CN114080499A - 包括具有多个浮力体的浮动式基座的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机(10)，包括具有多个浮力体(30、30’)的浮动式基座(20)，浮力体(30、30’)由设计为空心体的多个浮力体元件(32、32’)形成，这些浮力体元件在第一平面中彼此相邻地、同心地围绕从浮动式基座(20)延伸的各个中心元件(28、28’)布置，并与所述中心元件相连接，各个浮力体元件(32、32’、34、34’)具有支承在中心元件(28、28’)上的表面、与中心元件(28、28’)相对布置的凸形表面、以及两个侧向表面，它们各自支承在相邻的浮力体元件(32、32’、34、34’)的侧向表面上。

Description

包括具有多个浮力体的浮动式基座的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，包括具有多个浮力体的浮动基座。

背景技术

从EP 3 019 740B1中已知一种设计特别有利的浮动式风力涡轮机，其具有在一个平面上延伸的Y形基座，并通过与基座相连接的浮力体的设置而设计为有浮力的。尽管EP 3019 740B1没有包含关于浮力体设计的任何具体陈述，但是申请人的其它专利申请，例如DE10 2016 118 079B3或WO 2017/206976A1，指出浮力体应该有利地与基座刚性连接。例如，浮力体可以形成由混凝土制成的浮动式基座的封壳，且其本身可以由钢制成。

WO 2014/044453 A1公开了另一种类型的浮动式基座，其形式为三角形基座，该三角形基座在一个平面内延伸，并且在其各角点处布置有钢制的、延伸出该三角形的平面的多个支承柱。三角形是等边的，各支承柱沿着相应的中线朝向三角形的外侧倾斜。各个支承柱设置成：相对于三角形的基座，浮动式结构紧固到其外侧，各个浮动式结构都是由笼架架形成的，笼架容纳大量的小型浮力体腔室。

从EP 2 479 101B1中已知一种替代设计，其中，浮力体是以环状形式布置在支承柱周围。这种设计在很大程度上对应于从CN 2811161 Y中已知的用于形成浮动体的结构，在该结构中，多个环形浮力体围绕中心管道设置。

已知的浮力体的缺点是，它们制造非常复杂，且组装也复杂，或是因为它们是由钢制成的，或者是因为它们是由小型件组成的。单件式生产的浮力体，由于其尺寸，会在运输期间造成相当大的问题，而用多个小型件生产的浮力体则使得增加了材料支出并导致安装期间的问题。特别是，小型件的设计导致全面的，特别是静水的压力载荷，其对结构和浮动体所用材料的要求提高，该静水压力载荷取决于浸没深度。因此，各已知的设计阻碍了轻量级、材料兼容的浮动体的设计。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种包括浮动式基座的浮动式风力涡轮机，该浮动式基座具有多个浮力体，并且可以以材料兼容的方式制造，且特别是在浮力体方面，几乎不需要劳动力。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的风力涡轮机来实现。从属权利要求反映了本发明的有利实施例。

根据本发明，提出了一种包括具有多个浮力体的浮动式基座的风力涡轮机，浮力体由多个浮力体元件形成，所述元件在第一级中彼此相邻地、同心地围绕着从浮动式基座伸出的、相关的中心元件布置，并可拆卸地连接到所述中心元件，各个浮力体元件具有支承在中心元件上的表面，与中心元件相对布置的凸形表面，以及两个侧表面，各个侧表面支承在邻近浮力体元件的侧表面上。

形成凸形表面的外壁优选具有更大的屈曲强度，这是由于壁厚大于形成侧表面的各壁，或是由于夹层部分的形成。由于浮力体浸没在水中，静水压力压在各外壁上，因此，这种作为具有更大尺寸稳定性的凸形表面的设计是有用的。

这种特殊的设计使浮力体的生产能够以最小的材料使用量承受静水压力载荷。特别是，形成凸形表面的外壁比侧壁有更大的壁厚和/或采用夹层结构(多层结构)的形式，使得通过其上施加有外部压力载荷的外壁的加固结构的局部使用，可以在浮力体元件的相互支承结构上节省材料。总的来说，这导致了明显更轻的结构，这不仅对元件的运输有积极影响，而且对风力涡轮机的总重量和成本也有积极影响。

具体地规定，形成凸形表面的外壁具有的壁厚比形成侧表面的壁厚1.2至2.5倍之间。

优选地设置有布置在第一级下的至少另一级浮力体元件，这些浮力体元件围绕相关的中心元件布置，并与所述中心元件可拆卸地连接。浮动式风力涡轮机的尺寸要求浮动体的尺寸，这优选地要求浮动体的多部件式设计。与现有技术中追求的“小型件”方法相反，在本案中规定使用尽可能少的浮力体元件，这些元件有利地被布置在(两个)级中。

