CN112879237B - 一种顺应型漂浮式风机基础和风机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种顺应型漂浮式风机基础，包括：多个边浮筒、中间浮筒、轴承、系泊锚链；所述中间浮筒为中空的柱状结构，轴承套设在中间浮筒上，轴承的内圈与中间浮筒固定连接且无相对转动，轴承的外圈与中间浮筒相对转动；多个所述边浮筒中空的柱状结构，该些边浮筒沿着中间浮筒的周向均匀分布，每个边浮筒通过一桁架与所述轴承的外圈表面固定连接，该些边浮筒与桁架随着轴承外圈的转动随之转动；多个所述边浮筒的底部设有若干根系泊锚链。本发明可以有效释放风浪不同向造成的塔底与基础交界面的扭矩；提高结构抵抗载荷的效率，减少用钢量，简化建造运维的复杂程度，节约成本。

Description

一种顺应型漂浮式风机基础和风机系统

技术领域

本发明涉及海上风力发电领域，具体涉及一种顺应型漂浮式风机基础。

背景技术

随着人类对海上风电开发日益加大，近海风资源日渐将尽，深远海已是目前以及未来海上风电开发的重点。对于深远海，漂浮式风机几乎是唯一的技术选择。现有的几种典型漂浮式风机基础主要包括张力腿式(TLP)、立柱式(Spar)、以及半潜式(SEMI)。其中半潜式基础(SEMI)适应水深范围广，建造运输方便，安装锚定灵活性度高，通用性强，被普遍认为是开发海上风电资源的重要漂浮式基础形式。

半潜式风机浮式基础主要由立柱、横梁、斜撑、压水板、系泊系统和锚固基础组成。目前，欧美已设计了多款半潜型漂浮式风机基础。例如：

Tri-Floater是由GustoMSC公司设计并推出的海上浮式风机基础方案，该方案是一种三立柱的半潜式结构，风机塔架位于浮体结构顶部中心位置。

OC4-DeepCwind是美国可再生能源实验室提出的一种半潜浮式风机概念设计基本思想。该方案每个边浮筒由上浮筒和下浮筒组成，下浮筒不仅提供浮力，而且起着垂向制荡板作用，塔筒与中间浮筒相连，横撑和斜撑连接中间浮筒和边浮筒。

美国PPI公司提出一种半潜式漂浮风机基础WindFloat，该基础是由三个立柱组成的半潜结构，塔筒与其中一个立柱相连，立柱之间通过横撑和斜撑连接。通过主动压载系统实现立柱之间排水和压水以补偿风速大小和方向的变化引起的风机运动。

IDEOL公司设计了一种带阻尼池的半潜型浮式风机基础Damping-pool，该型基础由回字型的浮筒和三点系泊系统组成，在回字型基础的一个侧边安装风机塔架，其他三个边均为浮筒结构，风机运营过程中的姿态可通过浮筒结构内部的压载及系泊锚链系统来控制。

首先，对于海上漂浮式风机基础系统，塔底与基础交界面处的载荷一直都是设计者比较关注的问题。塔底与基础交界处的载荷主要体现为弯矩、扭矩、以及轴向载荷。其中的扭矩主要是由于环境条件比较恶劣，风浪不同向，以及偏航造成的。如何使得塔底与基础交界面处的结构可以承受相应的载荷，一直是设计重点。而现有的基础形式，都是通过增加结构尺寸，或者增加额外的加强结构满足载荷要求。现有的设计方式有如下问题：

1)传统的结构尺寸增加以及结构加强的方法抵抗扭矩载荷的效率并不高；

2)增大结构厚度或者尺寸造成了用钢量的增加，使得成本提高；

3)额外的结构加强使得结构更加复杂，增加了建造和运维难度。

其次，随着海上漂浮式基础向更远海域发展，环境条件愈加恶劣，这会对现有的漂浮式风机基础系统造成了非常大的影响：

1)风浪载荷大小的增大、风浪载荷夹角的增大，都会造成塔底与基础截面处的扭矩增大，如何抵抗此处载荷成为设计者必须要面对的问题；

2)下部波浪载荷使得漂浮式基础相应于波浪方向上的运动，基础的这个运动会带动上部风机产生运动。由于风浪不同向，这个运动与风机的迎风面有夹角，这会影响风机的发电效率，还会给控制、偏航系统带来更大的压力。

