CN111878318B - 一种可伸缩式风机基础及风机 - Google Patents

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Abstract

一种可伸缩式风机基础，用于支撑风机主体，包含：承台结构，与所述的承台结构连接的可伸缩式底座，以及与所述的承台结构连接的多组系泊系统，可伸缩式底座包含至少三个可伸缩柱组件，每一个可伸缩柱组件包含：通过锁紧调节机构连接的内立柱和外立柱，通过所述的锁紧调节机构实现所述的内立柱在所述的外立柱中伸缩和限位。本发明可借助立柱的伸缩功能实现多种工作状态的切换，能够应对我国近海岸较大水深变化条件且能够适应不同工作状态和匹配不同类型系泊系统，大大提高了该设计的工程通用性。

Description

一种可伸缩式风机基础及风机
技术领域
本发明涉及一种可伸缩式风机基础及风机。
背景技术
近年来，在人类对可再生能源—风能的开发利用过程中，风机逐渐从陆上转向近海，又逐步从近海走向深远海。这个过程中，涌现了多种海上漂浮式风机基础的形式，这当中，又以单立柱式(SPAR)、半潜式(Semi-Submersible)、张力腿式(TLP)以及船型(Barge)四种类型的漂浮式风机基础最为常见。
目前，欧美国家在漂浮式风机基础的研发能力和投入上都处于领先地位。其中，最具有代表性的几类漂浮式风机基础包括：
挪威国家石油公司(Equinor)研发的Hywind(单立柱式基础)，该基础由一根直径为14.4m的下浮体及直径为7.5m的过渡段所构成，过渡段上部承载着塔架和风机，整体结构形式简单。
美国的Principle Power研发的WindFloat(半潜式基础)，该基础由三个直径约10m的立柱构成，立柱间通过横撑和斜撑进行连接和加强，立柱底部有六边形的薄板结构作为垂荡板。
法国的SBM Offshore研发的用于PGL海上风电场项目中的漂浮式基础(张力腿式基础)，其整体结构形式为桁架式，其中用于连接系泊系统的部分是三个圆形截面立柱，立柱上安装有锚链锁紧装置。
法国IDEOL公司研发的DampingPool(船型风机基础)，该漂浮式风机基础由“回字形”的浮筒所构成，它采用了阻尼池技术来实现减摇功能。
目前，国内各电力能源公司及整机商也逐渐将目光转向漂浮式风机领域，通过与各家设计院之间进行合作，研发出了相关的漂浮式风机基础，其中处于较为领先地位的如三峡新能源，金风科技以及龙源电力公司等，其他还有一些研究深度不尽相同的自研性质的漂浮式基础。然而，纵观这些漂浮式基础型式，主要还是以三立柱形式的半潜式基础为主，且大多借鉴了美国Principle Power公司的WindFloat型式，并进行一定适应性研发及改造工作。
在海上风电场的开发上，我国相比于欧洲国家，研发与示范应用等有所不同。我国目前海上风电场所采用的基础形式主要还是以单桩、导管架以及高桩承台等固定式基础为主，虽然目前国内各大能源电力公司及整机商虽已开始布局漂浮式风机基础，但其尚未真正完成立样机的工作，更不用说完全投入商业化运营。这其中的主要原因也是由于相比于欧美的海上风场环境条件(水深条件)，我国近海岸海上风场的环境条件局限程度更大(水深较浅，大部分在30m左右)，在这种限制条件下，若仅仅基于国外现有漂浮式风机基础形式进行适应性改造，其可利用程度不高。同时，对于不同的水深条件，若采用常规半潜漂浮式基础，与其相匹配和适应的系泊系统也大相径庭，就40m水深而言，其系泊系统布置半径通常需要达到10～20倍的水深，且系泊系统布置半径对于水深的变化异常敏感。这使得不同机位布置的漂浮式风机其系泊系统布置半径难以统一布局或控制，从而不可避免的导致了海底系泊缆与电缆等的相互干扰。