在另一级中布置得更深的浮力体元件优选设计成比布置在第一级中的浮力体元件有更厚的壁，使得它们能够承受在更大水深下占主导的更高的压力。替代地或附加地，为了抵消外部水压并从而节省结构中的材料厚度，浮力体元件要承受更大的空气压力，。在这种情况下，有利的是，布置在另一级中的浮力体元件具有比布置在第一级的浮力体元件更高的气动内部压力，以便由此承受更高的外部压力。

各浮力体元件的凸形表面优选一起形成，例如，当在剖过组装的浮力体元件的横截面中观察时，它们形成圆。对应地，浮力体元件的形状为圆的部段(扇段)。

浮力体的圆形横截面在使用浮动式风力涡轮机的静止的浮动式基座时是有利的，因为波浪有可能从四面八方打到浮力体上，这与浮动式风力涡轮机相反，后者通过单个系泊点连接到海床，完全在水中与风向一致。对于最后提到的类型的涡轮机，风暴条件下的极端波浪将始终沿着浮动结构的主轴线的方向行进。极端波浪决定了浮力体结构和用于与基座连接的各部件以及这类涡轮机的系泊元件和锚的尺寸，对于这些类型的涡轮机，可以通过当在剖过组合的浮力体元件的横截面中观察时，各浮力体元件的凸形表面共同呈单个流线型截的面形式，如水滴形、椭圆形或透镜的形式而实现明显更有利的设计。

申请人的调查已经表明，椭圆形浮动体的抗浪能力比具有相同浮力的对应的圆形浮动体小三倍。然而，如果浮动体的椭圆形状在极端条件下能达到较低的最大抗波浪能力，就有可能减小将浮动式风力涡轮机锚定于水体床所需的锚、链条、钢丝线缆和紧固元件的尺寸，从而降低材料和工作投入，并降低成本。

特别是，椭圆的长度和宽度之比有利地为约2：1。浮力体的长轴线沿波浪的方向对准。

单独的浮力体元件的长度和/或宽度更优选与ISO集装箱的外尺寸相对应。特别是，浮力体元件的尺寸与40英尺集装箱的尺寸相对应，因此，它们能容易地借助拖车在路上运输。特别是，浮力体元件的直径或边缘长度约为2.5m，长度约为12m。

由于实现了可运输性或至少改善了可运输性，因此有可能在浮动式风力涡轮机的最终组装地点以外的地点制造浮动体。此外，由浮动体的多部件式构造所产生的工作量保持得尽可能低。

根据另外的优选的实施例，中心元件具有多边形的横截面，使得单独的浮力体元件的位置是预先确定且固定的。这也实现了简单的故障排除，并且如果有必要，如果单个浮力体元件有缺陷，则实现了对其进行更换。

浮力体元件优选是由塑料材料，特别是玻璃纤维增强塑料材料，制成的空心体，可选地设置有用于屈曲稳定的夹层表面，实现了浮动体的特别轻质的结构。

浮力体元件也可以具有或由泡沫塑料材料组成。特别是，浮力体元件可以是经填充的泡沫体的形式，泡沫有可能是开孔的、混合孔的或闭孔的。在任何情况下，必须抵制水对浮力体的渗透，因此泡沫体优选具有防水涂层。这特别优选为收缩(薄)膜的形式，具体为收缩管，最优选使用的是冷收缩管。

浮力体元件优选通过多个夹具紧固到中心元件，每个夹具将浮力体元件固定到中心元件，浮力体元件特别优选在它们的凸形表面上具有至少一个凹部，该凹部横向延伸到其纵向轴线，用于接收至少一个夹具。

附图说明

下文中将使用附图中所示的特别优选设计的实施例来更详细地描述本发明，其中：

图1是根据本发明的浮动式风力涡轮机的第一实施例的立体图，该风力涡轮机包括当在横截面中观察时是椭圆形的浮力体；

图2是根据本发明的浮动式风力涡轮机的第二实施例的立体图，该风力涡轮机包括当在横截面中观察时为圆形的浮力体；

图3是图1所示的风力涡轮机的详视分解图；

图4以立体图(A)、侧视图(B)和平面视图(C)示出了椭圆形浮力体的的细节；

图5以立体图(A)、侧视图(B)和平面视图(C)示出了由圆形浮力体形成的风力涡轮机的细节；

图6示出了特别优选设计的用于浮力体的圆形设计的中心元件的立体详视图(A、B)；以及

图7是图5中所示的浮力体的详视分解图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的浮动式风力涡轮机的第一实施例的立体图，该浮动式风力涡轮机包括当在横截面中观察时为椭圆形的浮力体。浮动式风力涡轮机10具有这种类型的涡轮机中已知的Y形浮动式基座20，并具有三个浮力体30，该三个浮力体30附连到形成基座20的臂22、24、26的自由端。浮力体30的横截面是椭圆形的，并借助适当提供的线缆50来牵拉风力涡轮机10的塔架40，塔架有两个能量转换单元。