最后，伴随着平价上网的发展趋势，风机不断朝更大型的方向发展，风机自身尺寸和重量的增加，会造成漂浮式风机系统载荷的增加，如何提高结构抵抗载荷的效率在设计中显得尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明旨在提出一种顺应型漂浮式风机基础，包括：多个边浮筒、中间浮筒、轴承；

所述中间浮筒为中空的柱状结构，轴承套设在中间浮筒上，轴承的内圈与中间浮筒固定连接且无相对转动，轴承的外圈与中间浮筒连接且可相对转动；

多个所述边浮筒均沿着中间浮筒的周向分布，每个边浮筒与所述轴承的外圈表面固定连接，该些边浮筒随着轴承外圈的转动随之转动。

优选地，各个所述边浮筒为中空的柱状结构；

优选地，各个所述边浮筒通过一桁架与所述轴承的外圈表面固定连接，该些边浮筒通过桁架随着轴承外圈的转动随之转动。

优选地，多个边浮筒的内部设有若干个沿竖直方向或沿水平方向排列的隔舱，隔舱均为独立空间。

优选地，边浮筒的数量至少为4个。

优选地，所述中间浮筒、边浮筒的材质为钢铁，其结构为圆筒形结构。

优选地，每个所述桁架的两端通过焊接方式分别与边浮筒、轴承固定连接。

优选地，所述桁架由若干钢质杆件构成。

优选地，所述轴承为顺应式旋转轴承，中间浮筒与轴承的连接方式为带有预应力的紧箍方式，即当轴承与中间浮筒之间的相互旋转力矩大于某一设定值时，两者可以产生相对旋转运动。

优选地，每个所述边浮筒的底部设有至少一根系泊锚链。

进一步地，本发明提供一种顺应型漂浮式风机系统，包含上述的风机基础、塔筒、风机；所述风机基础的中间浮筒的顶部与塔筒的底部固定连接，塔筒的顶部设置有一风机，所述风机基础的边浮筒通过轴承能够相对塔筒做转动。

本发明具有以下有益效果：

1.可以有效释放风浪不同向造成的塔底与基础交界面的扭矩；

2.减少风浪不同向造成的风机跟随基础的运动，提高风机发电功率的稳定性；

3.可以提高结构抵抗载荷的效率，减少用钢量，简化建造运维的复杂程度，节约成本。

特别说明的是，本发明对于环境条件更复杂、更大型漂浮式风力发电机系统，优势更为突出。

附图说明

图1为本发明的顺应型漂浮式风机基础总体结构示意图；

图2为本发明的顺应型漂浮式风机基础的局部结构图。

附图标记说明：

风机1

塔筒2

边浮筒3

中间浮筒4

轴承5

桁架6

水平面7

系泊锚链8

海床9

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种顺应型漂浮式风机基础作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

如图1-2所示，为本发明提供的一种顺应型漂浮式风机基础和风机系统，该实施例中的风机基础包括：4个边浮筒3、中间浮筒4、轴承5、系泊锚链8；

所述中间浮筒4为中空的柱状结构，所述轴承5套设在中间浮筒4上，轴承5的内圈与中间浮筒4固定连接且无相对转动，轴承5的外圈与中间浮筒4连接且可相对转动；其中所述轴承5为顺应式旋转轴承，中间浮筒4与轴承5的连接方式为带有预应力的紧箍方式，即当轴承5与中间浮筒4之间的相互旋转力矩大于某一设定值时，两者可以产生相对旋转运动。

所述边浮筒为3中空的柱状结构，该些边浮筒3沿着中间浮筒4的周向分布，每个边浮筒3通过一桁架6与所述轴承5的外圈表面固定连接，该些边浮筒3与桁架6随着轴承5外圈的转动随之转动。

其中，所述的中间浮筒4以及各个边浮筒3浮在水平面7上，整个风机基础浮在水平面7上。每个边浮筒3的底部均设有系泊锚链8，所述系泊锚链8与海床9连接，用于将所述风机基础固定在海床9的上方。

进一步，所述风机基础的顶端与塔筒2的底部固定连接，具体地，风机基础的中间浮筒4的顶部与塔筒2利用法兰固定连接，塔筒2的顶部固定设置有一风机1，所述风机基础与塔筒2以及风机1组成一个完整的海上漂浮式风机系统。其中，所述中间浮筒4不仅为风机系统提供浮力，同时可直接承受上部塔筒2传递的载荷。