发明内容
本发明提供一种可伸缩式风机基础及风机，可借助立柱的伸缩功能实现多种工作状态的切换，能够应对我国近海岸较大水深变化条件且能够适应不同工作状态和匹配不同类型系泊系统，大大提高了该设计的工程通用性。
为了达到上述目的，本发明提供一种可伸缩式风机基础，用于支撑风机主体，包含：承台结构，与所述的承台结构连接的可伸缩式底座，以及与所述的承台结构连接的多组系泊系统；
所述的可伸缩式底座包含至少三个可伸缩柱组件，每一个可伸缩柱组件包含：通过锁紧调节机构连接的内立柱和外立柱，通过所述的锁紧调节机构实现所述的内立柱在所述的外立柱中伸缩和限位。
所述的承台结构为柱体结构。
所述的承台结构中设置压载舱，设备舱室，可伸缩柱组件的存放舱。
所述的锁紧调节机构采用齿轮齿条结构或环向液压卡钳结构。
所述的齿轮齿条结构包含：设置在内立柱外壁的齿条，以及设置在外立柱外壁的齿轮，所述的齿条和所述的齿轮相互啮合，当齿轮转动时，内立柱和外立柱之间相互运动，实现可伸缩柱组件的伸展或收缩，当齿轮停止转动并固定不动，则内立柱和外立柱之间锁紧并保持当前的状态。
所述的环向液压卡钳结构包含：至少两个设置在内立柱和外立柱之间的扇环形卡钳，所述的扇环形卡钳分别接触内立柱的外壁和外立柱的内壁，所述的扇环形卡钳连接液压机构，当液压装置动作，迫使扇环形卡钳挤压内立柱和外立柱，使内立柱和外立柱之间无法产生相互运动，使得内立柱和外立柱之间处于锁紧状态，当液压装置不动作，扇环形卡钳放松，则内立柱可以在外立柱内运动，实现可伸缩柱组件的伸展或收缩。
当可伸缩式风机基础处于固定式状态下，所述的系泊系统采用张紧式系泊系统；当可伸缩式风机基础处于漂浮式状态下，所述的系泊系统采用张紧式系泊系统或悬链线式系泊系统。
所述的系泊系统包含：固定设置在所述的承台结构上的锚链储存舱、系泊缆滑轨和导缆孔，以及系泊缆，所述的系泊缆从所述的锚链储存舱中引出，依次经过系泊缆滑轨和导缆孔，沉入水底。
所述的可伸缩式风机基础还包含：软舱和至少一个垂荡板，所述的垂荡板与所述的外立柱固定连接，所述的软舱与所述的内立柱的底部固定连接。
本发明还提供一种风机结构，包含所述的可伸缩式风机基础，以及固定设置在可伸缩式风机基础上的风机主体。
本发明提供的可伸缩式风机基础通过内外立柱的伸缩功能，实现风机基础的多种工作状态(固定式和漂浮式)切换功能，且能够在固定式工作状态下，适应一定范围内的水深的变化，当水深较大时，又能转变为漂浮式工作状态，能够普适我国近海海域不同水深范围并且能够根据实际风场地质及风、浪、流等环境条件切换工作状态(固定式或漂浮式)。可伸缩式风机基础还可以匹配不同类型的系泊系统(类张力筋腱、张紧式或悬链线式)，对于施工、安装以及不同地质条件和海底线缆(电缆、其他管线及系泊缆等)布置要求下的系泊系统的限制程度大大地降低，这对于我国近海岸较浅水深海域的友好程度高，适应性更好，且对不同水深的风场可重复利用相同的设计，从而大大降低设计和建造成本，进而提高竞争力。
附图说明
图1是本发明提供的一种风机的结构示意图。
图2是可伸缩式风机基础的结构示意图。
图3是可伸缩柱组件处于伸展状态的结构示意图。
图4是可伸缩柱组件处于收缩状态的结构示意图。
图5是齿轮齿条结构的结构示意图。
图6是环向液压卡钳结构的结构示意图。
图7是图2的俯视图。
图8是内立柱收缩状态下固定式工作状态示意图。
图9是内立柱完全伸展状态下固定式工作状态示意图。
图10是内立柱伸展状态下漂浮式工作状态示意图。
