CN108385708B - 一种具有双重抗摇摆机制的海上风机浮式基础结构体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双重抗摇摆机制的海上风机浮式基础结构体系，涉及海上风力发电技术领域。该体系包含风机、塔筒、中央长立柱、边缘短立柱、联系桁架、张紧线、悬链线和桩基础。塔筒为空钢管或中空夹层钢管混凝土，桁架弦杆为实心钢管混凝土或空钢管，腹杆为空钢管；所述的中央长立柱中安装三维减振系统；所述的中央长立柱通过张紧线或悬链线与桩基础连接。所述的基础结构体系可以在中央长立柱和边缘短立柱上均布置风机，也可只在中央长立柱上布置一台大功率风机。该体系具有双重抗摇摆特征，构造简单、竖向和整体稳定性好、结构振动幅度小，是一种全新的海上风机基础结构形式，适用于深海区域风力发电设施的基础建设。

Description

一种具有双重抗摇摆机制的海上风机浮式基础结构体系

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术领域，尤其涉及一种适用于深海区域的海上风机浮式基础。

背景技术

风电能源是一种可再生的清洁能源。海上风电能源由于具有不占地、风速高、运行稳定等优势，近年来开始受到国家能源主管部门和行业的广泛关注。与陆上风电能源相比，海上风电能源具有风机发电量高、单机装机容量更大、风机运行更稳定、风电场的建设无需占用土地等优势。实践经验表明，距离海岸线越远，风速越大，发电量增加越明显。随着潮间带及近海区域风电资源的开发度逐渐饱和以及能源需求的逐步增加，海上风力发电从潮间带和近海区域走向深海区域是必然趋势。我国深海风电能源的资源储备量位居世界前列，海上风电产业的发展前景广阔。与浅海风电场相比，深海风电场具有风速高、风切变低、湍流程度小等优势，对海上航道的影响也较小。因此，深海风力发电是风电能源发展的必然趋势。

随着水深的增加，传统固定式海上风机基础结构已难以满足深海风能开发的要求，且固定式海上风机的自重和工程造价随着水深而大幅度增加。浮式基础结构在深海区域的综合造价远低于深海区域的固定式基础结构，且浮式基础结构机动性好、易拆卸，服役期满可回收再利用。因此，为了进一步开发深海海域的风能资源，必须大力发展浮式基础结构。目前国内外对海上风机浮式基础结构的研究尚处于初步阶段，其基本形式主要包括单立柱式基础结构、半潜式基础结构和张力腿式基础结构。

单立柱式基础结构适合于重心较高的海上风力发电系统，由于水线面积较小而吃水较大，其稳定性一般较好，而且有利于提高深水海域浮式风机的整体性能，但单立柱式基础结构的主体长度过大，建造和安装较为困难；半潜式基础结构可以在岸上建造，再拖航至指定地点与预先安装好的系泊系统连接，其海上安装成本低但制作成本高，半潜式基础结构的抗风浪能力强、适用水深范围广，但稳定性较差；张力腿式基础结构稳定性较好、结构自重轻、发电机组可在岸上建造和组装，但张力系泊系统构造复杂、安装工艺复杂、安装费用高、预张力受风力和海浪环境影响大。

目前各国研究机构和能源公司对海上风机浮式基础结构的研究均处于理论分析或模型试验等阶段，而我国尚未开始建设深海浮式风电设施。因此，为了充分开发我国广阔的海洋风能资源，建造可以在深海区域运行的风电设施，需要结合各种浮式基础结构的优点，研发出性能最佳的海上风机浮式基础结构体系。

发明内容

本发明综合传统单立柱式基础结构和半潜式基础结构各自的优缺点，提出一种具有双重抗摇摆性能的海上风机浮式基础结构体系：结构体系中的中央长立柱吃水深，结构倾斜后，浮心对重心产生恢复力矩；边缘短立柱距结构体系重心较远，结构倾斜后，浮力对重心的恢复力矩大；系泊系统中具有预应力的中央张紧线可有效提高结构的竖向稳定性；中央长立柱中的三维减振系统进一步降低结构体系的振动；多台风机只需安装一套系泊系统。本发明提出的一种具有双重抗摇摆性能的海上风机浮式基础结构体系，具有双重抗摇摆特征，构造简单、竖向和整体稳定性好、振动幅度小，可保证深海区域风电设施的高效运行。结构体系全部采用装配化建造方式，可显著提高施工效率、保证施工质量、降低施工措施费用。

