CN113718824A - 具有消能结构的海上风电防冲刷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有消能结构的海上风电防冲刷装置，海上风电防冲刷装置包括桩基础和套筒，桩基础包括在其轴向上相互连接的第一部分和第二部分，第二部分埋入海床中，海床具有海床面，第一部分位于海床面上方，套筒套设在第一部分上且其底部支撑在海床面上，套筒上设有消能结构，消能结构包括从套筒的外周面向外突出的消能件和/或贯穿套筒的周壁的消能孔，套筒的外周面包括朝向潮流方向的正面、与正面相对的背面以及两个侧面，消能结构至少设在正面和背面上。本发明的海上风电防冲刷装置具有结构简单、抗潮流冲击能力强、使用寿命长等优点。

Description

具有消能结构的海上风电防冲刷装置

技术领域

本申请涉及新能源技术领域，尤其是涉及一种具有消能结构的海上风电防冲刷装置。

背景技术

风能作为一种清无害的可再生能源，日益受到人类重视。其中相对于陆地风能而言，海上风能资源不仅具有较高的风速，而且距离海岸线较远，不受噪音限值的影响，允许机组制造更为大型化。

海上风电基础是支撑整个海上风力机的关键所在，成本约占整个海上风电投资的20％至25％，而海上风力发电机发生的事故多为桩基基础不稳造成的。由于波浪和潮流的作用，海上风电桩基基础周围的泥沙将会发生冲刷并形成冲坑，冲刷坑将会对桩基基础的稳定性产生影响。此外，在海床表面附近夹杂着泥沙的水流不断冲刷着桩基基础，腐蚀破坏桩基基础表面，严重时会造成海上风力机机组的坍塌。目前采用的海上风电桩基基础的防冲刷装置，主要为抛石防护法。但是抛石防护的整体性较差，运用过程中的维护费用和工作量较大。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

由于海浪和潮汐的作用，在海上风电桩基础周围会发生冲刷坑的现象。冲刷现象是一个复杂的耦合过程，涉及水流、沉积物和结构的相互作用。导致冲刷的主要原因是在桩基周围产生的马蹄形漩涡，马蹄形漩涡是由于海水流动时遇到桩基础阻碍而产生的，浪流在冲向桩基础时，呈现向下的卷掘旋涡结构，旋涡结构将海床上的沉积物卷升起来，并进一步将其带远离桩基周围的地方，形成了冲刷坑，冲刷坑的形成使得桩基础深度变浅，造成筒振动频率降低，轻则造成桩基础过度疲劳，严重时则引起折断事故。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种结构简单、成本低廉、具有良好的防冲刷性能的海上风电防冲刷装置。

根据本发明实施例的具有消能结构的海上风电防冲刷装置包括桩基础，所述桩基础包括在其轴向上相互连接的第一部分和第二部分，所述第二部分埋入海床中，所述海床具有海床面，所述第一部分位于所述海床面上方；套筒，所述套筒套设在所述第一部分上且其底部支撑在所述海床面上，所述套筒上设有消能结构，所述消能结构包括从所述套筒的外周面向外突出的消能件和/或贯穿所述套筒的周壁的消能孔，所述套筒的外周面包括朝向潮流方向的正面、与所述正面相对的背面以及两个侧面，所述消能结构至少设在所述正面和所述背面上。

根据本发明实施例的海上风电防冲刷装置，通过在套筒的正面和背面设置消能结构，从而将桩基础附近的海水中的急流或主流转化为均匀的缓流，减小海水对桩基基础表面的冲击，抑制了马蹄形漩涡的形成，具有良好的防冲刷性能。

在一些实施例中，所述消能件包括消能钉、消能条和消能网中的一种或多种，其中，所述消能钉包括多个且在所述套筒的外周面上间隔排布，所述消能钉在所述套筒的轴向上的尺寸与其在环绕所述套筒的周向上的尺寸之比大于等于1/2且小于等于2，所述消能条的延伸方向与所述套筒的外周面相互平行，所述消能条的长度和宽度之比大于等于5，所述消能网为包覆所述套筒的至少一部分外周面的网状结构。

在一些实施例中，所述消能结构还设置在所述两个侧面上。

在一些实施例中，设在所述正面和所述背面上的所述消能结构的类型相同，设在所述两个侧面上的所述消能结构的类型相同，设在所述两个侧面上的所述消能结构的类型与设在所述正面上的所述消能结构的类型不同。

