CN110949633A - 驳船型漂浮式风机系统及浮式风机平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种驳船型漂浮式风机系统及浮式风机平台，浮式风机平台，包括浮体，所述浮体为三棱柱状，所述浮体上设有贯穿其顶板及底板的月池，所述月池的侧壁设有朝浮体的中心线凸出的阶梯型结构，且所述月池的侧壁上开设有多个孔型的阻尼格栅。具有更强的抗波浪扭力矩的结构特性，优化了浮体垂向运动性能和水平运动性能，提高浮体在水上的稳定性及抗波浪性能。

Description

驳船型漂浮式风机系统及浮式风机平台

技术领域

本发明涉及风机发电领域，特别是涉及一种驳船型漂浮式风机系统及浮式风机平台。

背景技术

随着全球对清洁的可再生能源的日益增长的需求，当前风能已成为商业化程度最高可再生清洁能源技术之一，并呈现蓬勃发展的态势，风电逐渐从陆地走向海洋，从近海走向远海。然而，固定式的海上风机因为技术和经济问题，其运用被限制在50m水深以内的海域，为了获得更优质的风能以及拓展风能发展的空间资源，漂浮式风机技术近年来得到广泛关注。

目前的浮式风机技术研究主要集中在欧洲地区，由于欧洲海域特点，其设计和实践大部分针对于100m以上的水深范围，部分风机基础形式结构为保证运动性能，通常结构设计复杂。

发明内容

基于此，本申请提供一种驳船型漂浮式风机系统及浮式风机平台，不仅结构简单，而且具有良好的运动性能。

一种浮式风机平台，包括浮体，所述浮体为三棱柱状，所述浮体上设有贯穿其顶板及底板的月池，所述月池的侧壁设有朝浮体的中心线凸出的阶梯型结构，且所述月池的侧壁上开设有多个孔型的阻尼格栅。

上述浮式风机平台主要是用于在海上支撑风机，通过设置呈三棱柱状的浮体，结构简单，而且相比矩形结构或者圆形结构，三棱柱状的浮体具有更小的浮体体积，更强的抗波浪扭力矩的结构特性，并且在三棱柱状的浮体上开设月池，水在月池内的垂向运动形成的“活塞效应”和水平运动形成的“晃荡效应”，增加了垂向运动阻尼和水平运动阻尼，优化了浮体垂向运动性能和水平运动性能，同时在月池的侧壁设置凸出的阶梯型结构及开设多个孔型的阻尼格栅，阶梯型结构类似于垂荡阻尼板，在浮体运动的过程中，能带动月池内部的水体运动，增加了浮体运动的附加质量，从而提高了浮体垂向运动的固有周期，能够避开外界海域的波浪能量主频率区域，同时会引起水体的流动分离产生流体涡旋，增加浮体湿表面，增加了粘性阻尼；而且月池侧壁的孔型阻尼格栅通过凹槽结构在浮体运动时带动水体运动，增加附加质量，增加湿表面接触面积和制造流体分离，增加水动力阻尼，进一步优化上述浮体的运动性能，提高浮体在水上的稳定性及抗波浪性能。

在其中一实施例中，所述阶梯型结构设置在所述月池的侧壁的下部且延伸至所述底板，所述阶梯型结构的侧壁上也开设有多个孔型的阻尼格栅。

在其中一实施例中，所述月池为圆形通孔或者三角形通孔，当所述月池为三角形通孔时，所述月池的各侧壁之间通过圆弧面过渡连接。

在其中一实施例中，所述浮体的顶板及底板的边角为圆角，所述浮体的三个侧板通过圆弧面过渡连接。

在其中一实施例中，当所述月池为三角形通孔时，所述月池的侧壁与所述浮体的侧板相对应且平行。

在其中一实施例中，所述浮体的侧板下部设有裙带阻尼板，所述裙带阻尼板绕所述浮体的外周设置且延伸至所述底板。

在其中一实施例中，所述浮体的内部通过舱壁划分为多个舱室，所述舱室包括位于上部的可调节压载水舱及位于下部的固定压载舱。

一种驳船型漂浮式风机系统，包括塔筒、风电机组、系泊组件及上述的浮式风机平台，所述塔筒固定在所述浮式风机平台的顶板上，所述风电机组安装在所述塔筒的顶部，所述浮式风机平台通过所述系泊组件与海床连接。

