CN112610426A - 一种海上半潜式风机基础及风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种海上半潜式风机基础及风力发电机组，包括主浮筒、斜撑、横撑和垂荡板，主浮筒设置有多个，主浮筒沿正多边形的顶点位置布置，相邻主浮筒之间通过斜撑和横撑连接，垂荡板同轴设置在主浮筒的底端；主浮筒的横截面和垂荡板均为超椭圆形；主浮筒和垂荡板横截面长轴的延长线均通过正多边形的几何中心采用本发明海上半潜式风机基础主浮筒可有效降低主浮筒与斜撑、横撑连接处的应力集中系数，从而降低主浮筒的厚度，起到漂浮式基础减重的效果。

Description

一种海上半潜式风机基础及风力发电机组
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种海上半潜式风机基础及风力发电机组。
背景技术
随着风能资源开发的不断扩大，尤其在深海处的开发，使得漂浮式风力机的研究备受重视。常用的漂浮式基础有Spar基础、TLP基础和半潜式基础等。国内沿海水深较浅，考虑平台的水深适用性和系泊结构的造价，半潜式风机基础凭其良好的稳定性、可制造性和便于湿拖安装等优点，受到了国内的广泛关注。
通常半潜式平台需要把主浮筒的尺寸设计的较大，依靠大吃水保证垂荡固有周期远大于波浪周期。在半潜式平台主浮筒下放设置垂荡板可以避免平台和波浪产生共振，使平台拥有良好的运动性能。垂荡板提高的附加质量能增大平台的垂荡自振周期，使之远离波能集中频段；而提供的额外阻尼可有效降低平台的动态响应，提高平台的运动性能。
如图1所示，半潜式平台基础主浮筒(1)与横撑(4)、斜撑(3)相连的地方会出现应力局部增大的现象(应力集中)。应力集中能使物体产生疲劳裂纹，也能使脆性材料制成的零件发生静载断裂。工程中采用应力集中系数SCF(Stress Concentration Factor)来表示应力集中的程度，可以通过产生应力集中时的最大应力除以平均应力来计算得到SCF值，并且SCF值大于1。工程经验表明截面尺寸改变愈剧烈，SCF值就愈大。
因此，在设计半潜式漂浮式风机的主浮筒时应尽量避免带直角、尖角的外形，目前基本采用的都是圆柱体的设计方案。然而，根据圆柱设计的主浮筒(1)与横撑(4)、斜撑(3)连接处的SCF值仍然较大，一般可以达到3～5，由于主浮筒(1)的壁厚对SCF值的敏感性很大因此，为了使主浮筒的设计符合强度要求，现有的圆柱设计仍需要对有横撑和斜撑部分的壁厚进行加厚，导致主浮筒的质量变大。
考虑到SCF值的大小直接影响主浮筒与斜撑相连处壁厚的大小，因此，需要设计一种能够在现有工艺水平下降低SCF值的主浮筒结构，以减小壁厚并降低浮式基础的重量。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种海上半潜式风机基础和垂荡板，可降低主浮筒与横撑、斜撑连接处的SCF，并减小基础结构重量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种海上半潜式风机基础，包括主浮筒、斜撑、横撑和垂荡板，主浮筒设置有多个，主浮筒沿正多边形的顶点位置布置，相邻主浮筒之间通过斜撑和横撑连接，垂荡板同轴设置在主浮筒的底端；主浮筒的横截面和垂荡板均为超椭圆形；主浮筒和垂荡板横截面长轴的延长线均通过正多边形的几何中心。
主浮筒的超椭圆形横截面外轮廓线满足下列公式：
Figure BDA0002876064560000021
与主浮筒相连的垂荡板的横截面外轮廓线满足如下公式：
Figure BDA0002876064560000022
其中，x、y分别代表所述轮廓线上的任意一点在局部坐标系x轴和y轴上的坐标值，a1代表主浮筒横截面外轮廓线在x轴上的宽度的1/2值，b1代表所主浮筒横截面外轮廓线在y轴上的高度值；a2代表所述垂荡板横截面外轮廓线在x轴上的宽度的1/2值，b2代表所垂荡板横截面外轮廓线在y轴上的高度值a1/a2＝b1/b2，m1＝n1、m2＝n2且m1、n1、m2以及n2均在[1.50，2.20]区间内。
垂荡板与主浮筒焊接。
垂荡板与主浮筒连接处平滑过渡。
主浮筒的个数为3-6个。
垂荡板的厚度t为25-60mm。
主浮筒和垂荡板的连接处设置加强肋板。
主浮筒、斜撑、横撑和垂荡板的表面均设有防腐蚀层。
