CN111301623A - 一种消波式基础海上风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消波式基础海上风力机，包括上部风力机构、中心立柱结构、多个边立柱和圆环状的套筒，中心立柱结构由塔柱、中心立柱连接舱和水下浮舱构成；每个边立柱经由斜撑连接至中心立柱连接舱；套筒沿周向方向被分隔成交替布置的多个控制舱和多个边舱，每个边立柱设置在相应的一个控制舱中；控制舱被分隔成位于上部的调节舱和位于下部的压载水舱，边立柱设置在调节舱内，每个压载水舱内设置有压载水。本发明通过在风力机立柱外设置消波式边立柱及环状套筒，形成绕中心立柱的立柱群及围壁结构，以减小风力机中心立柱所受波浪载荷，同时套筒内设置压载系统可实时调整结构整体吃水及运动姿态，提高结构整体稳性，保障风力机的正常发电作业。

Description

一种消波式基础海上风力机

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术，特别涉及一种带有消波式基础的海上风力发电机装置。

背景技术

风能被誉为“蓝天白煤”，已经成为21世纪重要的能源形式。我国风能资源丰富，风电装机容量已居世界第一位。目前，国内现有的海上风力机基本采用固定式基础，安装在小于50米水深的浅海海域，随着水深的增加固定式基础风力机建造费用大幅上升，经济性明显不足，因此针对50米及以上的深水海域，采用漂浮式海上风力机。

目前海上浮式基础风力机主要有Spar型、张力腿型(TLP)及半潜型等，而浮式结构物在海上主要受波浪载荷影响较大，其中波浪漂移力又是结构物所面临的主要问题，由于浮式风力机系泊系统固有周期长，恶劣海况下，每种型式的浮式风力机在二阶差频力作用下，容易发生低频慢漂，导致风力机运动失去稳定性，而降低系泊载荷的关键问题是减小二阶波浪漂移力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种消波式基础海上风力机，通过在风力机立柱外设置消波式边立柱及环状套筒装置，形成绕中心立柱的立柱群及围壁结构，以减小风力机中心立柱所受波浪载荷，特别是波浪衍射和漂移力作用，同时套筒内设置压载系统可实时调整结构整体吃水及运动姿态，提高结构整体稳性，充分保障风力机的正常发电作业。

本发明所采用的技术方案是：一种消波式基础海上风力机，所述消波式基础海上风力机包括：

上部风力机构；

中心立柱结构，由自上而下竖直连接在一起的塔柱、中心立柱连接舱和水下浮舱构成，所述塔柱的上端连接至所述上部风力机构，且所述水下浮舱位于水线面以下；

多个边立柱，每个所述边立柱经由一个斜撑连接至所述中心立柱连接舱；

圆环状的套筒，所述套筒沿周向方向被分隔成交替布置且数量相等的多个控制舱和多个边舱，并且所述控制舱的数量等于所述边立柱的数量，每个所述边立柱设置在相应的一个所述控制舱中；

其中，所述控制舱沿竖直方向被分隔成位于上部的调节舱和位于下部的压载水舱，所述边立柱设置在所述调节舱内；

其中，每个所述压载水舱内设置有压载水，各个所述压载水舱内的压载水的量能被独立地调节，从而调整所述消波式基础海上风力机的姿态和吃水。

进一步地，所述消波式基础海上风力机包括六个所述边立柱。

进一步地，所述边立柱具有圆柱体形状，其中，所述控制舱和所述边舱具有相同的形状和容积，使得六个所述边立柱绕所述中心立柱结构呈正六边形分布，并且其中，在所述边立柱的顶部一体形成有一锥形部，在所述锥形部的中央设置有铰接球，所述斜撑的一端连接至所述铰接球且另一端连接至所述中心立柱连接舱。

进一步地，所述水下浮舱沿竖直方向被分隔成上部浮力舱和下部压载舱，其中，所述水下浮舱的高度大于所述套筒的高度。

进一步地，在圆环状的所述套筒的内圈与所述水下浮舱之间形成有一半封闭式月池。

进一步地，所述套筒的所述内圈的外壁上设置有多个凸块组，每个所述凸块组包括沿竖直方向间隔布置的多个梯形凸块，并且多个所述凸块组沿周向方向等间隔地布置在所述内圈的所述外壁上。

进一步地，所述调节舱沿径向方向被分隔成工作舱和舷侧空舱，并且所述工作舱沿竖直方向被分割成上部的边立柱容置舱和下部的动力舱，其中，所述边立柱容置舱、所述舷侧空舱、所述动力舱和所述压载水舱之间均经由水密隔板隔开。