在一些实施例中，所述正面和所述背面上设有所述消能条，所述两个侧面上设有所述消能钉。

在一些实施例中，所述消能条沿所述套筒的轴向延伸，所述消能条包括多个，多个所述消能条在环绕所述套筒的周向上间隔排布，或者，所述消能条为弧形且沿环绕所述套筒的周向延伸，所述消能条为多个，多个所述消能条在所述套筒的轴向上间隔排布。

在一些实施例中，所述消能钉的密度向靠近所述海床面的方向增大。

在一些实施例中，所述套筒的外周面为向靠近所述第一部分的方向凹陷的曲面，所述套筒的外径向靠近所述海床面的方向增大。

在一些实施例中，所述套筒的底部具有沿所述海床面延伸的防沉板，所述防沉板的底面与所述海床面相抵。

在一些实施例中，所述套筒的底部具有沿所述桩基础的轴向向所述海床内延伸的切土板，所述切土板的底端为刃形结构。

附图说明

图1是根据本发明第一种实施例的海上风电防冲刷装置的示意图。

图2是根据本发明第一种实施例的海上风电防冲刷装置的套筒和消能结构的示意图。

图3是根据本发明第一种实施例的海上风电防冲刷装置的套筒的结构示意图。

附图标记：

海上风电防冲刷装置100；

桩基础1；第一部分11；第二部分12；套筒2；防沉板21；切土板22；消能结构3；消能条31；消能钉32。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面根据图1-图3描述本发明的实施例的海上风电防冲刷装置。

如图1-3所示，根据本发明实施例的海上风电防冲刷装置包括桩基础1和套筒2。

桩基础1包括在其轴向上相互连接的第一部分11和第二部分12，第二部分12埋入海床中，海床具有海床面，第一部分11位于海床面上方。具体地，桩基础1中空的筒状结构，海床面是海水和水底砂石的分界面。在桩基础1的上下方向上依次设有相互连接的第一部分11和第二部分12。桩基础1的第一部分11位于海床面上方的海水中，桩基础1的第二部分12埋入海床面下方的砂石中。

套筒2套设在第一部分11上且其底部支撑在海床面上，套筒2上设有消能结构3，消能结构3包括从套筒2的外周面向外突出的消能件和/或贯穿套筒2的周壁的消能孔(图中未示意出)，套筒2的外周面包括朝向潮流方向的正面、与正面相对的背面以及两个侧面，消能结构3至少设在正面和背面上。

具体地，如图1所示，定义套筒2外周面朝向潮流方向为正面，背离潮流方向为侧面，以及与正面和背面相连的面为侧面(例如：潮流呈东西流动，南北流动的潮流很少出现。套筒2的东面为正面，套筒2的西面为背面，或套筒2的西面为正面，套筒2的东面为背面，套筒2的南北两面为侧面)，正面和背面设有消能结构3，且消能结构3有多种设置方式，包括但不限于，消能结构3可设在套筒2的外周面且沿内外方向向外延伸的消能件，或消能结构3为贯穿套筒2外周面的消能孔，或消能结构3为消能件或消能孔组合设在套筒2的外周面上。

根据本发明实施例的海上风电基础，通过在正面和背面设置消能结构3，由此，通过消能结构3对潮流进行主动扰流，局部改变潮流的流速和方向，使潮流的能量在一定程度上得以消散，消能结构3的设置起到了消能减冲的效果，抑制了桩基础1附近马蹄形漩涡的形成，有效地保护了桩基础1周围的土体，避免冲刷坑的形成。当潮流接触消能结构3时，消能结构3能够“打散”潮流，局部改变潮流的流速和方向，使潮流的能量在一定程度上得以消散，桩基础1前方不会产生较大的马蹄形漩涡，从而在源头上抑制了马蹄型漩涡的形成。

在一些实施例中，消能件包括消能钉32、消能条31和消能网(图中未示意出)中的一种或多种，其中，消能钉32包括多个且在套筒2的外周面上间隔排布，消能钉32在套筒2的轴向上的尺寸与其在环绕套筒2的周向上的尺寸之比大于等于1/2且小于等于2，消能条31的延伸方向与套筒2的外周面相互平行，消能条31的长度和宽度之比大于等于5，消能网为包覆套筒2的至少一部分外周面的网状结构。

具体地，如图1所示，消能钉32沿第一部分11的周向间隔设置在第一部分11的外周侧上，扰流钉在上下方向的尺寸为扰流钉的长度L1，扰流钉在桩基础1的周向的尺寸为扰流钉的宽度M1，L1是M1的0.5倍-2倍，例如，L1可以M1的0.5倍、1倍、1.5倍、1.8倍、2倍等。如图1所示，消能条31环绕在第一部分11的外周面，消能条31环绕长度为L2，消能条31在上下方向上的尺寸为M2,L2与M2之比大于5，例如，L2可以M2的5倍、6倍、6.5倍、7倍、7.5倍等。消能网为环绕在第一部分11外周测的网状结构。消能件包括但不限于消能钉32、消能条31和消能网等任一种，或消能钉32、消能条31和消能网任一组合形式，由此，可以根据不同的水域选用不同消能件，更加有效的对潮流进行扰流，实现海上风电基础的多样化。

