况的变化，调节抗冰角度，使抗冰锥装置以最佳抗冰角度来工作，从而最大限度地减小冰荷载。

此外，与传统抗冰锥装置具有钢制加强肋板的构造相比，根据本发明的抗冰锥装置的气囊重量较轻，从而在保证抗冰锥装置的外形和抗冰效果的前提下，大大减小了抗冰锥装置自身的重量，同时也降低了抗冰锥装置的制造成本，提高经济性。

附图说明

图1是示出本发明的第一示例性实施例的抗冰锥装置在抗冰状态下的外部示图；

图2是示出本发明的第一示例性实施例的沿着图1的I-I’线截取的局部截面图；

图3是示出本发明的第一示例性实施例的抗冰锥装置在收缩状态下的外部示图；

图4是示出本发明的第一示例性实施例的沿着图3的II-II’线截取的局部截面图；

图5是示出本发明的保护层的另一实施例的结构示意图；

图6是示出本发明的第二示例性实施例的抗冰锥装置在抗冰状态下的外部示图；

图7是示出本发明的第三示例性实施例的抗冰锥装置在抗冰状态下的外部示图。

在整个附图和具体实施方式中，除非另外地进行描述或设置，否则相同的标号指示相同的元件、特征和结构。为了清晰、说明和方便，附图可不按比例绘制，并且可放大附图中元件的相对尺寸、比例和描述。

附图标号说明：

1：安装壁，100：抗冰锥装置，110：外壳，111：上壳体，112：下壳体，113：连接部，120：气囊，121：充放气阀，122：充放气管，123：保护层，124：气囊挂钩，130：连接构件。

具体实施方式

这里描述的特征可按照不同的方式实施，并且将不被解释为局限于这里所描述的示例。更确切地说，已经提供这里所描述的示例，使得本公开是彻底的和完整的，且将把本公开的全部范围传达给本领域的普通技术人员。

在下文中，将参照附图详细说明本发明的示例性实施例。

参照图1至图4，根据本发明的第一示例性实施例的抗冰锥装置100包括外壳110和气囊120，抗冰锥装置100可安装在安装壁1(例如，海上风力发电机组的基础的外壁)上，例如，抗冰锥装置100整体上呈环形，套在基础的外周。并且可以根据潮汐的上下水位在基础的外周套设多个抗冰锥装置100。此外，在图1和图3中，为了示出外壳110和气囊120的各组成构件之间的关系，对图中部分区域的外壳110做了部分省略，以示出内部构件(例如，将在下面描述的保护层123)。

外壳110包括上壳体111、下壳体112和连接部113。

上壳体111的上边缘和下壳体112的下边缘分别可旋转地连接到安装壁1，上壳体111的下边缘和下壳体112的上边缘可通过连接部113连接。在此，上壳体111和下壳体112可以形成为平板状。

启动抗冰状态时，上壳体111与下壳体112分别以上边缘和下边缘为中心旋转，从而相对于安装壁1形成一定角度(以下称为抗冰角度)，以形成如图2所示的上下方向的倾斜面，由此在基础的外壁进行抗冰。此时，上壳体111和下壳体112的另一边通过连接部113大致形成一个尖角，因此此时的外壳110的剖面图呈如图2所示的三角形。进入收缩状态时，上壳体111与下壳体112又分别以上边缘和下边缘为中心旋转，使上壳体111与下壳体112的内壁基本贴在安装壁1的表面上(如图4所示)。

在此，上壳体111和下壳体112可由钢板制成，但其材质不限于此，只要能够形成并维持抗冰锥装置100的抗冰结构外形并保护其内部构件不被外部冲击损坏即可。另外，连接部113可由具有弹性的橡胶制成，以能够进行伸缩。在形成抗冰结构时，连接部113从上壳体111和下壳体112的另一边向外伸展，使外壳110形成上述的三角形的抗冰结构即可。

在此，抗冰锥装置100还可包括连接构件130，使得上壳体111和下壳体112可通过连接构件130连接到安装壁1。连接构件130可以是锁环或者销轴，以使上壳体111和下壳体112相对于安装壁1的抗冰角度是可变的。

气囊120设置在外壳110与安装壁1之间，以通过外壳110保护气囊120不被外部冰体损坏。气囊120可在充气状态下支撑外壳110的上壳体111和下壳体112，从而使抗冰锥装置100进入抗冰状态。具体来说，在对气囊120充气或放气时，可通过连接部113的伸缩来调节抗冰角度。在此，气囊120可由可伸缩弹性材料形成，以在充气或放气时膨胀或收缩。