上述驳船型漂浮式风机系统，采用将塔筒固定在浮式风机平台上，通过设置呈三棱柱状的浮体，结构简单，而且相比矩形结构或者圆形结构，三棱柱状的浮体具有更小的浮体体积，更强的抗波浪扭力矩的结构特性，并且在三棱柱状的浮体中间开设月池，水在月池内的垂向运动形成的“活塞效应”和水平运动形成的“晃荡效应”，增加了浮体的垂向运动阻尼和水平运动阻尼，优化了浮体垂向运动性能和水平运动性能，同时在月池的侧壁设置凸出的阶梯型结构及开设多个孔型的阻尼格栅，阶梯型结构类似于垂荡阻尼板，在浮体运动的过程中，能带动月池内部的水体运动，增加了浮体运动的附加质量，从而提高了浮体垂向运动的固有周期，能够避开外界海域的波浪能量主频率区域，同时会引起水体的流动分离产生流体涡旋，增加浮体湿表面，增加了粘性阻尼；而且月池侧壁的孔型阻尼格栅通过凹槽结构在浮体运动时带动水体运动，增加附加质量，增加浮体的湿表面接触面积和制造流体分离，增加水动力阻尼，整体结构通过简单的结构设计，使浮体具有良好的运动性能，提高驳船型漂浮式风机系统在水上的稳定性及抗波浪性能。

在其中一实施例中，所述的驳船型漂浮式风机系统还包括输出电缆，所述输出电缆沿所述月池的侧壁布置。

在其中一实施例中，所述风电机组包括机舱、主机、轮毂及桨叶，所述机舱与所述塔筒活动连接并可绕所述塔筒的中心轴旋转，所述主机设置在所述机舱内并与所述轮毂连接，所述轮毂位于机舱外，所述桨叶安装在所述轮毂上，所述输出电缆与所述主机电性连接。

附图说明

图1为本申请一实施例的浮式风机平台的结构示意图；

图2为本申请一实施例的驳船型漂浮式风机系统的结构示意图。

10、浮体，110、顶板，120、月池，122、阶梯型结构，124、阻尼格栅，130、侧板，140、裙带阻尼板，20、塔筒、22、支撑结构，30、风电机组，310、机舱，320、轮毂，330、桨叶，40、系泊组件，410、锚链。

具体实施方式

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

请参阅图1、2，本申请一实施例提供一种浮式风机平台，包括浮体10，所述浮体10为三棱柱状，所述浮体10上设有贯穿其顶板110及底板的月池120，所述月池120的侧壁设有朝浮体10的中心线凸出的阶梯型结构122，且所述月池120的侧壁上开设有多个孔型的阻尼格栅124。

本实施例的浮式风机平台用于在海上支撑风机，相比矩形结构或者圆形结构，通过设置呈三棱柱状的浮体10，结构简单，三棱柱状的浮体10具有更小的浮体10体积，更强的抗波浪扭力矩的结构特性，并且在三棱柱状的浮体10上开设月池120，水在月池120内的垂向运动形成的“活塞效应”和水平运动形成的“晃荡效应”，增加了垂向运动阻尼和水平运动阻尼，优化了浮体10垂向运动性能和水平运动性能，同时在月池120的侧壁设置凸出的阶梯型结构122及开设多个孔型的阻尼格栅124，阶梯型结构122类似于垂荡阻尼板，在浮体10运动的过程中，能带动月池120内部的水运动，增加了浮体10运动的附加质量，从而提高了浮体10垂向运动的固有周期，能够避开外界海域的波浪能量主频率区域，同时会引起水体的流动分离产生流体涡旋，增加浮体10湿表面，增加了粘性阻尼；而且月池120侧壁的孔型阻尼格栅124通过凹槽结构在浮体10运动时带动水体运动，增加附加质量，增加湿表面接触面积和制造流体分离，增加水动力阻尼，进一步优化浮体10的运动性能，提高浮体10在水上的稳定性及抗波浪性能。可选地，阻尼格栅124为方形孔或圆形孔，增加了浮体10运动的水动力阻尼。