一种海上半潜式风力发电机组，采用本发明所述海上半潜式风机基础，塔架设置在基础的中心轴线上，塔架的底部与主浮筒通过斜撑和横撑连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：主浮筒和垂荡板均为椭圆形，采用本发明的海上半潜式风机基础主浮筒和垂荡板设计，可有效降低主浮筒与斜撑、横撑连接处的应力集中系数，减小主浮筒的壁厚，从而减轻主浮筒重量并降低制造成本。
附图说明
下面结合附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的以上和其它特点及优点将变得更加清楚，附图中：
图1本发明示出的半潜式风机基础三维示意图。
图2是示出根据本发明的示例性实施例的超椭圆函数曲线的示意图。
图3本发明示出的半潜式风机基础俯视示意图。
图4本发明示出的半潜式风机基础主浮筒和垂荡板三维示意图。
图5a本发明一种可实施的半潜式风机基础主浮筒和垂荡板主视示意图。
图5b本发明一种可实施的半潜式风机基础主浮筒和垂荡板侧视示意图。
图5c本发明一种可实施的半潜式风机基础主浮筒和垂荡板俯视示意图。
附图中，1-主浮筒，2-塔架，3-斜撑，4-横撑，5-垂荡板。
具体实施方式
下面参照附图更全面的描述本发明的实施例，在附图中示出了本发明的示例性实施例。
参考图3和图4本发明提供一种可降低主浮筒1与横撑4、斜撑3连接处的SCF，并减小结构重量的海上漂浮式风机基础主浮筒和垂荡板；一种海上半潜式风机基础，包括主浮筒1、斜撑3、横撑4和垂荡板5，主浮筒1设置有多个，相邻主浮筒1之间通过斜撑3和横撑4连接，垂荡板5设置在主浮筒1的底端；主浮筒1和垂荡板5均为椭圆形，
主浮筒1的横截面外轮廓线满足下列公式：
Figure BDA0002876064560000041
与主浮筒1相连的垂荡板5的横截面外轮廓线满足如下公式：
Figure BDA0002876064560000042
其中，x、y分别代表所述轮廓线上的任意一点在局部坐标系x轴长轴和y轴短轴上的坐标值，所述局部坐标系为主浮筒1的横截面范围内，以所述横截面中心为原点、以椭圆的长轴为x轴，以短轴为y轴的坐标系，a1代表主浮筒1横截面外轮廓线在x轴上的宽度的1/2值，b1代表所主浮筒1横截面外轮廓线在y轴上的高度值；a2代表所述垂荡板5横截面外轮廓线在x轴上的宽度的1/2值，b2代表所垂荡板5横截面外轮廓线在y轴上的高度值。
主浮筒1的个数为3-6个。
主浮筒1沿正多边形的顶点位置布置；主浮筒1和垂荡板5横截面长轴的延长线均通过正多边形的几何中心。
垂荡板5与主浮筒1连接处平滑过渡，可以是主浮筒1的下端设为喇叭口，主浮筒下端面与垂荡板1焊接。
垂荡板5的厚度t为25-60mm。
作为可选的实施例，主浮筒1和垂荡板5的连接处设置加强肋板。
主浮筒1、斜撑3、横撑4和垂荡板5的表面均设有防腐蚀层。
本发明在实施中，将所述海上半潜式风机基础用于海上半潜式风力发电机组，塔架2的底部与基础连接，塔架2设置在基础的中心轴线上，塔架2与主浮筒1通过斜撑3和横撑4连接。
本发明提供一种海上漂浮式风机基础主浮筒和垂荡板，海上半潜式风机基础主浮筒1和垂荡板5，主浮筒1的横截面外轮廓线满足下列公式：
Figure BDA0002876064560000043
与主浮筒1相连的垂荡板5的横截面外轮廓线满足如下公式：
Figure BDA0002876064560000051
其中，x、y分别代表所述轮廓线上的任意一点在局部坐标系x轴(长轴)和y轴(短轴)上的坐标值，a1代表所述主浮筒1横截面外轮廓线在x轴上的宽度的1/2值，b1代表所主浮筒1横截面外轮廓线在y轴上的高度值；a2代表所述垂荡板5横截面外轮廓线在x轴上的宽度的1/2值，b2代表所垂荡板5横截面外轮廓线在y轴上的高度值。在所述主浮筒满足的公式中，a1/a2＝b1/b2，m1＝n1、m2＝n2且均满足在[1.50,2.20]的区间内。
本发明通过对开设于海上半潜式风机基础主浮筒1和垂荡板5的形状进行形状优化，以使应力尽可能地小，从而达到减小SCF值的目的。
以所述主浮筒和垂荡板的横截面外轮廓线以中心O’为原点建立直角坐标系XO’Y，水平轴和竖直轴分别定义为X轴和Y轴。
在此，如图2所示为超椭圆函数，表达式如下所示：
(x/a)m+(y/b)n＝1
超椭圆函数式是基于椭圆函数提出的一种新的形状函数式，通过两个变量m和n能够绘出包括椭圆在内的一族曲线。根据超椭圆函数式绘出的曲线称为超椭圆曲线。当m＝n＝2时，超椭圆曲线退化为椭圆曲线；当m＝n＝1时，超椭圆曲线退化为直线。由于引入了变量m和n，使得设计域的范围变大，通过设置合适的m和n值来实现减小SCF值的目的。
