CN109931226B - 一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构，它以现有的张力腿式海上风力机支撑结构为基础，在结构上加装了Spar筒、垂向增阻装置与悬链线式张力键而形成。支撑结构由塔筒、浮筒、Spar筒、垂向增阻装置和张力键组成。其中、悬链线式张力键缓解了结构移动时张力键内力的变化幅度，降低了张力键的失效概率；Spar筒设置在塔筒下方，可进行结构施工扶正和结构重心高度的调整；垂向增阻装置为无底盖的圆筒，倒置在水中用以增加结构的垂向阻尼，减缓垂荡对结构的影响。本发明吸收了悬链线式系泊、Spar筒与垂向增阻装置的各自优点，形成了一种施工便捷、张力键失效概率小、垂向阻尼大、结构稳性高的新型海上浮式风力机支撑结构体系。

Description

一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系
技术领域
本发明涉及一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，具体地说是对传统张力腿式海上风力机支撑结构体系进行了优化改进，吸收了Spar筒与悬链线式张力键的优点，并且与垂向增阻装置组合形成的一种支撑结构体系，这一新型支撑结构体系可更好地保障风力机的安全服役。
背景技术
相比陆上风电而言，海上风电具有如下独特的优势，如，风场广阔、风力稳定、风电机组单机容量大、受噪音标准限制小、可节约土地资源、利于实现规模化等。张力腿式海上风力机(Tension Leg Platform Wind Turbine，TLPWT)由张力腿平台演变而来，适用于中等水深的海域，它采用直立式张力键系泊固定，在风力机的塔筒底部安装3到4个浮筒结构，浮筒截面形状多为圆形或方形，其浮筒可为整体结构提供浮力。张力键两端分别与浮筒的端部和海底相连，正常服役时，张力键处于张紧状态。因为结构简单，张力腿式海上风力机具有广阔的应用和推广前景。但是，张力腿式海上风力机在遇到恶劣海况时，会发生侧向移动，进而导致张力键必须产生足够大的内力才能对风力机进行有效的约束，张力键内力的增大加大了其失效的风险，张力键相继失效后会引发整个风力机的侧翻。海上风力机往往成片分布，形成海上风场，如果倒塌的风力机在发生漂移的过程中与其他风力机发生碰撞，将会连续造成其他风力机的破坏。总体来说，现有海上风力机支撑结构体系基本存在如下几点不足：
1)、垂直的张力键其内力对外部荷载的变化较为敏感，特别是对于横向荷载的变化，结构在恶劣海况的作用下张力键内力极易升高进而存在失效的风险，张力键的失效必将导致风力机整体的倒塌，因此，张力键的安全性将会直接影响整个风力机的服役寿命。
2)、风力机结构的整体稳性较差。风力机的支撑结构体系在较大的风、浪、流载荷作用下，张紧状态的张力键一旦失效，整个结构体系将会发生倾斜侧翻，上部的风力机将会落水失效。而且海上风力机往往大片布置形成风场，单根张力键的破断将导致结构的侧翻进而导致其他张力键的相继破断，结构将会在无约束的情况的下发生漂移，危害风场其他风力机的安全。
3)、风力机服役期间会产生垂荡现象，垂荡的发生将导致张力键的张力变化，垂荡的幅度与张力键张力变化的幅度紧密相关，长期的大幅度垂荡将增加张力键的失效概率，影响风力机的正常服役，因此控制和减缓垂荡的影响也是提高风力机服役寿命的有效措施。
针对上述不足，本发明提出了一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构，悬链线式张力键(4)采用悬链线形式，利用悬链线可以提供水平方向与竖直方向分力的特点，来降低悬链线式张力键(4)在风力机承受水平荷载与垂荡作用下的内力；同时，在塔筒(2)下方加装Spar筒(5)用来调节结构的重心高度，提高结构的稳性，并方便结构安装过程中的扶正与张力键的安装；防垂荡装置(6)是与spar筒(5)底端连接的无底盖开口圆筒，该装置倒置在水中，通过水体附加质量和水动力阻尼的增加，加大结构的垂向运动阻力，减小结构的垂荡幅度，降低垂荡对悬链线式张力键(4)与整体结构的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构，它由传统的张力腿式海上风力机结构改良而成，支撑结构体系是在张力腿式海上风力机的塔筒(2)底部加装Spar筒(5)，在Spar筒(5)下方安装垂向增阻装置(6)，并采用悬链线式张力键(4)进行结构的约束。