由于我国海域大陆架变化缓慢，现阶段可开发的近岸海上风电资源所处的水深普遍小于100m，因此亟需开发具有浅吃水、具有较大的浮力储备以支撑大兆瓦风电机组、结构简单、运动性能优越的浮式风机系统。本申请的浮体10形式为驳船型，具有较大的水线面面积，单位吃水深度所对应的排开水体积较大，因此支撑相同重量时，所需要的吃水较小，因此具有较大的浮力储备和适应浅水海域。

可选地，所述浮体10的顶板与底板为等边三角形，即浮体10呈等边三棱柱状，浮体10具有对称的垂直侧板130，制造更简单。可选地，所述浮体10为预应力钢筋混泥土结构或钢材构成，可在陆地上进行结构模块化的制造与组装。本实施例中，所述浮体10以预应力钢筋混泥土材料制造而成。

在其中一实施例中，所述浮体10的顶板110及底板的边角为圆角，所述浮体10的三个侧板130通过圆弧面过渡连接。浮体10的三角形顶点以圆角结构过渡，降低结构应力，优化水动力性能。

具体地，参照图1、2，所述阶梯型结构122设置在所述月池120的侧壁的下部且延伸至所述底板，所述阶梯型结构122的侧壁上也开设有多个孔型的阻尼格栅124。通过阶梯结构的尺寸调整，可以优化内部月池120的水动力效应。阶梯型结构122的底部与浮体10的底部齐平，可以增加平台的垂向运动水动力阻尼，阶梯型结构122上的阻尼格栅124，进一步增加平台的水动力阻尼，优化运动响应特性，其尺寸与数量需要根据浮式风机的性能需求而确定。

可选地，所述月池120为圆形通孔或者三角形通孔。

参照图1、2，本实施例中所述月池120为三角形通孔，所述月池120的各侧壁之间通过圆弧面过渡连接，进一步降低结构应力，优化水动力性能。

进一步地，所述月池120为三角形通孔，月池120的侧壁与所述浮体10的侧板130相对应且平行。月池120的中心线与浮体10的中心线重合。当浮体10发生首摇运动(绕垂向轴转动)时，三角形月池120的垂直侧壁所引起的附连水质量(浮体10运动所带动的水体运动加速度质量)更大，引起流体晃荡运动所导致的水动力辐射阻尼力也更大，优化浮体10运动性能。

在其中一实施例中，所述浮体10的侧板130下部设有裙带阻尼板140，所述裙带阻尼板140绕所述浮体10的外周设置且延伸至所述底板。所述裙带阻尼板140的外形为浮体10的外形的自然延伸，该裙带阻尼板140在浮体10发生垂向运动(垂荡、纵摇和横摇)时，能带动水体运动，增加了浮体10运动的附加质量，从而提高了浮体10垂向运动的固有周期，避开外界海域的波浪能量主区域，优化了浮体10运动性能。另外，浮体10运动带动月池120内阶梯型结构122运动的过程中，会引起裙带阻尼板140边缘的流动分离，增加了浮体10垂向运动的水动力阻尼，优化了浮体10的垂向运动性能。

在其中一实施例中，所述浮体10的内部通过舱壁划分为多个舱室，所述舱室包括位于上部的可调节压载水舱及位于下部的固定压载舱。浮体10内设有横向和竖向的舱壁结构，所述舱壁结构构成所述的平台的可调节压载水舱和固定压载舱。所述的固定压载舱的压载可选用混凝土、矿砂以及砂石等，可调节压载水舱内部填充水，根据浮体10吃水和姿态需要进行填充水量的调节，平台通过压载水调节平台的吃水深度和平台的稳性。进一步地，可调节压载水舱为多个，多个调节压载水舱共用一个外部联通，通过内部管路将水进行分配输送，调节压载水舱的进排水通过管道的电阀控制。

