CN110356521B - 一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，包括：支撑平台；垂直设置于支撑平台上的塔架；设置于塔架顶端的风机；多个悬臂支撑梁，其布设于支撑平台的外围，每个所述的悬臂支撑梁内端固定于支撑平台；对应与每个悬臂支撑梁的外端分别设有一浮筒，所述的浮筒至少部分露出海平面以上，底部柔性连接于所述的支撑平台。本发明基于钢质缆绳的柔性连接方式一方面能够克服常规的基于钢质箱梁固定的连接方式中钢材使用量大、基础平台排水量大的缺点，另一方面可通过增大外围浮筒的力臂长度，减小浮筒的体积，有效降低平台的建造成本。
Description
技术领域
本发明涉及风机结构，特别涉及一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构。
背景技术
近年来，随着人类对风力资源的开发从近海走向远海，涌现了多种海上风机基础形式。其中，半潜式风机基础适应水深范围广，建造运输方便，安装定位灵活性高，通用性强，被普遍认为是开发海上风电资源的下一代重要基础形式。
目前，欧洲在漂浮式风机基础的研发反面处于领先地位，已设计了多款半潜型漂浮式风机。例如，美国的半潜型漂浮式风机基础WindFloat，该基础是由三个立柱组成的半潜结构，立柱之间通过横撑连接并通过斜撑加强，结构形式上属于板梁结构与管结构的混合。IDEOL公司设计的带阻尼池的半潜型浮式风机基础Damping-pool，该型基础由回字型的浮筒和三点系泊系统组成，在回型基础的一个侧边安装风机塔架，其他三个边均为浮筒结构，风机运营过程中的姿态可通过浮筒结构内部的压载及系泊锚链系统来控制。Cobra公司开发的半潜单柱浮式基础Flocan5 Canary，其结构由一个与塔筒连接的中央圆筒和三个提供浮力及稳定性的外侧圆筒组成，中央圆筒通过旁通结构与外侧圆筒连接，结构底部底板和静态压载舱用于降低重心，确保安装阶段稳定性。DeepCWind推广的多浮筒半潜型基础VolturnUS，该基础主要由一个与塔筒连接的中央立柱、三个外侧浮筒组成，浮筒和立柱之间通过底部箱梁和斜撑连接。此外，还有一些其他形式的半潜型基础设计方案，采用钢缆将浮筒与海床上的锚泊系统固定。
总体而言，现有设计的半潜型漂浮式风机基础材料主要采用钢材、钢筋混泥土材料，整体布局采用三立柱或者四立柱方案，立柱之间通过钢梁、箱梁以焊接或螺栓固定的方式连接。
现有的风机基础方案为了保证风机在较大的风载和波浪载荷作用下稳定运转，通常采用较大的浮筒和强壮的钢梁通过焊接或螺栓等刚性固定的连接构件，用以抵抗漂浮式基础上较大的倾覆力矩。这些技术方案的基础、浮筒和连接件的尺寸巨大，排水量多在6000吨以上，需要采用大量的钢材，建造成本高昂。因此，现有的半潜型漂浮式风机基础技术方案多处于可行性研究、概念设计、模型试验论证阶段，只有少数方案处于原型样机试验阶段，离风力发电方面的大规模推广商业应用尚有较大差距，现有的漂浮式基础方案的度电成本为陆上基础发电价格的3~6倍，经济成本巨大，不利于技术在风电市场的推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，基于钢质缆绳的柔性连接方式一方面能够克服常规的基于钢质箱梁固定的连接方式中钢材使用量大、基础平台排水量大的缺点，另一方面可通过增大外围浮筒的力臂长度，减小浮筒的体积，有效降低平台的建造成本。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，该结构包括：
支撑平台；
垂直设置于支撑平台上的塔架；
设置于塔架顶端的风机；
多个悬臂支撑梁，其布设于支撑平台的外围，每个所述的悬臂支撑梁内端固定于支撑平台；
对应与每个悬臂支撑梁的外端分别设有一浮筒，所述的浮筒至少部分露出海平面以上，底部柔性连接于所述的支撑平台。
优选地，所述的支撑平台底端设有一压载舱。
优选地，所述的压载舱灌注有混凝土或水。
优选地，所述的支撑平台的截面为圆形或多边形，内部设有一绞车。
