CN114537614A - 一种自升式风电安装平台顶升系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自升式风电安装平台顶升系统，包括固桩架、桩腿、驱动单元以及与驱动单元相配套应用的能量回收单元。固桩架固定于自升式风电安装平台的底部。沿其长度方向，由固桩架的侧壁向内延伸出有用来容置桩腿的工艺凹槽。桩腿在驱动单元的驱动力作用下沿着工艺凹槽定向地执行滑移运动，以实现与海底的顶触、脱开。如此一来，桩腿下降进程中所生成的重力势能得到有效地转化、且收集存储；而当桩腿执行上移提升运动时，能量回收单元所存储的能量得以释放以向着桩腿施予一定的推顶辅力。

Description

一种自升式风电安装平台顶升系统

技术领域

本发明涉及风电安装平台制造技术领域，尤其是一种自升式风电安装平台顶升系统。

背景技术

自升式风电安装平台主要用于海上风力发电，其可从一个发电位移动另一个发电位。自升式风电安装平台主要由主甲板、上部结构与桩腿等几部分组成。其中，上部结构是一个浮力较大的驳船形浮体，用以承载起重机械。在实际应用中，上部结构可以依靠桩腿进行升降以适应不同的工作水深要求。自升式风电安装平台顶升系统主要由固桩架、桩腿以及驱动装置等几部分组成。当自升式风电安装平台相对于第一发电位完成初步定位后，驱动装置启动以驱动桩腿由固桩架中深入，且直至顶触海底，进而使得驳船完全或部分露出水面,确保作为工作场地的主甲板免于受到波浪的影响。一般来说，自升式海洋结构物的工作水深为十几米到上百米。

在线有技术中，驱动装置主要由一齿轮箱、一电机、一齿轮齿条机构等组成。桩腿的下降与提升原始动力均来自于电机。齿轮齿条机构由齿轮和齿条构成。齿轮由齿轮箱直接驱动。齿条与桩腿固定为一体。在对桩腿执行提升、下降操作进程中，电机借由齿轮箱以实现对齿轮的周向旋运动，且后续辅以齿条以对桩腿进行拖拽。虽说传统的驱动装置可以满足桩腿最基本的升降要求，但是实际工作中却存在有以下问题：1)在桩腿进行提升的过程中，因插入地层深度较大、海底淤泥沉积等因素势必会加大桩腿的拔出困难度，如此，一方面，对电机设计功率提出的较高要求，进而导致采购成本的增加；且在设计形式相同的前提下，大的设计功率即意味着大的设计体型，从而势必会增加其空间设计困难度以及组装困难度；另一方面，在施拔瞬间电机的输出功率急剧地增大，势必会增加电机“过热烧机”现象的发生几率；2)从节能减排的观点出发，在桩腿的下降过程中势必会产生大量的重力势能，传统设计中采取液压节流的方式将桩腿的重力势能转化为液压能，且后续通过热量释放的方式排出，如此，不但增加了驱动装置的设计结构复杂性，增加了制造、采购成本，而且液压节流中的液压油因压力过大而外溢，进而污染海洋的现象时有发生。因而，亟待本课题组解决上述技术问题。

发明内容

故，本发明课题组鉴于上述现有的问题以及缺陷，乃搜集相关资料，经由多方的评估及考量，并经过课题组人员不断探讨以及设计改进，最终导致该自升式风电安装平台顶升系统的出现。

为了解决上述技术问题，本发明涉及了一种自升式风电安装平台顶升系统，包括固桩架、桩腿以及驱动单元。固桩架固定于自升式风电安装平台的底部。沿其长度方向，由固桩架的侧壁向内延伸出有用来容置桩腿的工艺凹槽。驱动单元由固桩架所直接负担，以驱使桩腿沿着工艺凹槽定向地执行滑移运动。当需将自升式风电安装平台由漂浮状态转变为固定状态时，驱动单元启动，桩腿在驱动力作用下执行下移运动，且直至其下自由端与海底相顶触。而当需将自升式风电安装平台由固定状态转变为漂浮状态时，驱动单元重新启动，桩腿在驱动力作用下执行上移运动，且直至其下自由端与海底相脱离。另外，该自升式风电安装平台顶升系统还包括能量回收单元。能量回收单元与驱动单元相配套应用。当桩腿执行下移运动时，能量回收单元收集、且存储能量；而当桩腿执行上移运动时，能量回收单元释放能量。

