CN111348153A - 一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，包括主体框架、风机、控制室、网衣和锚碇系统；所述主体框架包括中心立柱、围绕所述中心立柱均匀设置的多根外部立柱、上部水平支撑固定连接、下部水平支撑、上弦管、中弦管、下弦管和斜向支撑；所述中心立柱和所述外部立柱的结构相同，均包括设置在上部的上部浮筒、与所述上部浮筒的底部固定连接的中部立柱和与所述中部立柱的底部固定连接的下部浮筒。本发明是在半潜式平台的基础上安装了风机，一方面促进了水产养殖由近海向远海的发展，另一方面突破了地理位置对水产养殖和风力发电的限制。

Description

一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构
技术领域
本发明涉及渔场平台技术领域，具体而言是一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构。
背景技术
现有的风电设施多位于陆地和近海岸，对于地形选址极为严格。而大型的养殖平台多位于离海岸较远的深海，从陆地或者近海岸铺设海底电缆为其供电是一件极其困难且代价巨大的工程。此外，随着近海岸养殖设施日趋饱和以及对生态环境的破坏，迫使海水养殖由浅海向深海发展，推进水产养殖的可持续发展。因此不管是水产养殖还是风力发电，由近海向深远海发展是必经之路，也是战略需要。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构。
本发明采用的技术手段如下：
一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，包括主体框架、设置在所述主体框架顶部的风机和控制室、安装在所述主体框架侧壁及底部的网衣和安装在所述主体框架底部的多个锚碇系统；
所述风机包括风机立柱和设置在所述风机立柱顶端的转子叶片；
所述锚碇系统包括系泊锚链和锚，所述系泊锚链的一端与所述主体框架的底部固定连接，所述系泊锚链的另一端与所述锚固定连接，且所述锚沉于海底；
所述主体框架包括与所述风机立柱同轴设置的中心立柱，围绕所述中心立柱均匀设置有多根外部立柱，所述中心立柱的顶部与所述风机的风机立柱的底部固定连接；所述控制室设置在所述风机立柱的底部，围绕所述风机立柱建设。
所述控制室的底部外沿与所述外部立柱的顶部之间通过上部水平支撑固定连接，所述中心立柱的底部与所述外部立柱的底部之间通过下部水平支撑固定连接，相临两个所述外部立柱顶部之间通过上弦管固定连接，相临两个所述外部立柱中部之间通过中弦管固定连接，相临两个所述外部立柱底部之间均通过下弦管固定连接，相临两个外部立柱之间固定有两个交叉设置的斜向支撑；
所述中心立柱和所述外部立柱的结构相同，均包括设置在上部的上部浮筒、与所述上部浮筒的底部固定连接的中部立柱和与所述中部立柱的底部固定连接的下部浮筒。
进一步地，所述控制室包括仪器设备控制室和设置在所述仪器设备控制室顶部的防水太阳能发电装置。
进一步地，所述仪器设备控制室的顶部呈圆台形。
进一步地，所述上部浮筒和所述下部浮筒内均设有液压式控制阀门。
进一步地，所述上部浮筒和所述下部浮筒内均设有水泵，且所述水泵连接有用于充水和排水的双向管路。
进一步地，所述上弦管、所述上部水平支撑和所述控制室的底部外沿均设有护栏。
进一步地，因海上浮式风机与养殖平台相耦合的结构受到风、海浪、海流共同作用。为了确定本发明结构的最优布置形式，本发明建立了以下计算方法，进行结构荷载计算。作用于浮式风机构件上的风载荷应按式(1)计算，作用在网箱构件上的波浪载荷应按式(2)计算，作用在网箱构件上的海流载荷应按式(3)计算，网衣的波浪和海流载荷取网线为计算对象：
Figure BDA0002470059870000031
其中，FF为作用于单位长度浮式风机构件上的风荷载；CdF为风阻力系数；ρ为空气密度；uF为设计风速；AF为单位长度构件在垂直于风向上的投影面积。
Figure BDA0002470059870000032