图2示出了图1所示的风力涡轮机10的替代设计，其是根据本发明的浮动式风力涡轮机10’的第二个实施例的立体图，动式风力涡轮机10’包括当从横截面中观看时为圆形的浮力体30。该浮动式风力涡轮机10’也具有Y形浮动式基座20，Y形浮动式基座20具有三个浮力体30’，它们紧固在形成基座20的臂22、24、26的自由端。与图1所示的涡轮机10’不同，浮力体30的横截面是圆形的，但也是借助对应提供的线缆50来牵拉风力涡轮机10’的塔架40。

实施本发明的这两个实施例之间的浮力体在结构方面所产生的差异可以在以下附图中找到，这些附图各自示出了涡轮机的细节。

因此，图3示出了图1中的风力涡轮机的详视分解图，其中为了更好地观察整体而省略了图1中所示的风力涡轮机10的一些部件。因此，图3只示出了基座20的一部分，其与伸出基座20的平面的中心元件28相连接，围绕该中心元件布置了多个浮力体元件32、34，形成浮力体30。

在所示的示例中，浮力体30是由空心体形式的多个浮力体元件32、34形成的，这些浮力体元件彼此相邻地、以同心地围绕着从浮动式基座20延伸的中心元件28的两级布置。浮力体元件32、34可拆卸地连接到中心元件28，使得例如，如果浮力体元件32、34损坏，可以进行简单的更换。

各个浮力体元件32、34具有支承在中心元件28上的表面，与中心元件28相对布置的凸形表面，以及各自支承在相邻的浮力体元件32、34的侧表面上的两个侧表面。当在剖过浮力体元件32、34的横截面中观察时，浮力体元件32、34的凸形表面共同形成椭圆，使得浮力体30作为整体在横截面上具有椭圆的形状。形成凸形表面的外壁比形成侧表面的各壁具有更大的壁厚。特别是，形成凸形表面的外壁比形成侧表面的壁，或是夹层壳体，具有更大的壁厚，因此能够抵消仅从外部作用在浮动体30上的静水压力，同时具有相对轻质的构造。

此外，布置在第一级以下的另一级浮力体元件34比布置在第一级中的浮力体元件32有更厚的壁，也可以比布置在第一级中的浮力体元件32有更高的气动内压。这些措施考虑到了在更大水深中占主导的、作用于浮力体元件34上的、更高的压力情况。

这种有利的设计在图4中也是明了的，图4以立体图(A)、侧视图(B)和平面视图(C)示出了设计有椭圆形浮力体的风力涡轮机的细节。尽管浮动体30包括多个单独的部件，即以两级布置的浮力体元件32、34，但是浮动体30具有对外界闭合的表面。从外部作用在浮动体30上的静水压力经由浮力体元件32、34的侧壁转向到中心元件28中。中心元件28也具有用于塔架40的牵拉线缆50的连接，使得中心元件28作为载荷转移部件，将作用在浮动体30上的静水压载荷和动态载荷以及作用在传动系上的空气动力推力载荷转移到基座20上。

浮力体元件32、34设计成使得它们大致对应于ISO集装箱的尺寸，长度大约为12m，直径或边缘长度大约为2.50m。这种设计使浮力体元件32、34能容易地在陆地上和如果需要时在水中运输，而不必为此目的采取特殊的预防措施。

图5中以立体图(A)、侧视图(B)和平面图(C)示出了带有圆形浮力体的风力涡轮机10’的替代设计。此处也提供了与浮动式风力涡轮机10’的基座20相连接的中心元件28’，围绕该中心元件布置了多个浮力体元件32’、34’，它们形成浮力体30’，所述浮力体元件也组织为以两级围绕中心元件28’。

由于浮力体元件32’、34’的圆形截面设计，本实施例的浮力体30’具有圆形横截面，浮力体元件32’、34’由多个夹具60保持在一起，这些夹具60环绕浮力体元件32’、34’，并紧固到中心元件28’。

在该情况下，各个浮力体元件32’、34’具有支承在中心元件28’上的表面，与中心元件28’相对布置的凸形表面，以及各自支承在相邻的浮力体元件32’、34’的侧表面上的两个侧表面。当在剖过浮力体元件32、34的横截面中观察时，浮力体元件32’、34’的凸形表面共同形成圆形，使得浮力体30’作为整体具有圆形的横截面，也使提供登船平台BL成为可能。形成凸形表面的外壁比形成侧表面的壁具有更大的壁厚，因此能够抵消仅从外部作用在浮动体30’上的静水压力，且同时具有相对轻质的设计。