在相关技术中，海上风电基础布置在浅水区域，浅水区域中，涨潮和退潮时，潮流主要沿着与海岸线近似垂直的方向靠近海岸线或者远离海岸线，所以桩基础1面向海岸线的一面和背对海岸线的一面是潮流主要冲击的地方。在桩基础1的这两个地方，承受潮流的冲击力较大，旋涡造成的冲刷坑的数量较多也较大。桩基础1的其余两个侧面的延伸方向与潮流方向一致，潮流对桩基础1剩下两个侧面主要是摩擦力和较小的冲击力。在一些实施例中，消能结构3还设置在两个侧面上。由此，可通过消能结构3抵抗潮流对桩基础1摩擦力和冲击力，提高了消能结构3的消能效率，延长了桩基础1的使用寿命。

设在正面和背面上的消能结构3的类型相同，设在两个侧面上的消能结构3的类型相同，设在两个侧面上的消能结构3的类型与设在正面上的消能结构3的类型不同。具体地，如图1所示，设置在正面和背面的消能结构3的类型可以为消能钉32、消能条31和消能网的其中一种，设置在两侧面的消能结构3的类型为消能钉32、消能条31和消能网的另外一种，由于正面和背面受到的潮流冲击较大，两侧面受到的潮流冲击较小。由此，考虑到经济效率，根据实际情况设置套筒2的正面、背面和两侧面的消能结构3类型，从而减小消能结构3的成本，使得消能结构3设置的更加合理。

在一些实施例中，正面和背面上设有消能条31，两个侧面上设有消能钉32。具体地，如图1-2所示，第一部分11的正面和背面设有消能条31，第一部分11的两个侧面设有消能钉32，从而降低了消能结构3的成本，使得消能结构3设置的更加合理。

在一些实施例中，消能条31沿套筒2的轴向延伸，消能条31包括多个，多个消能条31在环绕套筒2的周向上间隔排布，或者，消能条31为弧形且沿环绕套筒2的周向延伸，消能条31为多个，多个消能条31在套筒2的轴向上间隔排布。具体地，如图1所示，在套筒2的正面和背面设置多个消能条31，多个消能条31绕套筒2的周向间隔设置，且多个沿套筒2周向布置的消能条31形成多个相互间隔且与上下方向平行的消能通道，多个消能条31之间的消能通道“打散”潮流，局部改变潮流的流速和方向，使潮流的能量在一定程度上得以消散，沿第一部分11前方不会产生较大的马蹄形漩涡，从而在源头上抑制了马蹄型漩涡的形成。

或如图2所示，消能条31为弧形且沿环绕桩基础1的周向延伸，消能条31为多个，多个消能条31在桩基础1的轴向(如图2所示，上下方向)上间隔排布。具体地，如图2所示，在第一部分11的正面和背面，消能条31环绕在第一部分11上，且多个消能条31沿上下方向间隔设置。

需要说明的是，消能条31可以为横截面外周轮廓的形状包括半圆形、三角形或方形中的一种或多种，利用多种不同结构形状的消能条31组合，大大提高整体方案灵活性。

海上风电基础在实际使用的过程中，第一部分11上越靠近海床面的位置受到的潮流冲击越大，产生马蹄形漩涡的可能性也越大。因此，在一些实施例中，消能条31的间距向靠近海床面的方向减小。具体地，在第一部分11的正面和背面，消能条31的设置间距自上而下逐渐减小，第一部分11底部消能条31数量增多，提高第一部分11的正面和背面的抗冲刷能力，增强海上风电基础的防冲刷能力和实用性。

在一些实施例中，消能钉32的密度向靠近海床面的方向增大。具体地，，在第一部分11的正面和背面，消能钉32的数量自上而下逐渐逐渐减小，从由此，提高第一部分11的两侧面的抗冲刷能力，进一步增强海上风电基础的防冲刷能力和实用性。

在一些实施例中，套筒2的外周面为向靠近第一部分11的方向凹陷的曲面，套筒2的外径向靠近海床面的方向增大。具体地，套筒2的横截面积从下到上逐渐减小，套筒2的外周面为沿内外方向向内凹陷的流线型。从而可减小大涡的形成，进一步提高了提高了海上风电基础的防冲刷能力和实用性。