其中，Fw为单位长度构件上的海浪载荷；FD为单位长度构件上的水阻力；FI为单位长度构件上的惯性力；波浪作用下，网衣的惯性力忽略不计；ρw为海水密度；Aw为单位长度构件在垂直于矢量(u-x’)方向上的投影面积；Cd为水阻力系数；Cm为附加质量系数；CM为惯性力系数，CM＝Cm+1；V为单位长度构件的体积；U为垂直于构件轴线的水质点速度分量；u’为垂直于构件轴线的水质点加速度分量；x’为垂直于构件轴线的单位长度构件速度分量；x”为垂直于构件轴线的单位长度构件加速度分量。
Figure BDA0002470059870000033
其中，Fc为作用于单位长度构件上的海流力；Ac为单位长度构件在垂直于海流方向上的投影面积；uc为设计流速。
通过上述公式确定本发明主体框架的形状及各管件的尺寸：
围绕所述中心立柱均匀设置有六根所述外部立柱，所述主体框架的横截面呈正六边形。
所述上部浮筒和所述下部浮筒的外径相同且均大于所述中部立柱的外径，所述上部浮筒和所述下部浮筒靠近所述中部立柱的一端具有渐变段，并通过渐变段与所述中部立柱连接。
所述风机立柱高度H为30m～70m，所述叶片转子长度为(1/3)H～(2/3)H；
所述主体框架的横截面所在圆的直径D满足：60m≤D≤120m；
所述主体框架的高度h为40m～80m；
所述上部浮筒和所述下部浮筒的高度h`满足：(1/4)h≤h`≤(3/7)h；
所述渐变段长度L满足：(1/7)h≤L≤(1/6)h；
所述上部浮筒和所述下部浮筒的外径尺寸为3m～10m；
所述上部浮筒和所述下部浮筒的壁厚为3cm～6cm；
所述上弦管、所述下弦管、所述上部水平支撑和所述下部水平支撑的直径为1.0m-2.5m，所述斜向支撑的直径为0.5m-2.0m，所述上弦管、所述下弦管、所述上部水平支撑、所述下部水平支撑和所述斜向支撑的壁厚为3cm-5cm。
所述系泊锚链包括锚绳和锚链，所述锚绳的上端与所述主体框架的底部固定连接，所述锚绳的下端与所述锚链的上端固定连接，所述锚链的下端与所述锚固定连接；所述锚绳为钢芯钢丝绳，且其直径为30mm～42mm，所述锚链为二级有挡锚链，其直径为30mm～48mm。本发明中锚碇系统采用“锚绳+锚链”的组合形式，可以克服锚抗拉不抗拔的缺点。锚绳选用钢芯钢丝绳直径在32mm～42mm，锚链选用二级有挡直径在30mm～48mm之间，增加锚碇系统的强度且不易发生扭缠；
本发明中为了保证该耦合结构在风浪流等环境荷载作用下保持稳定，选用具有较宽的稳定鳍的大抓力锚，锚爪锋利且宽而长，抓底稳定性好，在不同底质条件下均有良好的抓底性能，抓力系数在8～10之间。
本发明是在半潜式平台的基础上安装了风机。该装备一方面促进了水产养殖由近海向远海的发展，有效的解决了传统养殖方式带来的一系列环境问题，另一方面突破了地理位置对水产养殖和风力发电的限制，为深远海水产养殖的自动化和智能化提供了电力保障。通过将风力发电装置和半潜式养殖平台相结合，既避免了单独建造风机和养殖平台所消耗的巨额费用，又可以通过风力发电产生清洁的能源供平台使用，而不对环境产生污染。此外为了补充平台用电，在设备控制室的圆台形顶部布置了扇形的太阳能发电装置，产生清洁能源。
本发明中，为了能够精准的控制平台的升沉，实现检修和工作状态。在平台的上部和下部分别布置了七个浮筒，周边六个中间一个。在检修状态时，平台吃水较少，控制水泵从浮筒内向外排水以达到指定的检修吃水；在工作状态时，控制水泵向下部或上部浮筒内灌水，使平台达到指定吃水。在遇到较大的风浪时，为了保证平台的稳定和安全，也可以控制浮筒内的水量，使平台增大吃水下降至适当位置。此外浮筒之间互不贯通，即使一个浮筒发生破坏也不会影响其余浮筒的正常工作，而造成平台的沉没。
本发明中为了维持平台在较大的风浪中处于相对稳定的状态，优选地锚碇系统具有四个，采用四点锚碇系统，通过系泊锚链将平台锚碇至海底，限制其运动，保证平台的稳定和工作人员的安全。此外，平台框架采用防腐蚀的钢材，具有较大的刚度和强度。在波流作用下，固定于框架上的网衣产生较小的变形，维持较大的养殖空间，从而提高养殖效益。
基于上述理由本发明可在渔场平台等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式中一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构结构示意图(去除网衣)。
图2为本发明具体实施方式中一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构的侧视图(去除网衣)。
