CN112539140A - 一种软刚臂系泊的多风机浮式系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，旋转塔台设在固定结构上并可绕固定结构的铅直轴线自由旋转，轭架的前端通过万向节与旋转塔台连接、后端通过万向节与系泊腿的底端铰接，在轭架上设有压载重物，系泊腿的顶部通过万向节和止推轴承连接在系泊支架的前端，系泊支架固定于浮式风机基础的前端，动态电缆安装在浮式风机基础与旋转塔台之间，在浮式风机基础的后端设有两根风机塔架，在每个风机塔架的顶部各自设有一个风电机组。该系统的结构简单，运行稳定，投资建设成本低，浮式基础约束力强，可限制浮式风机在环境载荷下的运动，使得浮式风机具有稳定地从风性，进而提高发电效率。

Description

一种软刚臂系泊的多风机浮式系统

技术领域

本发明属于海洋可再生能源领域，具体涉及一种采用软刚臂系泊的浅水多风机浮式系统。

背景技术

经过30年的发展与探索，海洋风电技术日益进步且海洋风场开发成本日益降低，海洋风电开发已经成为当下新能源技术开发和利用的主要形式之一。海洋可利用空间较陆地更具有潜力，加之海洋风能资源较陆地更为丰富且稳定，且海洋风电场通常离岸较远，视觉污染几乎可以忽略，因此海洋风电在未来依然具有较为广阔的发展空间。

目前，海洋风机正朝着大型化、大功率化、批量化及深水方向发展，大型化及大功率化的发展方向要求风机基础有足够的强度来支撑，因此对风机基础的设计及海上安装提出了更高的挑战。深水海洋风电发展方向则会对基础的强度及成本控制均带来挑战。

传统的固定式风机基础包括单桩式及导管架式等，是目前进行海上风电开发时常用的基础形式。当风机朝着大型化发展且水深增加，固定式风机基础的尺寸也将随之变大，进而会增加风电基础的建设成本及安装费用。

浮式风电基础能够较好适应风机大型化及水深增加的趋势，但浮式风电的基础及系泊方案仍需进一步优化以控制海上风机的开发成本。目前，浮式风机应用水深为几十米至一百米，浮式基础在浅水波浪中运动较大，传统悬链线式系泊缆在浅水中需要很大的长度才能提供浮式基础所需的回复力，且需要强度极高、数量较多的系泊缆来约束浮式风机的运动，这种系泊系统的投资建设成本过于高昂。

因此，亟需提供一种适用于浅水浮式风机的新型浮式基础设计，并通过配备高效、简单的定位系统形式来解决传动系泊系统的弊端。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，浮式风机基础为风电机组提供所需浮力，浮式风机基础通过软刚臂机构绕一个固定结构旋转，使浮式风机具有从风性；该系统可限制浮式风机在环境荷载作用下的运动，保证浮式风机在服役期间能够平稳漂浮于海上。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，包括依次连接设置的旋转塔台、轭架、系泊腿、系泊支架、浮式风机基础和风电机组；

旋转塔台设在固定结构上并可绕固定结构的铅直轴线自由旋转，轭架的前端通过万向节与旋转塔台连接、后端通过万向节与系泊腿的底端铰接，在轭架上设有压载重物，系泊腿的顶部通过万向节和止推轴承连接在系泊支架的前端，系泊支架与浮式风机基础的前端固定相连，动态电缆安装在浮式风机基础与旋转塔台之间，在浮式风机基础的后端设有两根风机塔架，在每根风机塔架的顶部各自设有一个风电机组。