在m和n分别满足：1.50≤m≤2.20，1.50≤n≤2.20时，根据上述形状函数式1设计出的主浮筒可有效地减小应力集中系数SCF，从而减小主浮筒位置处的塔架厚度，减轻塔架的总体重量，降低生产成本。
如果m和n在上述范围之外，则无法实现上述效果。详细地，在m和n小于1.50的情况下，主浮筒的形状趋近于菱形，使得主浮筒具有明显的尖的棱角，使得对应位置的应力集中系数SCF变大，导致所述对应位置的主浮筒壁厚增大，主浮筒的总体重量增加，生产成本增加。在m和n大于2.20的情况下，主浮筒的形状趋近于具有拐角的矩形，使得对应位置的应力集中系数SCF变大，导致所述对应位置的主浮筒壁厚增大，主浮筒的总体重量增加，生产成本增加。
采用上述的超椭圆函数的主浮筒的参数，将根据本发明的采用超椭圆函数式设计的主浮筒与现有的采用标准圆设计的主浮筒进行比较。具体地，根据本发明的主浮筒形状利用m1＝1.80，n1＝1.90时的超椭圆函数式设计而成，现有的圆柱主浮筒形状利用标准椭圆函数式设计(m＝2，n＝2)而成。
下面的表1示出了根据本发明的采用超椭圆函数式设计的主浮筒与现有的采用标准椭圆函数式设计的主浮筒的SCF计算结果。
表1
Figure BDA0002876064560000061
由此可见，相比于现有的采用标准椭圆函数式设计的主浮筒，根据本发明的采用超椭圆函数式设计的主浮筒使最大应力集中系数降低了7.19％。从结果来看，相比传统标准椭圆形状的主浮筒，根据本发明的超椭圆形状的主浮筒会更有利于减小应力集中系数SCF。因此，在现有工艺条件下，采用超椭圆函数对主浮筒形状进行优化设计，可以有效降低SCF值，从而降低主浮筒的厚度，起到漂浮式基础减重的效果。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (9)

1.一种海上半潜式风机基础，其特征在于，包括主浮筒(1)、斜撑(3)、横撑(4)和垂荡板(5)，主浮筒(1)设置有多个，主浮筒(1)沿正多边形的顶点位置布置，相邻主浮筒(1)之间通过斜撑(3)和横撑(4)连接，垂荡板(5)同轴设置在主浮筒(1)的底端；主浮筒(1)的横截面和垂荡板(5)均为超椭圆形；主浮筒(1)和垂荡板(5)横截面长轴的延长线均通过正多边形的几何中心。
2.根据权利要求1所述的海上半潜式风机基础，其特征在于，主浮筒(1)的超椭圆形横截面外轮廓线满足下列公式：
Figure FDA0002876064550000011
与主浮筒(1)相连的垂荡板(5)的横截面外轮廓线满足如下公式：
Figure FDA0002876064550000012
其中，x、y分别代表所述轮廓线上的任意一点在局部坐标系x轴和y轴上的坐标值，a1代表主浮筒(1)横截面外轮廓线在x轴上的宽度的1/2值，b1代表所主浮筒(1)横截面外轮廓线在y轴上的高度值；a2代表所述垂荡板(5)横截面外轮廓线在x轴上的宽度的1/2值，b2代表所垂荡板(5)横截面外轮廓线在y轴上的高度值a1/a2＝b1/b2，m1＝n1、m2＝n2且m1、n1、m2以及n2均在[1.50，2.20]区间内。
3.根据权利要求1所述的海上半潜式风机基础，其特征在于，垂荡板(5)与主浮筒(1)焊接。
4.根据权利要求1所述的海上半潜式风机基础，其特征在于，垂荡板(5)与主浮筒(1)连接处平滑过渡。
5.根据权利要求1所述的海上半潜式风机基础，其特征在于，主浮筒(1)的个数为3-6个。
6.根据权利要求1所述的海上半潜式风机基础，其特征在于，垂荡板(5)的厚度t为25-60mm。
7.根据权利要求1所述的海上半潜式风机基础，其特征在于，主浮筒(1)和垂荡板(5)的连接处设置加强肋板。
8.根据权利要求1所述的海上半潜式风机基础，其特征在于，主浮筒(1)、斜撑(3)、横撑(4)和垂荡板(5)的表面均设有防腐蚀层。
9.一种海上半潜式风力发电机组，其特征在于，采用权利要求1所述海上半潜式风机基础，塔架(2)设置在基础的中心轴线上，塔架(2)的底部与主浮筒(1)通过斜撑(3)和横撑(4)连接。
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CN113202698A (zh) * 2021-05-26 2021-08-03 海南浙江大学研究院 一种偏心型半潜式漂浮风机基础的实现方法
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