图3为本发明具体实施方式中主体框架和风机结构示意图(去除网衣)。
图4为本发明具体实施方式中主体框架侧视图(带有网衣)。
图5为本发明具体实施方式中下部浮筒内部控制阀门示意图。
图6为本发明具体实施方式中上部浮筒中的水泵示意图。
图7为本发明具体实施方式中系泊锚链结构示意图。
图中：1、主体框架；11、中心立柱；12、外部立柱；13、上部水平支撑；14、下部水平支撑；15、上弦管；16、中弦管；17、下弦管；18、斜向支撑；2、控制室；21、仪器设备控制室；22、防水太阳能发电装置；3、网衣；4、上部浮筒；41、渐变段；42、液压式控制阀门；43、水泵；44、双向管路；5、下部浮筒；6、中部立柱；7、护栏；8、风机；81、风机立柱；82、转子叶片；9、锚碇系统；91、锚；92、系泊锚链；93、锚绳；94、锚链。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1～7所示，一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，包括主体框架1、设置在所述主体框架1顶部的风机8和控制室2、安装在所述主体框架1侧壁及底部的网衣3和安装在所述主体框架1底部的多个锚碇系统9；
所述风机8包括风机立柱81和设置在所述风机立柱81顶端的转子叶片82；所述风机立柱高60m，所述转子叶片长40m，所述风机立柱内设有储能装置；
所述锚碇系统9包括系泊锚链92和锚91，所述系泊锚链92包括锚绳93和锚链94，所述锚绳93的上端与所述主体框架1的底部固定连接，所述锚绳93的下端与所述锚链94的上端固定连接，所述锚链94的下端与所述锚91固定连接，且所述锚91沉于海底；所述锚绳93为钢芯钢丝绳，且其直径为30mm～42mm，所述锚链94为二级有挡锚链，其直径为30mm～48mm。
所述控制室2包括仪器设备控制室21和设置在所述仪器设备控制室21顶部的防水太阳能发电装置22。所述仪器设备控制室21的顶部呈圆台形。仪器设备控制室21同时也为工作人员提供生活空间。通过防水太阳能发电装置22为平台上的用电设备供电。所述控制室直径为16m，高4m。
所述主体框架1包括中心立柱11，围绕所述中心立柱11均匀设置有6根外部立柱12，所述中心立柱11的顶部与所述控制室2的底部固定连接；主体框架1的横截面呈正六边形，且所述正六边形所在圆的直径为100m，所述中心立柱高60m；
所述控制室2的底部外沿与所述外部立柱12的顶部之间通过上部水平支撑13焊接固定，上部水平支撑13直径为2m，长50m，所述中心立柱11的底部与所述外部立柱12的底部之间通过下部水平支撑14焊接固定，下部水平支撑14直径为2m，相临两个所述外部立柱12顶部之间通过上弦管15焊接固定，上弦管15直径为2m，相临两个所述外部立柱12中部之间通过中弦管16焊接固定，中弦管16直径为2m，相临两个所述外部立柱底12部之间均通过下弦管17焊接固定，下弦管17直径为2m，相临两个外部立柱12之间焊接固定有两个交叉设置的斜向支撑18，斜向支撑18直径为1m；且上部水平支撑13、下部水平支撑14、上弦管15、中弦管16、下弦管17和斜向支撑18的壁厚为2cm～6cm。
所述中心立柱11和所述外部立柱12的结构相同，均包括设置在上部的上部浮筒4、与所述上部浮筒4的底部固定连接的中部立柱5和与所述中部立柱6的底部固定连接的下部浮筒5。所述上部浮筒4和所述下部浮筒5的外径相同且均大于所述中部立柱6的外径，所述上部浮筒4和所述下部浮筒5靠近所述中部立柱6的一端具有渐变段41，并通过渐变段41与所述中部立柱6连接。上部浮筒4和下部浮筒5的直径均为5m，中部立柱6的直径为2m，渐变段41直径由5m渐变到2m，
进一步地，所述上部浮筒4和所述下部浮筒5内均设有液压式控制阀门42。
进一步地，所述上部浮筒4和所述下部浮筒5内均设有水泵43，且所述水泵43连接有用于充水和排水的双向管路44。
进一步地，所述上弦管15、所述上部水平支撑13和所述控制室2的底部外沿均设有护栏7。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，其特征在于，包括主体框架、设置在所述主体框架顶部的风机和控制室、安装在所述主体框架侧壁及底部的网衣和安装在所述主体框架底部的多个锚碇系统；