进一步地，浮式风机基础由立柱和水平浮箱组成，立柱的截面形状为正方形；四个立柱在俯视面内呈梯形排列，立柱在铅直面内向外侧斜向延伸，四个立柱间用水平浮箱连接。

进一步地，风电机组选用下风式风机，风电机组包括机舱和叶片，三个叶片环周均布在与机舱连接的水平轴上，风电机组与风机塔架之间固定连接。

进一步地，风机塔架为斜向延伸的塔架结构，与风机塔架连接的立柱的延伸方向与其上各自连接的风机塔架的延伸方向一致，风机塔架顶部垂直向上延伸连接机舱。

进一步地，两个风机塔架顶部之间通过塔架横撑连接。

进一步地，在风机塔架上设置斜撑时，斜撑一端与风机塔架的顶端固定连接、另一端固定在浮式风机基础前侧相应一端的立柱上。

进一步地，轭架为箱型结构，压载重物置于其内部，压载重物为压载水或其他固体压载物。

进一步地，固定结构为导管架式结构，其通过桩基固定于海底。

进一步地，连接轭架与旋转塔台的万向节可释放沿其轴向的两个转动自由度，轭架前端既可上下方向转动，也沿着其中心轴线左右两侧转动；

连接轭架与系泊腿的万向节具有两个方向转动自由度，系泊腿可在前后方向与左右方向上均发生转动；

连接系泊腿和系泊支架的万向节及止推轴承具有三个方向转动自由度，系泊腿顶部可绕系泊支架做前后方向、左右方向及绕自身轴线方向的转动。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1.本发明公开的软刚臂系泊的多风机浮式系统的结构简单，运行稳定，投资建设成本低，浮式基础约束力强，可限制浮式风机在环境载荷下的运动，轭架处的压载重物的重力给主浮式机构提供了回复力，使得浮式风机具有稳定地从风性，保证整个多风机浮式系统能够在服役期间平稳漂浮于海面上；

2.本发明采用的风电机组为下风式风机，且风机与风机塔架之间不设置转子，而是利用包括系泊支架、系泊腿、轭架在内组成的软刚臂与固定结构上的旋转塔台连接，在风力作用下转动，可使风机始终处于迎风面，提高发电效率；

3.本发明引入一浮体双风机概念，提高单座浮体的发电效率，减小海上风电成本；

4.本发明利用塔架横撑将两个风机连接为一体，进一步提高双台风机的对风一致性，同时增加整座浮式风机的风载荷比例，使风机被动从风性能更好；

5.浮式风机可绕固定结构旋转，使浮式风机始终对着迎风/浪向，通过进一步优化浮式结构，减小其尺寸和所受波浪力，软刚臂系泊系统尺寸与成本有望得到进一步降低；

6.固定结构可以高于海面，也可低于海面，通过优化设计，减小固定结构的尺寸，可进一步降低固定结构的制造成本；

7.本发明公开的软刚臂系泊系统可采用普通钢材进行制造，也可通过现有导管架结构或者单桩结构进行改造，再加装软刚臂系统完成组装，制备方案更加灵活；

8.外输电缆可跨接至固定结构顶端，再通过固定结构连接至海底外输电缆，因此可以减少动态电缆在海水中的自由段，缩减动态电缆的成本；

9.本发明公开的的软刚臂系泊系统可降低单台风机的占海面积，进一步节省开发成本；

10.基于固定式的软刚臂塔架，本发明可外接人工渔业养殖系统、波浪能及潮汐能发电系统等，进一步提高项目整体经济性和适用范围。

附图说明

图1为一种软刚臂系泊的多风机浮式系统的轴侧结构示意图；

图2为一种软刚臂系泊的多风机浮式系统的俯视示意图；

图3为图1所示一种软刚臂系泊的多风机浮式系统在未连接风电机组情况下的结构示意图；

图4为图1所示一种软刚臂系泊的多风机浮式系统在未连接风电机组情况下的主视示意图。

其中，1-旋转塔台，2-轭架，3-系泊腿，4-系泊支架，5-浮式风机基础，6-风电机组，7-固定结构，8-动态电缆，9-风机塔架，10-塔架横撑，11-斜撑；

51-立柱，52-水平浮箱；

61-机舱，62-叶片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

需要说明的是本发明所提供的实施例仅是为了对本发明的技术特征进行有效的说明，所述的左侧、右侧、上端、下端等定位词仅是为了对本发明实施例进行更好的、更清楚的描述，不能看作是对本发明技术方案的限制。