图11是漂浮工作状态下使用悬链线系泊系统示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图11，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，是本发明一个实施例中的一种风机结构，该风机结构包含风机主体和可伸缩式风机基础。所述的风机主体包含固定设置在可伸缩式风机基础4上的风机塔筒3、固定设置在风机塔筒3顶端的机舱2、以及多个与机舱2连接的风轮叶片1。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述的可伸缩式风机基础4包含：承台结构41，与所述的承台结构41连接的可伸缩式底座，以及与所述的承台结构41连接的多组系泊系统。
所述的承台结构41主要起到承载风机塔筒3和风机的重量以及在该可伸缩式风机基础处于漂浮式工作状态下时提供浮力的作用。在本发明的一个实施例中，所述的承台结构41采用柱体结构，该柱体结构具有较大的体积，其上部空间可为风机运维人员提供一定的休憩场所，放置相关运维设备以及布置必要的风机基础附属设备(如锚链储放舱等)。
进一步，所述的承台结构41内部具有相互分隔的舱室，所述的舱室包含用于存放可伸缩式底座中的可伸缩柱组件的存放舱，一定数量的压载舱，以及必要的机械、设备系统舱室。
如图2所示，所述的可伸缩式底座包含至少三组可伸缩柱组件，每一个可伸缩柱组件包含：通过锁紧调节机构连接的内立柱43和外立柱42，通过所述的锁紧调节机构可以实现所述的内立柱43在所述的外立柱42中伸缩和限位，实现可伸缩式底座的伸展和收缩，从而实现可伸缩式底座在不同工作状态(固定式或漂浮式)下进行锁紧或动态调节。如图3所示，此时的内立柱43完全伸展至外立柱42下方，如图4所示，此时的内立柱43完全收缩至外立柱42内部。
如图5所示，在本发明的一个实施例中，所述的锁紧调节机构采用齿轮齿条结构，所述的齿轮齿条结构包含：设置在内立柱43外壁的齿条401，以及设置在外立柱42外壁的齿轮402，所述的齿条401和所述的齿轮402相互啮合，当齿轮402转动时，内立柱43和外立柱42之间相互运动，实现可伸缩柱组件的伸展或收缩，当齿轮402停止转动并固定不动，则内立柱43和外立柱42之间锁紧并保持当前的状态。
如图6所示，在本发明的另一个实施例中，所述的锁紧调节机构采用环向液压卡钳结构，所述的环向液压卡钳结构包含：至少两个设置在内立柱43和外立柱42之间的扇环形卡钳403，所述的扇环形卡钳403分别接触内立柱43的外壁和外立柱42的内壁，且相邻的扇环形卡钳403之间存在间隙，所述的扇环形卡钳403连接液压机构(图中未显示)，当液压装置动作，迫使扇环形卡钳403挤压内立柱43和外立柱42，使内立柱43和外立柱42之间无法产生相互运动，使得内立柱43和外立柱42之间处于锁紧状态，当液压装置不动作，扇环形卡钳403放松，则内立柱43可以在外立柱42内运动，实现可伸缩柱组件的伸展或收缩。
如图2和图7所示，所述的每组系泊系统包含：固定设置在所述的承台结构41上的锚链储存舱43、系泊缆滑轨44和导缆孔45，以及系泊缆46，所述的系泊缆46从所述的锚链储存舱43中引出，依次经过系泊缆滑轨44和导缆孔45，沉入水底。
本发明提供的一种可伸缩式风机基础，相对现有的常规固定式或漂浮式风机基础结构而言，将固定式和漂浮式两种工作状态融为一体，所述的可伸缩式风机基础通过齿轮齿条或环向液压结构稳定的调节内外立柱的收缩和伸展，以使得该可伸缩式风机基础处于固定式工作状态下，依然可以适应一定范围内的水深变化，当内立柱伸展至最大长度时，若可伸缩式风机基础仍不能实现固定于海底的工作状态，则可通过压载及系泊系统预紧力的调整，将其工作状态转换为漂浮式。