所述风机包括风机立柱和设置在所述风机立柱顶端的转子叶片；
所述锚碇系统包括系泊锚链和锚，所述系泊锚链的一端与所述主体框架的底部固定连接，所述系泊锚链的另一端与所述锚固定连接，且所述锚沉于海底；
所述主体框架包括与所述风机立柱同轴设置的中心立柱，围绕所述中心立柱均匀设置有多根外部立柱，所述中心立柱的顶部与所述风机的风机立柱的底部固定连接；所述控制室设置在所述风机立柱的底部；
所述控制室的底部外沿与所述外部立柱的顶部之间通过上部水平支撑固定连接，所述中心立柱的底部与所述外部立柱的底部之间通过下部水平支撑固定连接，相临两个所述外部立柱顶部之间通过上弦管固定连接，相临两个所述外部立柱中部之间通过中弦管固定连接，相临两个所述外部立柱底部之间均通过下弦管固定连接，相临两个外部立柱之间固定有两个交叉设置的斜向支撑；
所述中心立柱和所述外部立柱的结构相同，均包括设置在上部的上部浮筒、与所述上部浮筒的底部固定连接的中部立柱和与所述中部立柱的底部固定连接的下部浮筒。
2.根据权利要求1所述的一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，其特征在于：所述控制室包括仪器设备控制室和设置在所述仪器设备控制室顶部的防水太阳能发电装置。
3.根据权利要求2所述的一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，其特征在于：所述仪器设备控制室的顶部呈圆台形。
4.根据权利要求1所述的一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，其特征在于：所述上部浮筒和所述下部浮筒内均设有液压式控制阀门。
5.根据权利要求1或4所述的一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，其特征在于：所述上部浮筒和所述下部浮筒内均设有水泵，且所述水泵连接有用于充水和排水的双向管路。
6.根据权利要求1所述的一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，其特征在于：所述上弦管、所述上部水平支撑和所述控制室的底部外沿均设有护栏。
7.根据权利要求1所述的一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，其特征在于：围绕所述中心立柱均匀设置有六根所述外部立柱，所述主体框架的横截面呈正六边形。
8.根据权利要求1所述的一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，其特征在于：所述上部浮筒和所述下部浮筒的外径相同且均大于所述中部立柱的外径，所述上部浮筒和所述下部浮筒靠近所述中部立柱的一端具有渐变段，并通过渐变段与所述中部立柱连接。
9.根据权利要求8所述的一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，其特征在于：
所述风机立柱高度H为30m～70m，所述叶片转子长度为(1/3)H～(2/3)H；
所述主体框架的横截面所在圆的直径D满足：60m≤D≤120m；
所述主体框架的高度h为40m～80m；
所述上部浮筒和所述下部浮筒的高度h`满足：(1/4)h≤h`≤(3/7)h；
所述渐变段长度L满足：(1/7)h≤L≤(1/6)h；
所述上部浮筒和所述下部浮筒的外径尺寸为3m～10m；
所述上部浮筒和所述下部浮筒的壁厚为3cm～6cm；
所述上弦管、所述下弦管、所述上部水平支撑和所述下部水平支撑的直径为1.0m-2.5m，所述斜向支撑的直径为0.5m-2.0m，所述上弦管、所述下弦管、所述上部水平支撑、所述下部水平支撑和所述斜向支撑的壁厚为3cm-5cm。
10.根据权利要求1所述的一种海上浮式风机与半潜式养殖平台耦合的结构，其特征在于：所述系泊锚链包括锚绳和锚链，所述锚绳的上端与所述主体框架的底部固定连接，所述锚绳的下端与所述锚链的上端固定连接，所述锚链的下端与所述锚固定连接；所述锚绳为钢芯钢丝绳，且其直径为30mm～42mm，所述锚链为二级有挡锚链，其直径为30mm～48mm。
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