为了达到上述功能，本发明提供了一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，采用悬链线式张力键(4)来约束结构的平移与旋转，借助悬链线可以有效提供水平与竖向两个方向分力的特点，有效降低风力机服役期间张力键的内力峰值，进而降低张力键的破断概率。
上述垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系的Spar筒(5)可装压载，通过压载大小的调配，达到降低结构重心，提高结构稳性的目的。压载在结构倾斜、侧翻时可提供恢复力矩，有效地提高了结构的稳性。
上述垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，其垂向增阻装置(6)为无底盖圆筒，安装在Spar筒(5)的下方，倒置在水中，当支撑结构在垂向运动时，由于筒内水体无法自由流出，增加了结构运动时的附加质量与水动力阻尼，从而加大了与运动方向相反的阻力，达到了减缓垂荡效应的目的。
上述垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，其中，垂向增阻装置(6)由圆筒外板(7)、内部加劲肋(8)与圆筒顶板(9)组成，结构的阻尼由水体的附加质量与水动力阻尼来提供。
上述垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，其中，浮筒(3)以辐射状、相互夹角相等的方式布置在塔筒(2)的周边，浮筒(3)的截面形状为圆形、矩形或多边形，可为结构提供部分浮力，并且也是结构储备浮力的主要提供者。
上述垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，在风力机服役期间，悬链线式张力键(4)处于张紧状态，约束着风力机结构的自由移动与旋转，保障了海上风力机可以在一定活动范围内安全工作。
上述垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，采用悬链线式张力键(4)进行系泊，由于悬链线式张力键(4)的张力可以提供水平与竖向两个方向的分力，当风力机结构在受到较大外力作用发生移动时，限制移动发生的部分悬链线式张力键(4)将会进一步张紧，同时其产生水平分力的效率将会提高，限制结构位移的进一步增加，而面向移动方向的部分悬链线式张力键(4)的张力会下降，直到水平分力为零；由于两个方向悬链线式张力键(4)的配合，以及张力键(4)张紧过程中提供水平分力效率的提高，可有效避免张力键在风力机发生水平移动过程中张力突增情况的发生，进而可以减小张力键失效的概率，从而提高了设备安全服役的能力。
上述垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，其中，垂向增阻装置(6)的外板(7)可以开孔，相应的加劲肋(8)的高度应依据外板(7)的开孔数目和大小决定；垂向增阻装置的加设也降低了结构的重心，改善了结构的稳性。
上述垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，采用悬链线式张力键(4)，这种系泊方式的张力键形状是一条悬链线，不易直接确定形状，其形状会随浮态的变化而发生相应的变化。
上述垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，其中，即使任一根悬链线式张力键(4)发生破断，在Spar筒(5)扶正弯矩的作用下也能够保证结构不发生侧翻，降低了个别悬链线式张力键(4)的失效对整个结构的影响，可有效避免结构上部风力机的落水破坏。
上述垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，由于Spar筒(5)的存在，结构安装就位时可依据张力键的垂直高度进行结构竖向位置的调整，再加悬链线式张力键(4)的实际长度较其两端直线距离较大的特点，整个张力键(4)的安装就位与预张力的施加难度将降低。
本发明提供了一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，由于Spar筒(5)的存在整个结构的稳性得到了改善，由于悬链线式张力键(4)的采用整个结构张力键失效、发生漂移，危及其他风力机的可能性降低，由于垂向增阻装置(6)的加设，垂荡对结构的影响得到了缓解。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：
图1为本发明的一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系示意图。