为了改进传统风机浮式系泊系统存在的不能适应当前大型化、深水化等发展需求上的不足，在保证发电效率的基础上进一步降低投资建设成本，本实施方式中提供一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，包括依次连接设置的旋转塔台1、轭架2、系泊腿3、系泊支架4、浮式风机基础5和风电机组6，旋转塔台1设在固定结构7上并可绕固定结构7的铅直轴线自由旋转，当风电机组6与浮式风机基础5的迎风面与下风向之间有夹角时，浮式风机基础5将通过旋转塔台1绕固定结构7转动，直至风机与浮式风机基础5迎风面处于下风向；轭架2的前端通过万向节与旋转塔台1连接、后端两个端头处分别通过万向节与一条系泊腿3的底端铰接，在轭架上设有压载重物，系泊腿3的顶部通过万向节和止推轴承连接在系泊支架4的前端，系泊支架4与浮式风机基础5的前端固定相连，动态电缆8安装在浮式风机基础5与旋转塔台1之间，在浮式风机基础5的后端设有两根风机塔架9，在每根风机塔架9的顶部各自设有一个风电机组6。

由于软刚臂系泊的良好定位特性，风电机组6的数量并不做具体限制，本实施方式中设置了两个风电机组，但是一个浮式风机基础5上也可只支撑一台风机，两个风电机组6的设计会在发电效率上有更佳的优越性，但具体数量上的不同不应看做是对本技术方案的限制，均应包含在本技术方案的保护范围之内。

浮式风机基础5由立柱51和水平浮箱52组成，立柱51的截面形状不做限制，可为圆形、正方形或其他几何形状，但是作为优选，本实施方式中设定的立柱51的截面形状为正方形；四个立柱51在俯视面内可呈方形、矩形、三角形（四个立柱分别位于三角形的三个顶点及中心点位置）和梯形排列，具体排列形式不做限制，但是作为优选，本实施方式中设定的四个立柱51在俯视面内的排布形状为梯形；立柱51在铅直面内向外侧斜向延伸，四个立柱51间用水平浮箱52连接，水平浮箱52用于提供浮式风机所需的浮力和稳性，在符合设计使用要求的情况下，水平浮箱52也可用桁架代替。

风电机组6可选上风式风机或下风式风机，本实施方式中优选下风式风机，风电机组6的结构为现有技术，主要是包括机舱61和叶片62，三个叶片62环周均布在与机舱61连接的水平轴上，风电机组6与风机塔架9之间可设置转子也可不设转子，本实施方式中优先选择固定连接的方式，即不设置转子，风电机组6与浮式风机基础5在风力作用下，通过旋转塔台1绕固定结构7旋转，使风机始终处于迎风面，有助于提高风机发电效率。

风机塔架9为斜向延伸的塔架结构，与风机塔架9连接的立柱51的延伸方向与其上各自连接的风机塔架9的延伸方向一致，风机塔架9顶部垂直向上延伸连接机舱61。

两个风机塔架9顶部之间通过塔架横撑10连接，将两个风机塔架9连接为一体，可提高两个风电机组6的运动一致性。

当风机塔架9的结构强度不足时可考虑增设斜撑11，设置斜撑11时，斜撑11一端与风机塔架9的顶端固定连接、另一端固定在浮式风机基础5前侧相应一端的立柱51上。

系泊支架4为桁架式的金属结构，系泊支架4需向浮式风机基础5前端伸出一定距离。

轭架2为箱型结构，压载重物置于其内部，压载重物为压载水或其他固体压载物；或者也可利用简易的杆件结构制备轭架2，将固体压载物吊挂在轭架的后端，同类型设计均可适用，主要是要能为系泊风机提供系泊回复力。

固定结构7为导管架式结构，其通过桩基固定于海底，固定结构7为单桩式结构或系泊浮筒式结构，固定结构7顶部可高出海平面设置也可低于海平面设置，通过优化设计，减小固定结构7的尺寸，可进一步降低固定结构7的制造成本。