作为本发明技术方案的进一步改进，驱动单元由N组对称地布置于桩腿的两侧、且相互协作以同时向着桩腿施以拖拽力的驱动子单元构成。

作为本发明技术方案的更进一步改进，桩腿包括有桩状主体和竖置齿条。竖置齿条与桩状主体固定为一体，且直接由驱动子单元协同驱动。驱动子单元包括有减速电机以及齿轮传动机构。齿轮传动机构内置于固桩架中，且其被用作减速电机和竖置齿条之间的力传递过渡。齿轮传动机构包括有至少1件与竖置齿条相啮合的第一齿轮。减速电机被用作齿轮传动机构的动力源，且其可拆卸地固定于固桩架的侧壁上。

作为本发明技术方案的更进一步改进，能量回收单元由N组与驱动子单元相配套应用的能量子回收单元构成。能量回收子单元包括有承托件、平置齿条以及储能装置。承托件横置、且固定于固桩架的内腔中，且位于齿轮传动机构的正下方。平置齿条用来由承托件所托顶，且在减速电机和齿轮传动机构的协助作用下往复地执行平移运动，以驱得储能装置执行能量存储/释放动作。所述齿轮传动机构包括有至少一件与平置齿条直接相啮合的第二齿轮。

作为本发明技术方案的更进一步改进，在桩腿执行下移运动的进程中，平置齿条执行正向平移运动，保存于储能装置内腔中的气体或流体介质因受到压力作用而储蓄能量。而在桩腿执行上移运动的进程中，储能装置中的储蓄能量得以释放以助推平置齿条执行反向平移运动。

作为本发明技术方案的更进一步改进，储能装置优选为蓄能器。蓄能器包括有缸体、活塞和活塞杆。缸体由承托件所托顶、且固定。与活塞连接为一体的活塞杆由平置齿条所驱动。

作为本发明技术方案的更进一步改进，能量回收子单元还包括有压力表和减压阀。压力表的工作腔、减压阀的工作腔均与蓄能器的压力腔相沟通，且沿着上下游方向依序而置。

作为本发明技术方案的更进一步改进，能量回收子单元还包括有柱状蓄能弹簧。柱状蓄能弹簧被弹性地压缩于平置齿条和活塞杆之间。在平置齿条往复地执行平移运动的进程中，柱状蓄能弹簧同步地完成能量的储蓄/释放操作。

作为本发明技术方案的更进一步改进，能量回收子单元还包括有第一滑轨滑块组件。第一滑轨滑块组件被安装于平置齿条和承托件之间，且其由与平置齿条可拆卸进行固定的第一滑块和与承托件可拆卸进行固定的第一滑轨构成。

作为本发明技术方案的更进一步改进，自升式风电安装平台顶升系统还包括有第二滑轨滑块组件。第二滑轨滑块组件被安装于固桩架和桩腿之间，且其由与桩腿可拆卸进行固定的第二滑块和与固桩架可拆卸进行固定的第二滑轨构成。

相较于传统设计结构的自升式风电安装平台顶升系统，在本发明所公开的技术放方案中，用来驱动桩腿执行提升动作的驱动单元配套有能量回收单元。在桩腿执行下移的进程中，能量回收单元能够实时地收集、存储能量，而在桩腿执行上升的进程中，能量回收单元所存储的能量得以同步性释放，以向着桩腿提供辅助推力，从而有效地降低了对驱动单元输出推力的要求，为驱动单元输出功率的下降作了良好的铺垫。

在实际应用中，桩腿下降进程中所生成的重力势能得到有效地转化及二次利用，鉴于此，上述设计结构的自升式风电安装平台顶升系统在实际应用中至少取得以下几方面的有益效果：

1)在确保对桩腿执行顺利插、拔操作的前提中，有效地降低了对驱动单元设计功率的要求，进而导致驱动单元整体采购成本的下降，且减小了对后期安装设计空间的要求；

2)在执行自升式风电安装平台顶升系统的结构设计及其实际应用中，利于节能减排设计目标的实现，避免施工海域因“溢油”而被污染现象的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中自升式风电安装平台顶升系统一种视角的立体示意图。