气囊120上可设置有充放气阀121和充放气管122。充放气阀121可控制气囊120通过充放气管122进气和排气。充放气管122的一端连接到充放气阀121，其另一端可连接到诸如充气泵等外部充气装置，以输送气体。

参照图1至图4，根据本发明的抗冰锥装置100可具有抗冰状态和收缩状态。在抗冰锥装置100的工作过程中，如图1和图2所示，在对气囊120充气时，连接部113沿着上壳体111和下壳体112的倾斜方向伸展，外壳110通过气囊120的支撑而展开，形成抗冰锥体结构，此时抗冰锥装置100处于抗冰状态，并且可通过调节气囊120的充气程度来调节抗冰角度，即，在增大气囊120的充气量时，气囊120的膨胀趋于饱和，抗冰锥装置的抗冰角度逐渐增大。反之，在使气囊120放气时，气囊120内的充气量减小，气囊120逐渐收缩，连接部113缩短，抗冰锥装置的抗冰角度逐渐减小，当气囊120内的气体基本完全排出时，如图3和图4所示，上壳体111和下壳体112贴近安装壁1，此时抗冰锥装置100处于收缩状态。

在具有如图1至图4所示的抗冰结构的抗冰锥装置中，通过调节气囊120的充气程度，确保抗冰锥装置100的抗冰角度可在45°-65°的范围内。

在上述构造的抗冰锥装置100中，可通过气囊120的充放气，使得抗冰锥装置100能够在需要抗冰的情况下形成抗冰结构，降低冰荷载，而在无冰情况下收缩，降低波浪荷载。

同时，由于可通过调节气囊120内部的充气量来调节抗冰锥装置100的抗冰角度，因此可根据冰情和冰况的变化，使抗冰锥装置以最佳抗冰角度(例如，在45°-65°的范围内)来工作，从而最大限度地减小冰荷载。

本发明与利用钢制肋板和筋板的传统抗冰锥结构相比，采用填充气体的气囊120制造抗冰结构，可减小抗冰锥装置自身的重量，同时也降低了抗冰锥装置的制造成本，提高经济性。

另外，气囊120的外表面上可设置有保护层123(如图1和图3中所示)，以增强气囊120的外表面的强度，保护气囊120不被外部物体损坏，例如，在充放气过程中避免外壳110的内壁对气囊120表面磨损，或者在外壳110破损时防止外部冰体损坏气囊120。此外，还可通过保护层123来减小气囊120在充气和放气过程中与外壳110之间的摩擦，从而更容易地通过气囊120的充放气调整抗冰角度。

保护层123可以是如图1中所示的具有正六边形形状的钢制网状鳞片，但是网状鳞片的形状不限于此，例如，如图5中示出的另一实施例的保护层的结构，网状鳞片可具有圆形形状，或者网状鳞片还可具有椭圆形形状。

尽管图1至图5中示出了保护层123为网状鳞片，但是保护层123的形式和材质不限于上面描述的构造，只要其可对气囊120起到保护作用即可。例如，保护层123可以是由诸如碳纤维等复合材料制成的编织网结构，或者也可以是涂覆在气囊120的外表面上的涂层。

此外，气囊120上可设置有气囊挂钩124，以将气囊120安装在安装壁1上。相应地，安装壁1上可设置有用于钩挂气囊挂钩124的结构。

图6是示出本发明的第二示例性实施例的抗冰锥装置在抗冰状态下的外部示图。图7是示出本发明的第三示例性实施例的抗冰锥装置在抗冰状态下的外部示图。

与上面参照图1至图4描述的抗冰锥装置100相比，图6和图7中示出的抗冰锥装置100的不同之处主要在于外壳110的形状。

在图6的抗冰锥装置100中，外壳110的上壳体111和下壳体112具有圆弧状的外表面，使得在抗冰状态下，外壳110的沿竖直方向剖开的截面呈半圆形形状。

在图7的抗冰锥装置100中，外壳110的上壳体111和下壳体112具有弧状的外表面，使得在抗冰状态下，外壳110的沿竖直方向剖开的截面呈半椭圆形形状。在此，该半椭圆形形状可以是如图7所示的外壳110的外径比高度长的半椭圆形形状，也可以是外壳110的外径比高度短的半椭圆形形状。

尽管上面参照图1至图4以及图6和图7示出了上壳体111与下壳体112具有相同的形状，但是上壳体111和下壳体112的形状也可具有不同的形状，或者为上述各种形状的任意组合。