本发明中的塔筒可采用空钢管或中空夹层钢管混凝土，当采用中空夹层钢管混凝土时，可有效降低钢管厚度、减少焊接工作量、降低用钢量。塔筒与浮式基础立柱间的纵向连接采用PBL连接件，具有优越的抗疲劳性能，可有效抵抗海洋环境下风浪流复杂疲劳荷载。系泊系统采用外包FRP的钢索，同时具备强度高、刚度大、耐腐蚀性能好的优势，非常适用于具有强腐蚀性的海洋环境中。

本发明的技术方案如下：

一种具有双重抗摇摆机制的海上风机浮式基础结构体系，该体系包含风机、塔筒(可为空钢管或中空夹层钢管混凝土)、中央长立柱、边缘短立柱、联系桁架(弦杆为实心钢管混凝土或空钢管，腹杆为空钢管)、张紧线、悬链线、桩基础。所述的中央长立柱和边缘短立柱通过联系桁架相连；所述的中央长立柱通过张紧线或悬链线与桩基础连接，所述的张紧线和悬链线都采用外包FRP的钢索。所述的基础结构体系可以在中央长立柱和边缘短立柱上均布置风机，也可只在中央长立柱上布置一台大功率风机。

所述的塔筒可采用空钢管或中空夹层钢管混凝土，塔筒与浮式基础立柱间的纵向连接采用PBL连接件，通过开孔钢板、径向钢筋、环向钢筋、隔板、混凝土固定于立柱上；

所述的中央长立柱、边缘短立柱、桩基础均为中空夹层钢管混凝土；

所述的联系桁架的弦杆为实心钢管混凝土或空钢管，腹杆为空钢管，联系桁架的弦杆贯穿进入立柱，并采用贯穿式钢筋进行锚固；

所述的中央长立柱中采用调谐质量阻尼器的原理，安装三维减振系统。

所述的隔板底部安装一个球铰，并在球铰四周布置加劲肋增强其强度和刚度，在球铰内部连接一根外包FRP的钢索，在钢索的底部连接一块金属重物，将弹簧和阻尼器间隔布置，一端固定在金属重物的四周，另一端固定在中央长立柱上，构成三维减振系统。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)中央长立柱和边缘短立柱相结合：中央长立柱吃水深，结构倾斜后，浮心对重心产生恢复力矩；边缘短立柱距结构重心较远，结构倾斜后，浮力对重心的恢复力矩大，从而形成双重抗摇摆性能，使其整体稳定性大大提高；

(2)系泊系统中具有预应力的中央张紧线可有效提高结构的竖向稳定性；

(3)中央长立柱中的三维减振系统进一步减低了结构的振动；

(4)多台风机只需安装一套系泊系统，成本降低，构造简单；

(5)塔筒可采用空钢管或中空夹层钢管混凝土，当采用中空夹层钢管混凝土时，可有效降低钢管厚度、减少焊接工作量、降低用钢量；

(6)塔筒与浮式基础立柱间的纵向连接采用PBL连接件，具有优越的抗疲劳性能，可有效抵抗海洋环境下风浪流复杂疲劳荷载。

(7)系泊系统采用外包FRP的钢索，同时具备强度高、刚度大、耐腐蚀性能好的优势，非常适用于具有强腐蚀性的海洋环境中。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明中立柱和桩基础的截面图；

图3为本发明中外包FRP的钢索的截面图；

图4为本发明中联系桁架的示意图和横截面图；

图5为本发明中塔筒与立柱连接的示意图；

图6为本发明中联系桁架与立柱连接的示意图；

图7为本发明中三维减振系统的示意图。

图中：1-风机、2-塔筒、3-中央长立柱、4-边缘短立柱、5-联系桁架、6-张紧线、7-悬链线、8-桩基础、9-开孔钢板、10-径向钢筋、11-环向钢筋、12-隔板、13-弦杆、14-腹杆、15-中空夹层钢管混凝土的外钢管、16-中空夹层钢管混凝土的内钢管、17-贯穿式钢筋、18-加劲肋、19-球铰、20-外包FRP的钢索、21-弹簧、22-金属重物、23-钢索、24-FRP、25-阻尼器。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明是一种具有双重抗摇摆机制的海上风机浮式基础结构体系，该体系包含风机(1)、塔筒(2)(可为空钢管或中空夹层钢管混凝土)、中央长立柱(3)、边缘短立柱(4)、联系桁架(5)(弦杆为实心钢管混凝土或空钢管，腹杆为空钢管)、张紧线(6)、悬链线(7)、桩基础(8)。所述的中央长立柱(3)和边缘短立柱(4)通过联系桁架(5)相连；所述的中央长立柱(3)通过张紧线(6)或悬链线(7)与桩基础(8)连接；所述的基础结构体系可以在中央长立柱(3)和边缘短立柱(4)上均布置风机，也可只在中央长立柱(3)上布置一台大功率风机。