优选地，所述悬臂支撑梁外端设有一滑轮，所述的浮筒底部通过钢缆经由悬臂支撑梁外端的滑轮连接于支撑平台内的绞车上。
优选地，所述的浮筒为柱形或球形或锥形，其结构截面为圆形或多边形，所述浮筒上部预留3~5m的干弦高度。
优选地，所述的悬臂支撑梁为钢筒型悬臂支撑梁或桁架型悬臂支撑梁。
优选地，还包括若干根锚链，其一端连接于支撑平台，另一端固定于海床。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、基于钢质缆绳的柔性连接方式一方面能够克服常规的基于钢质箱梁固定的连接方式中钢材使用量大、基础平台排水量大的缺点，另一方面可通过增大外围浮筒的力臂长度，减小浮筒的体积，有效降低平台的建造成本。
2、本发明方案中的钢缆连接的是浮筒与基础平台，其作用是将浮筒的浮力传递给基础平台，同时对基础平台产生抗倾覆力矩，通过钢缆对浮筒的柔性连接可使浮筒的安装位置远离基础平台，进而提高基础平台的抗倾覆力矩。
附图说明
图1为本发明一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构的实施一的示意图；
图2为图1中塔架与支撑平台的结构图；
图3为图1中悬臂支撑梁与支撑平台的结构图；
图4为图1中浮筒-钢缆-滑轮与悬臂支撑梁连接示意图；
图5为本发明一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构的实施二的示意图；
图6为图5中悬臂支撑梁与支撑平台的结构图；
图7为图5中浮筒-钢缆-滑轮与悬臂支撑梁连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构的实施例之一
如图1所示，一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，该结构包括：支撑平台1；垂直设置于支撑平台1上的塔架2（参见图2）；设置于塔架顶端的风机；多个悬臂支撑梁，其布设于支撑平台1的外围，每个所述的悬臂支撑梁内端固定于支撑平台1；对应与每个悬臂支撑梁的外端分别设有一浮筒5，所述的浮筒5至少部分露出海平面以上，底部柔性连接于所述的支撑平台1。上述的风机为现有技术的常用结构，其包括机舱31和风轮32。
进一步地，上述的支撑平台1可采用圆柱或六面体柱形结构形式，其界面可以为圆形、方形、菱形或多边形截面，直径为8~12m，作为上部风机塔架结构的基础支撑平台，其吃水最少为25m。此外，在支撑平台内部可设置隔舱，隔舱内既能安装必要的工程辅助设备，也可作为压载舱用于调整平台的浮力。需要说明的是，上述压载舱6还可以设置于支撑平台底端，并可以通过在压载舱6灌注有混凝土或水，调整支撑平台1的浮力，保证支撑平台具有较好的稳定性。
所述的支撑平台1的截面为圆形或多边形，内部设有一绞车，在具体实施例中，该铰车可以放置于上述隔舱中。
在支撑平台1的外围，可安装多个附属的悬臂支撑梁（至少为3个）。悬臂支撑梁可由钢质筒形结构组成，即在本实施例中悬臂支撑梁为钢筒型悬臂支撑梁4，钢筒为圆柱或圆台形，长度为20~50m，圆截面直径为1.5~4m，该悬臂支撑梁的内端采用螺栓连接或者焊接型式固定于塔架底部的柱型基础平台，悬臂支撑梁的外端安装有滑轮41。主要用于给外部浮筒提供受力支撑，将浮筒所受的浮力及抗倾覆力矩传递至支撑平台。
图3为图1中悬臂支撑梁与支撑平台的结构图，如图3并结合图4所示，具体地，在各个悬臂支撑梁的外端垂直方向上，安置有钢质的浮筒5。浮筒5可采用柱形、球形、锥形等体型，结构截面可采用圆形、方形、菱形或多边形等形状，直径为6~10m，浮筒5上部预留3~5m的干弦高度，浮筒5的至少部分露出海平面以上，下部安装有钩锁，并通过钢缆7经由悬臂支撑梁外端的滑轮连接于塔架底部支撑平台内的绞车上，主要用于为支撑平台提供抗倾覆力矩及部分浮力。上述的钢缆7可以实现500t以上的承载力，该支撑平台的总排水量约为3500-6000ton，以功率为5MW以上的海上风机为例，为支撑700t的塔筒和风轮重量，抵抗2.5*108Nm的倾覆力矩，本方案描述的基础平台排水量约为4000t，相对浮筒与基础平台固定连接的漂浮式基础方案而言，排水量可降低40%以上，相应的建造用钢的经济成本也显著降低。此外，该方案为漂浮式风机基础的设计提供了新的设计思路，可推动漂浮式基础在海上风电工程领域的应用推广。