连接轭架2与旋转塔台1的万向节可释放沿其轴向的两个转动自由度，即轭架2前端既可上下方向转动，也沿着其中心轴线左右两侧转动。

连接轭架2与系泊腿3的万向节具有两个方向转动自由度，即系泊腿3可在前后方向与左右方向上均发生转动。

连接系泊腿3和系泊支架4的万向节及止推轴承具有三个方向转动自由度，即系泊腿3顶部可绕系泊支架做前后方向、左右方向及绕自身轴线方向的转动，止推轴承可承受系泊腿3传递的轴向力。

上述软刚臂系泊的多风机浮式系统的工作原理如下：风电机组6在额定风速下运行发电，同时风电机组6、浮式风机基础5连同系泊支架4及轭架2在风、海浪作用下绕固定结构7旋转，使风机转动平面与风向垂直且处于下风面，从而使风机具有从风性且提高发电效率；浮式风机基础5在风、浪、海流作用下运动，连带系泊支架4一同运动，进而带动系泊支架4拽动轭架2；轭架2后段配有压载重物，压载重物在重力作用下，由于惯性及固定结构在水平向的约束从而限制系泊支架4的运动，为浮式风机提供系泊回复力，最终达到抑制浮式风机运动的效果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，其特征在于，包括依次连接设置的旋转塔台（1）、轭架（2）、系泊腿（3）、系泊支架（4）、浮式风机基础（5）和风电机组（6）；

旋转塔台（1）设在固定结构（7）上并可绕固定结构（7）的铅直轴线自由旋转，轭架（2）的前端通过万向节与旋转塔台（1）连接、后端通过万向节与系泊腿（3）的底端铰接，在轭架上设有压载重物，系泊腿（3）的顶部通过万向节和止推轴承连接在系泊支架（4）的前端，系泊支架（4）与浮式风机基础（5）的前端固定相连，动态电缆（8）安装在浮式风机基础（5）与旋转塔台（1）之间，在浮式风机基础（5）的后端设有两根风机塔架（9），在每根风机塔架（9）的顶部各自设有一个风电机组（6）。

2.如权利要求1所述的一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，其特征在于，浮式风机基础（5）由立柱（51）和水平浮箱（52）组成，立柱（51）的截面形状为正方形；四个立柱（51）在俯视面内呈梯形排列，立柱（51）在铅直面内向外侧斜向延伸，四个立柱（51）间用水平浮箱（52）连接。

3.如权利要求2所述的一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，其特征在于，风电机组（6）选用下风式风机，风电机组（6）包括机舱（61）和叶片（62），三个叶片（62）环周均布在与机舱（61）连接的水平轴上，风电机组（6）与风机塔架（9）之间固定连接。

4.如权利要求3所述的一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，其特征在于，风机塔架（9）为斜向延伸的塔架结构，与风机塔架（9）连接的立柱（51）的延伸方向与其上各自连接的风机塔架（9）的延伸方向一致，风机塔架（9）顶部垂直向上延伸连接机舱（61）。

5.如权利要求4所述的一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，其特征在于，两个风机塔架（9）顶部之间通过塔架横撑（10）连接。

6.如权利要求5所述的一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，其特征在于，在风机塔架（9）上设置斜撑（11），斜撑（11）一端与风机塔架（9）的顶端固定连接、另一端固定在浮式风机基础（5）前侧相应一端的立柱（51）上。

7.如权利要求6所述的一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，其特征在于，轭架（2）为箱型结构，压载重物置于其内部，压载重物为压载水或其他固体压载物。

8.如权利要求7所述的一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，其特征在于，固定结构（7）为导管架式结构，其通过桩基固定于海底。

9.如权利要求8所述的一种软刚臂系泊的多风机浮式系统，其特征在于，连接轭架（2）与旋转塔台（1）的万向节可释放沿其轴向的两个转动自由度，轭架（2）前端既可上下方向转动，也沿着其中心轴线左右两侧转动；

连接轭架（2）与系泊腿（3）的万向节具有两个方向转动自由度，系泊腿（3）可在前后方向与左右方向上均发生转动；

连接系泊腿（3）和系泊支架（4）的万向节及止推轴承具有三个方向转动自由度，系泊腿（3）顶部可绕系泊支架做前后方向、左右方向及绕自身轴线方向的转动。

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