图2为本发明结构体系的组合示意图。
图3为本发明中悬链线式张力键受力简化示意图。
图4为本发明结构体系中垂向增阻装置三维示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1与2所示，本发明的一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系主要由风力机(1)、塔筒(2)、浮筒(3)、悬链线式张力键(4)、Spar筒(5)和垂向增阻装置(6)组成。
本发明为一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，其具有更好的稳性与抗破断能力。Spar筒(5)、垂向增阻装置(6)与悬链式张力键(4)的应用充分提高了结构的稳性与张力键的抗破断能力，也降低了结构的施工难度与垂荡效应。
如图1与图2所示，本发明一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构，是由传统的张力腿式海上风力机支撑结构体系，经过加装Spar筒(5)和垂向增阻装置(6)与优化直立式张力键为悬链线式张力键(4)而得的一种组合式支撑结构体系。
如图1所示，Spar筒(5)位于海面之下的一定深度，这样设置不仅降低了波浪荷载的巨大冲击作用，同时也降低了整个结构的重心，提高了结构的稳性。
如图1与图2所示，垂向增阻装置(6)位于结构的最下端，这样设置不仅起到了结构垂向增阻的效果，也降低了结构的重心、同时也降低了垂向增阻装置(6)与spar筒(5)的连接难度。
如图3所示，悬链线式张力键(4)可以提供水平与竖向两个方向的分力Fx与Fy。
如图4所示，垂向增阻装置(6)由圆筒外板(7)、加劲肋(8)与圆筒顶板(9)组成，其中圆筒外板(7)可以开孔。
本发明一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构体系，具有稳性好、抗破断失效能力好、施工便捷、垂荡影响少、适用领域广等优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构，其特征在于：支撑结构由塔筒(2)、浮筒(3)、悬链线式张力键(4)、Spar筒(5)和垂向增阻装置(6)构成；其中Spar筒(5)位于塔筒(2)的底部，通过在Spar筒(5)中装压载，来降低整个结构的重心高度，提高结构的稳定性；当结构的塔筒(2)发生倾斜，与铅垂线产生θ角时，Spar筒(5)中的压载G会产生扶正力矩M，在张力键失效的情况下，Spar筒(5)的存在能够将倾角θ严格地限制在一定范围之内，防止结构侧翻的发生，即θ∈(-C，+C)，其中C<90°,C的大小通过压载的大小进行调整；再者，通过增加Spar筒(5)中的压载G来降低整个结构的竖向高度，进而方便悬链线式张力键(4)的就位安装，安装结束后通过减少压载G来张紧悬链线式张力键(4)，进而实现张力键(4)对整个结构的约束；垂向增阻装置(6)安装在Spar筒(5)下方，当支撑结构发生垂荡时，垂向增阻装置(6)通过水体的附加质量与水动力阻尼，来增加结构的垂向运动阻尼，降低结构的垂荡效应，减缓垂荡对悬链线式张力键(4)以及整个结构的影响，提高结构服役期间的安全性能；垂向增阻装置(6)为无底盖圆筒，垂向增阻装置(6)由圆筒外板(7)、内部加劲肋(8)与圆筒顶板(9)组成，垂向增阻装置(6)的外板(7)开孔，相应的加劲肋(8)的高度依据外板(7)的开孔数目和开孔大小决定。
2.根据权利要求1所述的一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构，其特征在于：支撑结构采用了悬链线式张力键(4)，悬链线式张力键(4)能够提供水平向拉力Fx和竖向拉力Fy。
3.根据权利要求1所述的一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构，其特征在于：浮筒(3)和悬链线式张力键(4)采用辐射式三角形布置形式，浮筒(3)与水面下的部分塔筒(2)为结构提供足够的浮力P，悬链线式张力键(4)处于张紧状态，严格限制结构的移动范围，悬链线式张力键(4)的竖向分力Fy随悬链线形状的改变而改变。
4.根据权利要求1所述的一种垂向增阻型组合式海上风力机支撑结构，其特征在于：悬链线式张力键(4)对称连接于浮筒(3)或Spar筒(5)的任意位置上。
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