在一些实施例中，套筒2的底部具有沿海床面延伸的防沉板21，防沉板21的底面与海床面相抵。套筒2的底部具有沿桩基础1的轴向向海床内延伸的切土板22，切土板22的底端为刃形结构。具体地，如图1-3所示，套筒2的下端部设有沿沿套筒2的径向方向向外延伸的防沉板21，且防沉板21外周面的直径为1.2De-3De，防沉板21的底面面积为0.1πDe2-2.5πDe2。套筒2的下端部设有沿上下方向延伸的切土板22，切土板22的下端面为刃形结构，切土板22在上下方向的长度为0.02De-0.5De，其中De为套筒外径，从而使得切土板22插入海床面的土壤内，防沉板21的下端面抵在海平面的上方，由此，对套筒2进行轴向定位，防止套筒2上下窜动，且防沉板21方便了套筒2的安装，防止套筒2插入海平面以下。

在一些实施例中，在套筒2的外周侧还抛掷有石块，一部分部分石块位于防沉板21上，以防止海水的冲击引起套筒2的倾斜，另一部分部分石块位于防沉板21外周侧，由于波浪和潮流的作用，桩基础1周围的泥沙将会发生冲刷并形成冲刷坑，石块会及时翻转进入冲刷坑内，提高桩基础1的稳定性，以增强防冲刷效果。在进行抛石作业时，套筒2和防沉板21还可以防止抛出的石块砸伤桩基础1，具有安全可靠的特点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种具有消能结构的海上风电防冲刷装置，其特征在于，包括：

桩基础，所述桩基础包括在其轴向上相互连接的第一部分和第二部分，所述第二部分埋入海床中，所述海床具有海床面，所述第一部分位于所述海床面上方；

套筒，所述套筒套设在所述第一部分上且其底部支撑在所述海床面上，所述套筒上设有消能结构，所述消能结构包括从所述套筒的外周面向外突出的消能件和/或贯穿所述套筒的周壁的消能孔，所述套筒的外周面包括朝向潮流方向的正面、与所述正面相对的背面以及两个侧面，所述消能结构至少设在所述正面和所述背面上。

2.根据权利要求1所述的具有消能结构的海上风电防冲刷装置，其特征在于，所述消能件包括消能钉、消能条和消能网中的一种或多种，

其中，所述消能钉包括多个且在所述套筒的外周面上间隔排布，所述消能钉在所述套筒的轴向上的尺寸与其在环绕所述套筒的周向上的尺寸之比大于等于1/2且小于等于2，所述消能条的延伸方向与所述套筒的外周面相互平行，所述消能条的长度和宽度之比大于等于5，所述消能网为包覆所述套筒的至少一部分外周面的网状结构。

3.根据权利要求2所述的具有消能结构的海上风电防冲刷装置，其特征在于，所述消能结构还设置在所述两个侧面上。

4.根据权利要求3所述的具有消能结构的海上风电防冲刷装置，其特征在于，设在所述正面和所述背面上的所述消能结构的类型相同，设在所述两个侧面上的所述消能结构的类型相同，设在所述两个侧面上的所述消能结构的类型与设在所述正面上的所述消能结构的类型不同。

5.根据权利要求4所述的具有消能结构的海上风电防冲刷装置，其特征在于，所述正面和所述背面上设有所述消能条，所述两个侧面上设有所述消能钉。

6.根据权利要求5所述的具有消能结构的海上风电防冲刷装置，其特征在于，所述消能条沿所述套筒的轴向延伸，所述消能条包括多个，多个所述消能条在环绕所述套筒的周向上间隔排布，

或者，所述消能条为弧形且沿环绕所述套筒的周向延伸，所述消能条为多个，多个所述消能条在所述套筒的轴向上间隔排布。

7.根据权利要求5所述的具有消能结构的海上风电防冲刷装置，其特征在于，所述消能钉的密度向靠近所述海床面的方向增大。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的具有消能结构的海上风电防冲刷装置，其特征在于，所述套筒的外周面为向靠近所述第一部分的方向凹陷的曲面，所述套筒的外径向靠近所述海床面的方向增大。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的具有消能结构的海上风电防冲刷装置，其特征在于，所述套筒的底部具有沿所述海床面延伸的防沉板，所述防沉板的底面与所述海床面相抵。

10.根据权利要求1所述的具有消能结构的海上风电防冲刷装置，其特征在于，所述套筒的底部具有沿所述桩基础的轴向向所述海床内延伸的切土板，所述切土板的底端为刃形结构。

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