进一步地，所述边立柱嵌套在所述边立柱容置舱内，在所述边立柱与所述边立柱容置舱侧向接触面上设置有多个防撞块，并且在所述边立柱的底部设置有弹性压垫。

进一步地，在所述动力舱中设置有泵机和进出水阀，并且在所述压载水舱中设置有进出水阀和水位监测装置，所述泵机和所述进出水阀用于控制所述压载水舱内的压载情况，并且所述水位监测装置用于监测所述压载水舱内的压载水的水位。

进一步地，在圆环状的所述套筒的外圈的外壁上沿周向方向等间隔地设置有多个第一系泊缆，并且在所述水下浮舱的外壁上沿周向方向等间隔地设置有多个第二系泊缆。

本发明的有益效果是：本发明一种消波式基础海上风力机，为一种多浮体组合浮式风力发电装置。基于传统Spar型基础浮式风力机，通过在风力机立柱外设置消波式边立柱及环状套筒装置，形成绕中心立柱的立柱群及围壁结构，依据波浪相互作用原理，可以有效减小风力机中心立柱所受波浪载荷，特别是波浪衍射和漂移力作用；加装套筒可以增大结构吃水，为结构提供六自由度运动阻尼，提高结构整体稳性；同时通过控制舱内泵机调节压载水，可实时调整风力机姿态和吃水，使风力机基础适用于不同作业水深和海况条件。本发明风力机基础采用双系泊系统，每根系泊缆间隔90°均匀分布，同时内外系泊系统间相邻缆间隔45°分布，为风力机系统提供相应系泊回复刚度，可以有效约束升沉、横摇、纵摇及艏摇方向运动自由度，为风力机的正常发电作业提供保障。

附图说明

图1：本发明风力机的外部结构图；

图2：本发明风力机作业工况下主剖视图；

图3：本发明风力机自存工况下主剖视图；

图4：本发明风力机俯视图1；

图5：本发明风力机俯视图2；

1——上部风力机构； 11——风力机叶片；

12——桨毂； 13——机舱；

2——塔柱； 3——中心立柱连接舱；

31——斜撑； 4——水下浮舱；

41——上部浮力舱； 42——下部压载舱；

5——边立柱； 6——套筒；

61——控制舱； 611——边立柱容置舱；

612——舷侧空舱； 613——防撞块；

614——弹性压垫； 615——动力舱；

616——压载水舱； 617——泵机；

618——进出水阀； 619——水位监测装置；

610——水密隔板； 62——边舱；

63——梯形凸块； 7——第一系泊缆；

8——第二系泊缆。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明基于传统Spar型基础浮式风力机，整体基础主要分为三部分：中心立柱结构、消波式边立柱5和环状消波式套筒6；边立柱5为六个等截面圆柱体，绕中心立柱结构呈正六边形分布，形成绕中心立柱结构的立柱群结构，作业海况下，立柱群中各圆柱体正浮于水线面以上，利用SESAM软件计算结构水动力性能，优化圆柱体半径、吃水、中心立柱与圆柱体之间的距离等参数，使得在一定波数下中心立柱结构散射波能和波浪漂移力最小；套筒6加装在边立柱5外，可以有效增大排水量，为结构提供六自由度运动阻尼，提高结构整体稳性；套筒6内设置泵机617、水位监测装置619，可通过调节压载水舱616内压载水情况控制整体套筒6吃水变化，极限海况下，通过排出舱内压载水，整体环状套筒6吃水减小，浮出水线面以上，边立柱5缩于套筒6内，形成环状套筒6绕中心立柱结构的围壁结构，利用SESAM软件WAMIT模块计算并优化环状套筒6半径参数；中心立柱结构及套筒6外壁各设置四根悬链线系泊缆，形成内外双系泊系统，每根系泊缆间隔90°均匀分布，同时内外系泊系统间相邻缆间隔45°分布。采用此种基础形式的浮式风力机结构，能够有效减小风力机结构所受波浪载荷影响，特别是波浪衍射和漂移力作用，整体结构的运动性能及阻尼效果明显优于传统型浮式风力机，同时通过控制环状套筒6内泵机617调节压载水，可实时调整风力机姿态和吃水，使风力机基础适用于不同作业水深和海况条件。

如附图1至图5所示，一种消波式基础海上风力机，包括上部风力机构1、中心立柱结构、边立柱5及套筒6。

所述上部风力机构1为额定发电功率5MW的三叶片式上风向风力机，包括风力机叶片11、桨毂12和机舱13。

所述中心立柱结构为三段式，由自上而下竖直连接在一起的塔柱2、中心立柱连接舱3和水下浮舱4构成，所述塔柱2的上端连接至所述上部风力机构1的机舱13，支撑所述上部风力机构1，所述塔柱2的下端与所述中心立柱连接舱3固连，所述中心立柱连接舱3位于水线面附近，所述水下浮舱4位于水线面以下。所述塔柱2、中心立柱连接舱3和水下浮舱4均为圆柱体状，直径：水下浮舱4＞中心立柱连接舱3＞塔柱2。所述水下浮舱4位于所述中心立柱连接舱3下方，舱内沿竖直方向被分隔成上部浮力舱41和下部压载舱42，其中，所述水下浮舱4的高度大于所述套筒6的高度。