图2是本发明中自升式风电安装平台顶升系统另一种视角的立体示意图。

图3是本发明自升式风电安装平台顶升系统中固桩架的立体示意图。

图4是本发明自升式风电安装平台顶升系统中其中一驱动子单元和与之相应能量子回收单元组配完成后一种视角的立体示意图(固桩架和竖置齿条以双点划线形式示出)。

图5是本发明自升式风电安装平台顶升系统中其中一驱动子单元和与之相应能量子回收单元组配完成后另一种视角的立体示意图(竖置齿条以双点划线形式示出)。

图6是图4的俯视图。

图7是图6的A-A剖视图。

1-固桩架；11-工艺凹槽；2-桩腿；21-桩状主体；22-竖置齿条；3-驱动单元；31-驱动子单元；311-减速电机；312-齿轮传动机构；3121-第一齿轮；3122-第二齿轮；4-能量回收单元；41-能量子回收单元；411-承托件；412-平置齿条；413-蓄能器；4131-缸体；4132-活塞；4133-活塞杆；414-压力表；415-减压阀；416-柱状蓄能弹簧。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所述的方位或位置关系，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。

下面结合具体实施例，对本发明所公开的内容作进一步详细说明，图1、图2示出了本发明中自升式风电安装平台顶升系统两种不同视角的立体示意图，可知，其主要有包括固桩架1、桩腿2以及驱动单元3等几部分构成。其中，固桩架1固定于自升式风电安装平台的底部。沿其长度方向，由固桩架1的侧壁向内延伸出有用来容置桩腿2的工艺凹槽11(如图3中所示)。驱动单元3由固桩架1所直接负担，以驱使桩腿2沿着工艺凹槽11定向地执行滑移运动。当需将自升式风电安装平台由漂浮状态转变为固定状态时，驱动单元3启动，桩腿2在驱动力作用下执行下移运动(下沉动作)，且直至其下自由端与海底相顶触。而当需将自升式风电安装平台由固定状态转变为漂浮状态时(收纳动作)，驱动单元3重新启动，桩腿2在驱动力作用下执行上移运动，且直至其下自由端与海底相脱离。

由图1、2中所示还可以看出，驱动单元3由8组对称地布置于桩腿2的两侧、且相互协作以同时向着桩腿2施以拖拽力的驱动子单元31构成。通过采用上述技术方案进行设置，在执行对桩腿2上移或下移运动的进程中，桩腿2左、右侧同时受到侧向力的作用，保证其始终保持于受力平衡状态，进而确保桩腿2在执行上升以及下移运动进程中始终保持于定向状态。

已知，驱动子单元31可以采取多种设计结构以实现对桩腿2的驱动，不过在此推荐一种设计结构简单、易于制造实施，且后期便于执行维护操作的实施方案，具体如下：如图1、2中所示，桩腿2主要由桩状主体21和竖置齿条22等构成。竖置齿条22与桩状主体21固定为一体，且直接由两侧驱动子单元31协同驱动。如图4、5中所示，驱动子单元31包括有减速电机311以及齿轮传动机构312。齿轮传动机构312是用来传递动力和动力的装置，其被用作减速电机311和竖置齿条22之间的力传递过渡。齿轮传动机构312由多组相啮合的齿轮组构成，其内置于固桩架1中。齿轮传动机构312包括有1件与上述竖置齿条22相啮合的第一齿轮3121。减速电机311被用作齿轮传动机构312的动力源，且其借由紧固件可拆卸地固定于固桩架1的侧壁上。在执行桩腿2下移操作进程中，减速电机311保持于无动力状态，且竖置齿条22和第一齿轮3121始终保持于啮合状态；而当桩腿2在执行上升操作进程中，减速电机311启动以驱动第一齿轮3121持续地执行周向旋转运动，竖置齿条22因受到啮合力作用而向上位移，桩腿2在此进程中进行上移且完全地被收纳于桩腿2内。