参照图2，本申请另一实施例提供一种驳船型漂浮式风机系统，包括塔筒20、风电机组30、系泊组件40及上述的浮式风机平台，所述塔筒20固定在所述浮式风机平台的顶板110上，所述风电机组30安装在所述塔筒20的顶部，所述浮式风机平台通过所述系泊组件40与海床连接。

本实施例的驳船型漂浮式风机系统，将塔筒20固定在浮式风机平台上，浮式风机平台采用呈三棱柱状的浮体10，结构简单，而且相比矩形结构或者圆形结构，三棱柱状的浮体10具有更小的浮体体积，更强的抗波浪扭力矩的结构特性，并且在三棱柱状的浮体10上开设月池120，水在月池120内的垂向运动形成的“活塞效应”和水平运动形成的“晃荡效应”，增加了垂向运动阻尼和水平运动阻尼，优化了浮体10垂向运动性能和水平运动性能，同时在月池120的侧壁设置凸出的阶梯型结构122及开设多个孔型的阻尼格栅124，阶梯型结构122类似于垂荡阻尼板，在浮体10运动的过程中，能带动月池120内部的水运动，增加了浮体10运动的附加质量，从而提高了浮体10垂向运动的固有周期，能够避开外界海域的波浪能量主频率区域，同时会引起水体的流动分离产生流体涡旋，增加浮体10湿表面，增加了粘性阻尼；而且月池120侧壁的孔型阻尼格栅124通过凹槽结构在浮体10运动时带动水体运动，增加附加质量，增加湿表面接触面积和制造流体分离，增加水动力阻尼，整体结构通过简单的结构设计，使浮体10具有良好的运动性能，提高驳船型漂浮式风机系统在水上的稳定性及抗波浪性能。

塔筒20和上部的风电机组30安装于该三角形的浮式风机平台的顶板110的边长中点位置，塔筒20通过支撑结构22上的法兰与平台连接安装，所述支撑结构22设置在平台边长的中点。所述支撑结构22为变截面的圆台结构，其底部圆截面直径较大，顶部圆截面直径与塔筒20直径相匹配。浮体10的顶板110上设置有变电箱等附属构件，顶板110边沿设置有防护栏；浮体10的侧板130及塔筒20侧壁上设有登船附属构件。

进一步地，所述系泊组件40为三组，浮体10的顶板110上设置有三组导缆孔，导缆孔设置在浮体10的三角形顶板110的顶点位置，每组导缆孔与一组系泊组件40连接。每组系泊组件40有1-3条锚链410，在浮体10上呈120度旋转对称分布。锚链410通过设置在所述浮体10的顶板110上的导缆孔与平台进行连接，起到约束平台运动的功能，所述的系泊组件40每组有1-3条锚链410组成。

在其中一实施例中，所述的驳船型漂浮式风机系统还包括输出电缆，所述输出电缆沿所述月池120的侧壁布置。月池120内部的波浪运动在频域上具有双峰特性，表现出外界波浪的频率特性和月池120内水体的固有运动频率特性，同时，月池120内流体的波面升高滞后于外部激励波浪，因此月池内部对外部波浪有一定的屏蔽作用，输出电缆沿着浮体10内部的月池120的侧壁分布，能更有效的起到保护输出电缆的作用。

具体地，所述风电机组30包括机舱310、主机、轮毂320及桨叶330，所述机舱310与所述塔筒20活动连接并可绕所述塔筒20的中心轴旋转，所述主机设置在所述机舱310内并与所述轮毂320连接，所述轮毂320位于机舱310外，所述桨叶330安装在所述轮毂320上，所述输出电缆与所述主机电性连接。塔筒20的顶部与主机和机舱310连接，机舱310可绕塔筒20的中心轴旋转进行偏航运动，通过轮毂320及桨叶330的相对旋转自由度，捕获风能。

所述驳船型漂浮式风机系统采用无桁架的平台设计，可选用混凝土材料进行模块化制造，降低浮式风机平台的造价，提高浮式风机的产品竞争性；平台中间的圆形或圆角过渡的三角形月池120设计，利用活塞效应，有效地优化平台的垂向运动性能，其中月池120内部设置有阶梯结构，侧壁的孔型阻尼格栅124同样起到增加平台的水动力阻尼的效果，优化了平台运动性能。平台可以选择单平台单风机，也可以选择单平台多风机的设计，提高浮式风机平台的利用效率，降低度电成本，提高浮式风机平台竞争性。