所述边立柱5设置有多个，本实施例中，所述边立柱5设置有六个。六个所述边立柱5为等截面圆柱体，绕中心立柱呈正六边形分布，形成绕中心立柱结构的立柱群结构。每个所述边立柱5经由一个斜撑31连接至所述中心立柱连接舱3的顶部；在所述边立柱5的顶部一体形成有一锥形部，在所述锥形部的中央设置有铰接球，所述斜撑31的一端连接至所述铰接球且另一端连接至所述中心立柱连接舱3。其中，所述中心立柱连接舱3的直径为所述边立柱5直径的两倍，本实施例中，所述中心立柱连接舱3的直径为D1＝12m，所述边立柱5的直径为D2＝6m，D1＝2×D2；所述边立柱5的吃水为H＝8m。

所述套筒6为圆环状，所述套筒6的内圈直径大于所述中心立柱连接舱3的直径，使得在所述套筒6的内圈与水下浮舱4之间形成一个半封闭式月池，为基础提供附加运动阻尼；本实施例中，所述套筒6的内圈直径为D3＝36m、外圈直径为D4＝66m，因此D3＝3×D1，D4＝5.5×D1。周向方向上，所述套筒6被分隔成交替布置且数量相等的多个控制舱61和多个边舱62，并且所述控制舱61的数量等于所述边立柱5的数量，每个所述边立柱5设置在相应的一个所述控制舱61中；本实施例中，所述控制舱61和所述边舱62均设置有六个，相邻所述控制舱61与所述边舱62间隔30°进行分布，并且所述控制舱61和所述边舱62具有相同的形状和容积，使得六个所述边立柱5绕所述中心立柱结构呈正六边形分布。所述控制舱61沿竖直方向被分隔成位于上部的工作舱、舷侧空舱611和位于下部的压载水舱616；每个所述压载水舱616内设置有压载水，各个所述压载水舱616内的压载水的量能被独立地调节，从而调整所述消波式基础海上风力机的姿态和吃水，使风力机基础适用于不同作业水深和海况条件；所述舷侧空舱613位于所述压载水舱616上部，并位于所述工作舱外舷侧，舱内中空设置，主要起到保护工作舱内的边立柱5及工作舱下方的动力舱615等结构作用；所述工作舱沿竖直方向被分割成位于上方的边立柱容置舱611和位于下方的动力舱615；所述边立柱容置舱611、所述舷侧空舱613、所述动力舱615和所述压载水舱616之间均经由水密隔板610进行隔断；所述边立柱5设置在所述边立柱容置舱611内，随着吃水变化，所述边立柱5可以伸缩在所述边立柱容置舱611内，同时，在所述边立柱5与所述边立柱容置舱611侧向接触面上设置有多个防撞块613，并且在所述边立柱5的底面上设置有弹性压垫614，极端海况下，所述套筒6排出压载水，所述边立柱5缩入所述边立柱容置舱611中。所述动力舱615位于所述边立柱5下部，并位于所述压载水舱616的上部，在所述动力舱615中设置有泵机617和进出水阀618等，并且在所述压载水舱616中设置有进出水阀618和水位监测装置619等，所述泵机617和所述进出水阀618用于控制所述压载水舱616内的压载情况，并且所述水位监测装置619用于监测所述压载水舱616内的压载水的水位，当风力机受环境载荷作用发生横摇、纵摇等摇摆运动时，可实时通过泵机617及进出水阀618等装置控制压载水舱616内压载情况，调整风力机作业姿态。

为防止所述月池内壁出现涡激运动，所述套筒6的内圈外壁上设置有多个凸块组，每个所述凸块组包括沿竖直方向间隔布置的多个梯形凸块63，并且多个所述凸块组沿周向方向等间隔地布置在所述内圈的所述外壁上，本实施例中，多个所述凸块组周向方向上间隔b角度进行布置，b＝60°。

在圆环状的所述套筒6的外圈外壁上沿周向方向等间隔地设置有多个第一系泊缆7，并且在所述水下浮舱4的外壁上沿周向方向等间隔地设置有多个第二系泊缆8，形成内外双系泊系统。本实施例中，所述第一系泊缆7设置有四根，间隔90°均匀分布，所述第二系泊缆8设置有四根，间隔90°均匀分布，同时，内外系泊系统间相邻的第一系泊缆7和第二系泊缆8间隔a＝45°分布；所述第一系泊缆7和第二系泊缆8均采用高分子聚乙烯纤维缆。