所述的可伸缩柱组件并不限于静态调整，当可伸缩式风机基础处于漂浮式工作状态下，也可进行实时动态调整。内外立柱的可伸缩功能，可大幅度降低海上(浅水下)施工、安装的风险程度及相应费用。安装时，可以先通过可伸缩柱组件的伸缩，使得风机基础固定在海底，从而便于系泊系统和基础的对接安装，在系泊系统对接完成后，可进一步选择收缩内立柱的延长段，使风机基础漂浮或仍选择固定式工作形态。配合风场环境条件监测设备对风、浪、流等数据的监测，通过动态调整内外立柱的伸缩，可以积极响应环境条件的变化，使得该可伸缩式风机基础能够在较恶劣海况下承受更高的环境载荷并保证风机的正常发电工作。
进一步，当所述的可伸缩式风机基础处于不同工作形态时，可配合使用不同的系泊系统形式。当可伸缩式风机基础处于固定式状态下，可选择采用类斜拉索大桥形式的张紧式系泊；当可伸缩式风机基础处于漂浮式状态下，可选择张紧式或常规悬链线式系泊系统。系泊系统形式的选择可根据实际机位附近的地质条件和海底线缆布置相关要求进行优化选择，大大减小了工程设计的复杂性。
如图2所示，当可伸缩式风机基础工作于漂浮式状态下，所述的可伸缩式风机基础还包含垂荡板47和软舱48，所述的至少一个垂荡板47与所述的外立柱42固定连接，所述的软舱48与所述的内立柱43的底部固定连接。此时的可伸缩式风机基础在伸展状态下有较大的吃水，因而使得其动力特性与SPAR形式相近，运动性能良好，在其垂荡方向上有较大的固有周期，可以有效避开波浪的主能量区间，减小了相应自由度上的运动响应，对风机安全和稳定地发电起到促进作用。
在本发明的一个实施例中，所述的可伸缩式风机基础4的承台结构41采用圆柱体结构，直径约为25～30cm，高度约15m左右，干舷(主甲板面与水线面之间的距离)为5m，相应的其入水深度为10m左右，风机及塔架重量约为900-1000t。所述的可伸缩柱组件中的外立柱部分的可视高度约15-20m，直径为5-7m，内立柱直径较外立柱相对较小，且与外立柱的直径差值保持在0.5m左右，所述的内立柱伸展后的高度可达25-30m。在外立柱上等间距的布置有两块高度约0.5-1m，边长约30m的垂荡板，所述的内立柱底部布置有高度约为3m，边长约30m的软舱结构，其内部可分隔一定数量舱室，放置压载物(液体压载或固体压载等)。所述的可伸缩式风机基础4在收缩状态下的整体高度约为35-40m，扣除其干舷高度，如图8所示，该可伸缩式风机基础可在水深30-35m条件下用作固定式基础。当所述的可伸缩式风机基础4的内立柱完全伸展开，则其水中部分最大高度可达约70m，即水深变化范围处于35-70m时，如图9所示，该可伸缩式风机基础可通过内立柱的伸缩实现固定式的工作状态，同时，如图10所示，也可以使该可伸缩式风机基础处于漂浮式工作状态。可伸缩式风机基础处于不同工作状态时，都需要通过调整内立柱和外立柱的高度来保证当内立柱相对于外立柱完全伸展后，可伸缩式风机基础仍具有一定的干舷高度。另外，该可伸缩式风机基础在不同工作状态下可配合使用不同类型的系泊系统，除图8～图10所示的张紧式系泊系统外，还可采用如图11所示的常规悬链线式系泊系统。对于固定式工作状态下的张紧式系泊(图8和图9)而言，系泊系统起到辅助稳定的作用，对于漂浮式工作状态下的张紧式(图10)或悬链线式(图11)系泊系统则起到风机基础的限位作用。