月池结构一般应用于船舶和油气平台，本实施例中驳船型漂浮式风机系统及浮式风机平台采用月池结构，通过水体在月池120内的垂向运动形成的“活塞效应”和水平运动形成的“晃荡效应”，增加了垂向运动阻尼和水平运动阻尼，优化了浮体10垂向运动性能和水平运动。“活塞效应”指运动物体在相对封闭空间范围内运动，所导致的气压阻力；无论浮体10运动还是外界水体运动，都是可以假定浮体10不动，月池120内部的水柱发生相对运动。水柱的运动本身会导致壁面的粘性阻尼力，但是更重要的成分是，水柱在月池120这个相对闭塞的环境中运动，导致气压变化产生阻力。“晃荡效应”指月池120运动过程中，月池120内部水体与浮体10运动不同步，产生的晃荡，相比于方形和圆形结构，三角形结构在浮体10发生首摇运动，更能带动水体晃动，增加了相应的附加质量和阻尼。

上述实施例中驳船型漂浮式风机系统及浮式风机平台从三个方面进行考量与优化，一个是具有较好的水动力性能，包括具有较好的稳性以及对工作海域的波浪等载荷响应较小；另外一个是平台设计尽可能安全可靠，包含较好的强度特性和疲劳性能；最后一个是经济性，结构简单，便于加工；综合性能保证产品可持续发展及市场竞争力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种浮式风机平台，其特征在于，包括浮体，所述浮体为三棱柱状，所述浮体上设有贯穿其顶板及底板的月池，所述月池的侧壁设有朝浮体的中心线凸出的阶梯型结构，且所述月池的侧壁上开设有多个孔型的阻尼格栅。

2.根据权利要求1所述的浮式风机平台，其特征在于，所述阶梯型结构设置在所述月池的侧壁的下部且延伸至所述底板，所述阶梯型结构的侧壁上也开设有多个孔型的阻尼格栅。

3.根据权利要求2所述的浮式风机平台，其特征在于，所述月池为圆形通孔或者三角形通孔，当所述月池为三角形通孔时，所述月池的各侧壁之间通过圆弧面过渡连接。

4.根据权利要求3所述的浮式风机平台，其特征在于，所述浮体的顶板及底板的边角为圆角，所述浮体的三个侧板通过圆弧面过渡连接。

5.根据权利要求4所述的浮式风机平台，其特征在于，当所述月池为三角形通孔时，所述月池的侧壁与所述浮体的侧板相对应且平行。

6.根据权利要求1所述的浮式风机平台，其特征在于，所述浮体的侧板下部设有裙带阻尼板，所述裙带阻尼板绕所述浮体的外周设置且延伸至所述底板。

7.根据权利要求2所述的浮式风机平台，其特征在于，所述浮体的内部通过舱壁划分为多个舱室，所述舱室包括位于上部的可调节压载水舱及位于下部的固定压载舱。

8.一种驳船型漂浮式风机系统，其特征在于，包括塔筒、风电机组、系泊组件及权利要求1-7任一项所述的浮式风机平台，所述塔筒固定在所述浮式风机平台的顶板上，所述风电机组安装在所述塔筒的顶部，所述浮式风机平台通过所述系泊组件与海床连接。

9.根据权利要求8所述的驳船型漂浮式风机系统，其特征在于，还包括输出电缆，所述输出电缆沿所述月池的侧壁布置。

10.根据权利要求9所述的驳船型漂浮式风机系统，其特征在于，所述风电机组包括机舱、主机、轮毂及桨叶，所述机舱与所述塔筒活动连接并可绕所述塔筒的中心轴旋转，所述主机设置在所述机舱内并与所述轮毂连接，所述轮毂位于机舱外，所述桨叶安装在所述轮毂上，所述输出电缆与所述主机电性连接。

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