作业工况下，所述套筒6的压载水舱616内压载水满载，套筒6整体结构吃水增加浸没在水线面以下，形成边立柱5绕中心立柱结构的消波式立柱群模式；自存工况下，所述套筒6的动力舱615内泵机617将压载水排出，套筒6整体结构吃水减小，上浮出水线面，将边立柱5主体缩入套筒6中，形成环状套筒6绕中心立柱结构的消波式围壁模式。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种消波式基础海上风力机，其特征在于，所述消波式基础海上风力机包括：

上部风力机构(1)；

中心立柱结构，由自上而下竖直连接在一起的塔柱(2)、中心立柱连接舱(3)和水下浮舱(4)构成，所述塔柱(2)的上端连接至所述上部风力机构(1)，且所述水下浮舱(4)位于水线面以下；

多个边立柱(5)，每个所述边立柱(5)经由一个斜撑(31)连接至所述中心立柱连接舱(3)；

圆环状的套筒(6)，所述套筒(6)沿周向方向被分隔成交替布置且数量相等的多个控制舱(61)和多个边舱(62)，并且所述控制舱(61)的数量等于所述边立柱(5)的数量，每个所述边立柱(5)设置在相应的一个所述控制舱(61)中；

其中，所述控制舱(61)沿竖直方向被分隔成位于上部的调节舱和位于下部的压载水舱(616)，所述边立柱(5)设置在所述调节舱内；

其中，每个所述压载水舱(616)内设置有压载水，各个所述压载水舱(616)内的压载水的量能被独立地调节，从而调整所述消波式基础海上风力机的姿态和吃水。

2.根据权利要求1所述的消波式基础海上风力机，其特征在于，所述消波式基础海上风力机包括六个所述边立柱(5)。

3.根据权利要求2所述的消波式基础海上风力机，其特征在于，所述边立柱(5)具有圆柱体形状，其中，所述控制舱(61)和所述边舱(62)具有相同的形状和容积，使得六个所述边立柱(5)绕所述中心立柱结构呈正六边形分布，并且其中，在所述边立柱(5)的顶部一体形成有一锥形部，在所述锥形部的中央设置有铰接球，所述斜撑(31)的一端连接至所述铰接球且另一端连接至所述中心立柱连接舱(3)。

4.根据权利要求1所述的消波式基础海上风力机，其特征在于，所述水下浮舱(4)沿竖直方向被分隔成上部浮力舱(41)和下部压载舱(42)，其中，所述水下浮舱(4)的高度大于所述套筒(6)的高度。

5.根据权利要求1所述的消波式基础海上风力机，其特征在于，在圆环状的所述套筒(6)的内圈与所述水下浮舱(4)之间形成有一半封闭式月池。

6.根据权利要求5所述的消波式基础海上风力机，其特征在于，所述套筒(6)的所述内圈的外壁上设置有多个凸块组，每个所述凸块组包括沿竖直方向间隔布置的多个梯形凸块(63)，并且多个所述凸块组沿周向方向等间隔地布置在所述内圈的所述外壁上。

7.根据权利要求1所述的消波式基础海上风力机，其特征在于，所述调节舱沿径向方向被分隔成工作舱和舷侧空舱(612)，并且所述工作舱沿竖直方向被分割成上部的边立柱容置舱(611)和下部的动力舱(615)，其中，所述边立柱容置舱(611)、所述舷侧空舱(612)、所述动力舱(615)和所述压载水舱(616)之间均经由水密隔板(610)隔开。

8.根据权利要求7所述的消波式基础海上风力机，其特征在于，所述边立柱(5)嵌套在所述边立柱容置舱(611)内，在所述边立柱(5)与所述边立柱容置舱(611)侧向接触面上设置有多个防撞块(613)，并且在所述边立柱(5)的底部设置有弹性压垫(614)。

9.根据权利要求7所述的消波式基础海上风力机，其特征在于，在所述动力舱(615)中设置有泵机(617)和进出水阀(618)，并且在所述压载水舱(616)中设置有进出水阀(618)和水位监测装置(619)，所述泵机(617)和所述进出水阀(618)用于控制所述压载水舱(616)内的压载情况，并且所述水位监测装置(619)用于监测所述压载水舱(616)内的压载水的水位。

10.根据权利要求1所述的消波式基础海上风力机，其特征在于，在圆环状的所述套筒(6)的外圈的外壁上沿周向方向等间隔地设置有多个第一系泊缆(7)，并且在所述水下浮舱(4)的外壁上沿周向方向等间隔地设置有多个第二系泊缆(8)。

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