如图5所示，所述的塔筒(2)与浮式基础立柱间的纵向连接采用PBL连接件：在立柱竖向一定位置处焊接隔板(12)，并将塔筒焊接于隔板上方。沿塔筒四周竖向焊接开孔钢板(9)，将环向钢筋(11)和径向钢筋(10)沿四周均匀布置，最终浇筑混凝土形成整体。

如图6所示，所述的联系桁架(5)的弦杆(13)贯穿进入立柱，并采用贯穿式钢筋(17)进行锚固：将联系桁架的弦杆(13)伸入至中空夹层钢管混凝土的内部，并在上下弦杆的竖向相同位置处开孔插入贯穿式钢筋(17)，最终浇筑混凝土形成整体。

如图7所示，在所述的隔板(12)底部安装一个球铰(19)，并在球铰四周布置加劲肋(18)增强其强度和刚度，在球铰内部连接一根外包FRP的钢索(20)，在钢索的底部连接一块金属重物(22)，将弹簧(21)和阻尼器(25)间隔布置，一端固定在金属重物上，另一端固定在中央长立柱(3)上，构成三维减振系统。

本发明提供了一种具有双重抗摇摆机制的海上风机浮式基础结构体系，该体系具有双重抗摇摆特征，构造简单、竖向和整体稳定性好、结构的振动幅度小，非常适用于深海区域风力发电设施的基础建设。

以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、补充或改用类似方式替代，这些也应视作本发明的保护范围。

尽管本文较多地使用了1-风机、2-塔筒(可为空钢管或中空夹层钢管混凝土)、3-中央长立柱、4-边缘短立柱、5-联系桁架、6-张紧线、7-悬链线、8-桩基础等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明的精神相违背的。

Claims (3)

1.一种具有双重抗摇摆机制的海上风机浮式基础结构体系，该体系包含风机(1)、塔筒(2)、中央长立柱(3)、边缘短立柱(4)、联系桁架(5)、张紧线(6)、悬链线(7)和桩基础(8)；所述的中央长立柱(3)和边缘短立柱(4)通过联系桁架(5)相连；所述的中央长立柱(3)通过张紧线(6)或悬链线(7)与桩基础(8)连接，所述的张紧线和悬链线都采用外包FRP的钢索；所述的基础结构体系可以在中央长立柱(3)和边缘短立柱(4)上均布置风机，也可以只在中央长立柱(3)上布置一台大功率风机；塔筒为空钢管或中空夹层钢管混凝土结构，联系桁架中的弦杆为实心钢管混凝土结构或空钢管，腹杆为空钢管；

塔筒与立柱间的纵向连接采用PBL连接件，在立柱竖向一定位置处焊接隔板(12)，并将塔筒焊接于隔板上方，沿塔筒四周竖向焊接开孔钢板(9)，将环向钢筋(11)和径向钢筋(10)沿塔筒四周均匀布置，最终浇筑混凝土形成整体结构；所述的中央长立柱(3)中根据调谐质量阻尼器的原理安装三维减振系统，在中央长立柱的隔板(12)底部安装一个球铰(19)，并在球铰四周布置加劲肋(18)增强其强度和刚度，在球铰内部连接一根外包FRP的钢索(20)，在钢索的底部连接一块金属重物(22)，将弹簧(21)和阻尼器(25)间隔布置在金属重物上，形成三维减振系统。

2.根据权利要求1所述的具有双重抗摇摆机制的海上风机浮式基础结构体系，其特征在于：中央长立柱(3)、边缘短立柱(4)和桩基础(8)均为中空夹层钢管混凝土。

3.根据权利要求1所述的具有双重抗摇摆机制的海上风机浮式基础结构体系，其特征在于：所述的联系桁架的弦杆贯穿进入立柱，并采用贯穿式钢筋(17)进行锚固。

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