更进一步的，上述浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构还包括若干根锚链8，其一端连接于支撑平台1，另一端固定于海床。
由此可知，上述的浮筒与塔架底部的支撑平台柔性连接。在风-波浪-流-风机转动联合作用下，塔架底部的支撑平台将在一定范围内发生位移响应。为限制该位移响应的幅值，本方案通过支撑平台外围的浮筒提供浮力及相应的抗倾覆力矩。浮筒和支撑平台之间通过钢缆的柔性连接方式，可将悬臂支撑梁内侧根部的弯矩显著降低，进而可采用较小截面尺寸、较大长度的悬臂支撑梁。
一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构的实施例之二
如图5~7所示，作为上述实施例的变形结构，其主要差异在于支撑平台的附属悬臂支撑梁的结构形式，在本实施例中该悬臂支撑梁采用桁架型悬臂支撑梁9，可进一步加强为浮筒提供受力支撑的悬臂梁结构强度。此外，实施例1中悬臂支撑梁为钢筒型，截面直径较大，在设计过程中需要采用复杂的势流理论进行水动力载荷的计算，而本方案采用的桁架型悬臂支撑梁9的结构杆件尺寸下，在波浪-流的作用下具有较好的水动力性能，且可采用线性Morison理论进行载荷计算。故而，采用桁架型悬臂支撑梁也有利于设计的便捷性，提高设计效率。
具体地，上述的桁架型悬臂支撑梁10一端固定于支撑平台，另一端设有滑轮，浮筒通过钢缆经由桁架型悬臂支撑梁外端的滑轮连接于塔架底部支撑平台内的绞车上，其他部件的连接关系与实施例1类似，为避免重复，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”、“第二”、“第三”等关系术语（如果存在）仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，其特征在于，该结构包括：
支撑平台；
垂直设置于支撑平台上的塔架；
设置于塔架顶端的风机；
多个悬臂支撑梁，其布设于支撑平台的外围，每个所述的悬臂支撑梁内端固定于支撑平台；
对应与每个悬臂支撑梁的外端分别设有一浮筒，所述的浮筒至少部分露出海平面以上，底部柔性连接于所述的支撑平台；
所述的支撑平台内部设有一绞车；
所述悬臂支撑梁外端设有一滑轮，所述的浮筒底部通过钢缆经由悬臂支撑梁外端的滑轮连接于支撑平台内的绞车上。
2.如权利要求1所述的浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，其特征在于，所述的支撑平台底端设有一压载舱。
3.如权利要求2所述的浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，其特征在于，所述的压载舱灌注有混凝土或水。
4.如权利要求1所述的浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，其特征在于，所述的支撑平台的截面为圆形或多边形。
5.如权利要求1所述的浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，其特征在于，所述的浮筒为柱形或球形或锥形，其结构截面为圆形或多边形，所述浮筒上部预留3~5m的干弦高度。
6.如权利要求1所述的浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，其特征在于，所述的悬臂支撑梁为钢筒型悬臂支撑梁或桁架型悬臂支撑梁。
7.如权利要求1-6任一项所述的浮筒柔性连接的半潜型漂浮式风机结构，其特征在于，还包括若干根锚链，其一端连接于支撑平台，另一端固定于海床。
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