本发明提供的可伸缩式风机基础通过内外立柱的伸缩功能，实现风机基础的多种工作状态(固定式和漂浮式)切换功能，且能够在固定式工作状态下，适应一定范围内的水深的变化，当水深较大时，又能转变为漂浮式工作状态，能够普适我国近海海域不同水深范围并且能够根据实际风场地质及风、浪、流等环境条件切换工作状态(固定式或漂浮式)。可伸缩式风机基础还可以匹配不同类型的系泊系统(类张力筋腱、张紧式或悬链线式)，对于施工、安装以及不同地质条件和海底线缆(电缆、其他管线及系泊缆等)布置要求下的系泊系统的限制程度大大地降低，这对于我国近海岸较浅水深海域的友好程度高，适应性更好，且对不同水深的风场可重复利用相同的设计，从而大大降低设计和建造成本，进而提高竞争力。
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 (10)

1.一种可伸缩式风机基础，用于支撑风机主体，其特征在于，包含：承台结构，与所述的承台结构连接的可伸缩式底座，以及与所述的承台结构连接的多组系泊系统；
所述的可伸缩式底座包含至少三个可伸缩柱组件，每一个可伸缩柱组件包含：通过锁紧调节机构连接的内立柱和外立柱，通过所述的锁紧调节机构实现所述的内立柱在所述的外立柱中伸缩和限位，所述的可伸缩式风机基础通过调节内外立柱的收缩和伸展，以使得该可伸缩式风机基础处于固定式工作状态下依然可以适应一定范围内的水深变化，当内立柱伸展至最大长度时，若可伸缩式风机基础仍不能实现固定于海底的工作状态，则可通过压载及系泊系统预紧力的调整，将其工作状态转换为漂浮式。
2.如权利要求1所述的可伸缩式风机基础，其特征在于，所述的承台结构为柱体结构。
3.如权利要求2所述的可伸缩式风机基础，其特征在于，所述的承台结构中设置压载舱，设备舱室，可伸缩柱组件的存放舱。
4.如权利要求1所述的可伸缩式风机基础，其特征在于，所述的锁紧调节机构采用齿轮齿条结构或环向液压卡钳结构。
5.如权利要求4所述的可伸缩式风机基础，其特征在于，所述的齿轮齿条结构包含：设置在内立柱外壁的齿条，以及设置在外立柱外壁的齿轮，所述的齿条和所述的齿轮相互啮合，当齿轮转动时，内立柱和外立柱之间相互运动，实现可伸缩柱组件的伸展或收缩，当齿轮停止转动并固定不动，则内立柱和外立柱之间锁紧并保持当前的状态。
6.如权利要求4所述的可伸缩式风机基础，其特征在于，所述的环向液压卡钳结构包含：至少两个设置在内立柱和外立柱之间的扇环形卡钳，所述的扇环形卡钳分别接触内立柱的外壁和外立柱的内壁，所述的扇环形卡钳连接液压机构，当液压装置动作，迫使扇环形卡钳挤压内立柱和外立柱，使内立柱和外立柱之间无法产生相互运动，使得内立柱和外立柱之间处于锁紧状态，当液压装置不动作，扇环形卡钳放松，则内立柱可以在外立柱内运动，实现可伸缩柱组件的伸展或收缩。
7.如权利要求1所述的可伸缩式风机基础，其特征在于，当可伸缩式风机基础处于固定式状态下，所述的系泊系统采用张紧式系泊系统；当可伸缩式风机基础处于漂浮式状态下，所述的系泊系统采用张紧式系泊系统或悬链线式系泊系统。
8.如权利要求7所述的可伸缩式风机基础，其特征在于，所述的系泊系统包含：固定设置在所述的承台结构上的锚链储存舱、系泊缆滑轨和导缆孔，以及系泊缆，所述的系泊缆从所述的锚链储存舱中引出，依次经过系泊缆滑轨和导缆孔，沉入水底。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的可伸缩式风机基础，其特征在于，所述的可伸缩式风机基础还包含：软舱和至少一个垂荡板，所述的垂荡板与所述的外立柱固定连接，所述的软舱与所述的内立柱的底部固定连接。
10.一种风机结构，其特征在于，包含如权利要求9所述的可伸缩式风机基础，以及固定设置在可伸缩式风机基础上的风机主体。
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