如上所述，根据本发明的抗冰锥装置可具有两种状态，即，抗冰状态和收缩状态，因此，可在有冰情况下形成抗冰结构，降低冰作用荷载，在无冰情况下收缩，减小抗冰锥装置的外径，使得作用在其上的波浪的冲击载荷减小，从而可相应地减小海上风力发电机组的基础和塔筒的结构重量，提高经济性。

此外，根据本发明的抗冰锥装置可根据冰情和冰况的变化，调节抗冰角度，使抗冰锥装置以最佳抗冰角度来工作，从而最大限度地减小冰荷载。

此外，与传统抗冰锥装置具有钢制加强肋板的构造相比，根据本发明的抗冰锥装置的气囊重量较轻，从而在保证抗冰锥装置的外形和抗冰效果的前提下，大大减小了抗冰锥装置自身的重量，同时也降低了抗冰锥装置的制造成本，提高经济性。

本发明还保护一种海上风力发电机组，包括基础，以及设置在基础外周的抗冰锥装置100。可以根据有冰季节和无冰季节调节基础上的抗冰锥装置的状态，使其在有冰季节进入抗冰状态，使海冰的破坏机理由载荷较大的挤压破坏，变为载荷较小的弯曲破坏，从而降低冰荷载。在无冰季节进入收缩状态，减少波浪对基础的冲击荷载。

虽然已示出和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (10)

1.一种抗冰锥装置，其特征在于，所述抗冰锥装置(100)包括：

连接在安装壁(1)上的外壳(110)；

气囊(120)，设置在所述外壳(110)与所述安装壁(1)之间，通过对所述气囊(120)的充气和放气，使所述抗冰锥装置(100)进入抗冰状态和收缩状态，

其中，所述外壳(110)包括上壳体(111)和下壳体(112)，所述上壳体(111)的上边缘和所述下壳体(112)的下边缘可转动地连接到所述安装壁(1)，在所述抗冰状态下，所述上壳体(111)的下边缘和所述下壳体(112)的上边缘向外张开并彼此相接形成尖角，在所述收缩状态下，所述上壳体(111)的下边缘和所述下壳体(112)的上边缘向内旋转以贴近所述安装壁(1)；

所述外壳(110)还包括连接部(113)，所述连接部(113)连接所述上壳体(111)的下边缘和下壳体(112)的上边缘；

在所述气囊(120)充气状态下，所述上壳体(111)和所述下壳体(112)分别相对于所述安装壁(1)向外旋转而呈倾斜状态，所述连接部(113)从所述上壳体(111)下边缘和所述下壳体(112)的上边缘向外伸展，在所述气囊(120)未充气状态下，所述连接部(113)缩短，以使所述上壳体(111)与所述下壳体(112)贴近所述安装壁(1)。

2.根据权利要求1所述的抗冰锥装置，其特征在于，所述上壳体(111)的所述上边缘和所述下壳体(112)的所述下边缘通过锁环或销轴连接到所述安装壁(1)。

3.根据权利要求2所述的抗冰锥装置，其特征在于，所述连接部(113)是可伸缩弹性橡胶。

4.根据权利要求1所述的抗冰锥装置，其特征在于，在所述气囊(120)充气状态下，所述连接部(113)沿着所述上壳体(111)和所述下壳体(112)的倾斜方向伸展。

5.根据权利要求1所述的抗冰锥装置，其特征在于，所述抗冰角度在45°-65°的范围内。

6.根据权利要求5所述的抗冰锥装置，其特征在于，所述上壳体(111)和所述下壳体(112)为平板状构件，在所述气囊(120)充气状态下，所述外壳(110)的沿竖直方向剖开的截面呈三角形形状。

7.根据权利要求5所述的抗冰锥装置，其特征在于，所述上壳体(111)和所述下壳体(112)是弧状构件，在所述气囊(120)充气状态下，所述外壳(110)的沿竖直方向剖开的截面呈半圆形形状或半椭圆形形状。

8.根据权利要求1所述的抗冰锥装置，其特征在于，所述气囊(120)的外表面上覆盖有保护层(123)。

9.根据权利要求8所述的抗冰锥装置，其特征在于，所述保护层(123)为网状鳞片或编织网结构。

10.一种海上风力发电机组，其特征在于，所述海上风力发电机组包括：

基础；及

如权利要求1-9中任一项所述的抗冰锥装置(100)，所述抗冰锥装置(100)设置在所述基础的外周。

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