此外，布置在第一级下方的另一级的浮力体元件34’的壁比布置在第一级中的浮力体元件32’的壁更厚，所述另一级的浮力体元件也可以比布置在第一级中的浮力体元件32’具有更高的气动内压。这些措施考虑到了在更大水深中普遍存在的(占主导的)、作用在浮力体元件34’上的更高压力比。

浮力体元件32’、34’也设计成使得它们与ISO集装箱的尺寸大致对应，长度约为12m，直径为2.50m。这种设计使浮力体元件32’、34’能容易地在陆地上和必要时在水中运输，而不必为此目的采取特殊的预防措施。

如果中心元件28’的设计如图6中的立体详视图(A、B)中所示，那么图5中所示的浮力体元件32’、34’的布置可以特别简单地进行。特别是，在中心元件28’上设置了同心布置的十个浮力元件，这些浮力元件借助中心元件28’上对应的定位和紧固辅助件70来保持和紧固在预定的位置中。所述辅助件可以是中心元件28’上设置的凹部72、径向延伸的壁74和/或穿孔板76，它们的孔与浮力体元件32’、34’的外轮廓互补，并可接纳浮力体元件32’、34’。

这种特殊的设计使得特别是能在上级的浮力体元件32’中靠近水面的地方留下自由空间，在这个自由空间中可以插入登船平台BL。

最后，图7示出了图5中所示的浮力体30’的详视分解图，包括将浮力体元件32’、34’紧固到中心元件28’所需的夹具60。

Claims (17)

1.风力涡轮机(10)，包括具有多个浮力体(30、30’)的浮动式基座(20)，其中，

–所述浮力体(30、30’)由空心体形式的多个浮力体元件(32、32’)形成，所述浮力体元件在第一级中、彼此相邻地、同心地围绕着从所述浮动式基座(20)延伸的相关中心元件(28、28’)布置，并与所述中心元件连接，以及

–各个浮力体元件(32、32’、34、34’)具有支承在所述中心元件(28、28’)上的表面、与所述中心元件(28、28’)相对布置的凸形表面、以及各自支承在相邻的浮力体元件(32、32’、34、34’)的侧表面上的两个侧表面。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，形成所述凸形表面的外壁比形成所述侧表面的壁具有更大的壁厚。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，形成所述凸形表面的所述外壁具有的壁厚比形成所述侧表面的壁厚1.2至2.5倍之间。

4.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，形成所述凸形表面的所述外壁为夹层壳体的形式。

5.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机(10)，其特征在于布置在所述第一级下方的至少另一级浮力体元件(34、34’)，所述浮力体元件围绕相关的中心元件(28、28’)布置，并与所述中心元件连接。

6.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述浮力体元件(34、34’)与所述中心元件(28、28’)可拆卸地连接。

7.根据权利要求5所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，布置在所述另一级中的所述浮力体元件(34、34’)设计成具有比布置在所述第一级中的所述浮力体元件(32、32’)更厚的壁。

8.根据权利要求5和7中任一项所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，布置在所述另一级中的所述浮力体元件(34，34’)具有比布置在所述第一级中的所述浮力体元件(32，32’)更高的气动内压。

9.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，当在剖过所述浮力体元件(32、34)的横截面中观察时，所述浮力体元件(32、34)的所述凸形表面共同形成圆形。

10.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，当在剖过所述浮力体元件(32’、34’)的横截面中观察时，所述浮力体元件(32’、34’)的所述凸形表面共同具有流线型横截面形状，特别是椭圆、透镜或泪滴形状。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，流线型横截面形状的长度与宽度的比例为2：1。

12.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述浮力体元件(32、32’、34、34’)的轴向长度和最大直径与ISO集装箱的外尺寸相对应。

13.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述浮力体元件(32、34)的直径为2.5m，长度为12m。

14.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述中心元件(28)具有多边形横截面。

15.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述浮力体元件(32、34)是由塑料材料，特别是玻璃纤维增强塑料材料制成的空心体。

16.根据任一前述权利要求所述的风力涡轮机(10)，其特征在于多个夹具(40)，各个所述夹具将所述浮力体元件(32、34)紧固到所述中心元件(28)。

17.根据权利要求16所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述浮力体元件(32、34)在它们的凸形表面上具有至少一个凹部，所述至少一个凹部横向于所述浮力体元件(32、34)的纵向轴线延伸，用于接纳至少一个夹具(40)。

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