由于该风机基础的边浮筒3与塔筒2之间能够实现相对的旋转运动，因此可以释放由于风浪方向不一致造成的塔筒2底部与风机基础水平截面之间过大的扭矩；另一方面，当风浪不同向时，由于风机基础的边浮筒3与塔筒2之间可以有相对旋转运动，风浪不同向产生的扭矩由边浮筒3的旋转运动释放，因此塔筒2以及风机1不会跟随漂浮式风机基础一并旋转，进而提高风机1在恶劣环境中发电效率的稳定性，同时还可以减轻控制系统、偏航系统的压力。

更进一步，边浮筒3的内部沿竖直方向或者沿水平方向均可设置若干个隔舱，每个隔舱均为独立的空间，隔舱的设计可以有效防止因漏水问题造成的风机基础倾覆。该些边浮筒3还可以作为压载水舱用于调整基础的浮力，通过控制水舱的进排水量来改变压载重量，因此，边浮筒3不仅可为风机系统提供浮力，还可为风机系统提供抗倾覆力矩。

优选地，所述中间浮筒4、边浮筒3的材质为钢铁，其结构为圆筒形结构。

优选地，每个所述桁架6的两端通过焊接方式分别与边浮筒3、轴承5的外圈表面固定连接。

优选地，所述桁架6由若干钢质杆件构成。

综上所述本发明可以有效释放风浪不同向造成的塔底与基础交界面的扭矩；减少风浪不同向造成的风机跟随基础的运动，提高风机发电功率的稳定性；可以提高结构抵抗载荷的效率，减少用钢量，简化建造运维的复杂程度，节约成本；本发明对于环境条件更复杂、更大型漂浮式风力发电机系统，优势更为突出。

最后，该风机基础结构采用四边浮筒形式的基础，边浮筒内设置隔舱，避免了传统三浮筒结构出现浮筒破损时结构的不稳定性问题。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 (11)

1.一种顺应型漂浮式风机基础，其特征在于，包括：多个边浮筒(3)、中间浮筒(4)、轴承(5)；

所述中间浮筒(4)为中空的柱状结构，所述轴承(5)套设在中间浮筒(4)上，轴承(5)的内圈与中间浮筒固定连接且无相对转动，轴承(5)的外圈与中间浮筒(4)相对转动；

多个所述边浮筒(3)沿着中间浮筒(4)的周向分布，每个边浮筒(3)与所述轴承(5)的外圈表面固定连接，该些边浮筒(3)随着轴承(5)的外圈的转动随之转动；

所述轴承(5)为顺应式旋转轴承，中间浮筒(4)与轴承(5)的连接方式为带有预应力的紧箍方式，即当轴承(5)与中间浮筒(4)之间的相互旋转力矩大于某一设定值时，两者可以产生相对旋转运动。

2.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，每个所述边浮筒(3)通过一桁架(6)与所述轴承(5)的外圈表面固定连接。

3.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述边浮筒(3)为中空的柱状结构。

4.如权利要求3所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述边浮筒(3)的内部设有若干个隔舱，隔舱均为独立空间。

5.如权利要求4所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述隔舱沿竖直方向或者沿水平方向排列。

6.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述边浮筒(3)的数量至少为4个。

7.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述中间浮筒(4)、边浮筒(3)的材质为钢铁，结构为圆筒形结构。

8.如权利要求2所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述桁架(6)的两端通过焊接方式分别与所述边浮筒(3)、轴承(5)固定连接。

9.如权利要求2所述的漂浮式风机基础，其特征在于，所述桁架(6)由若干钢质杆件构成。

10.如权利要求1所述的漂浮式风机基础，其特征在于，每个所述边浮筒(3)的底部设置有至少一根系泊锚链(8)。

11.一种顺应型漂浮式风机系统，其特征在于，包含如权利要求1～10中任一项所述的风机基础、塔筒(2)、风机(1)；所述风机基础的中间浮筒(4)的顶部与塔筒(2)的底部固定连接，塔筒(2)的顶部设置有一风机(1)，所述风机基础的边浮筒(3)通过轴承(5)能够相对塔筒(2)转动。

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