在此还需要着重说明的是，由附图2中还可以明确地看出，自升式风电安装平台顶升系统还增设有能量回收单元4。能量回收单元4由8组与驱动子单元31相配套应用的能量子回收单元41构成。在桩腿2执行下移的进程中，各能量子回收单元41能够实时地收集、存储来源于与之相对应的驱动子单元31的机械动能；而在桩腿2执行上升的进程中，各能量子回收单元41所存储的能量得以同步性释放，以使得与之相对应的竖置齿条22均同时受到向上推力的作用，从而有效地降低了对减速电机311输出推力的要求，为各驱动子单元31输出功率的下降作了良好的铺垫。

作为上述能量子回收单元41结构的进一步细化，如图4-7中所示，其主要由承托件411、平置齿条412、蓄能器413以及滑轨滑块组件(图中未示出)等几部分构成。其中，承托件411横置、且固定于固桩架1的内腔中，且位于齿轮传动机构312的正下方。平置齿条412用来由承托件411所托顶，且在减速电机311、齿轮传动机构312以及滑轨滑块组件的协助作用下往复地执行平移运动。滑轨滑块组件被安装于平置齿条412和承托件411之间，且其由与平置齿条412可拆卸进行固定的滑块和与承托件411可拆卸进行固定的滑轨构成。齿轮传动机构312包括一件与平置齿条412直接相啮合的第二齿轮3122。在桩腿2执行下移运动的进程中，减速电机311失去电力支持，第一齿轮3121顺延着竖置齿条22执行周向旋转运动，进而带动第二齿轮3122执行周向旋转运动，此时，平置齿条412相向于蓄能器413执行位移运动，蓄能器413因受到推力作用而将机械动能转化为压缩能。如图6、7中所示，蓄能器413主要包括有缸体4131、活塞4132和活塞杆4133。缸体4131由承托件411所托顶、且固定。与活塞4132连接为一体的活塞杆4133由平置齿条412所驱动。

蓄能器413的工作原理大致如下：在桩腿2执行上移运动的进程中，减速电机311启动，且借由齿轮传动机构312以驱动第一齿轮3121执行周向旋转运动，在第一齿轮3121和竖置齿条22相啮合的进程中以实现对桩腿2的驱动，与此同时，蓄能器413的压缩能得到释放，且随即转化为平置齿条412的机械动能，且机械动能借由齿轮传动机构312以转化为施加予桩腿2的持续推动力，从而有效地降低了对减速电机311设计功率的需求，利于节能减排设计目标的实现。

已知，当蓄能器413所接受的机械动能过大时，其极易因内腔压力过大而出现胀形或爆炸等危险情况，鉴于此，蓄能器413根据实际场景的不同还可配套有压力表414和减压阀415。压力表414的工作腔、减压阀的工作腔415均与蓄能器的压力腔相沟通，且沿着上下游方向依序而置。如此一来，蓄能器413所受到的推力超过其承载极限后，减压阀415即发生动作，以及时、有效地释放出暂存于蓄能器413中的压缩能。

另外，由图6、7中所示还可以明确地看出，能量回收子单元41还增设有柱状蓄能弹簧416。柱状蓄能弹簧416被弹性地压缩于平置齿条412和活塞杆4133之间。在平置齿条412往复地执行平移运动的进程中，柱状蓄能弹簧416同步地完成能量的储蓄/释放操作。在执行桩腿2下移操作进程中，柱状蓄能弹簧416和蓄能器413相互协作以将机械动能转化为压缩能；而在桩腿2执行上移运动的进程中，蓄能器413和柱状蓄能弹簧416所存储的压缩能同时得到释放，且随即转化为驱动平置齿条412执行平移运动的机械动能，进而借由齿轮传动机构312以实际转化为施加予桩腿2的持续推动力。由上叙述可知，由于柱状蓄能弹簧416的增配，不但有效地提升了机械动能转化、存储进程的平稳性、可靠性，而且还可有效地降低对蓄能器413最大储能能力的要求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自升式风电安装平台顶升系统，包括固桩架、桩腿以及驱动单元；所述固桩架固定于自升式风电安装平台的底部；沿其长度方向，由所述固桩架的侧壁向内延伸出有用来容置所述桩腿的工艺凹槽；所述驱动单元由所述固桩架所直接负担，以驱使所述桩腿沿着所述工艺凹槽定向地执行滑移运动；当需将自升式风电安装平台由漂浮状态转变为固定状态时，所述驱动单元启动，所述桩腿在驱动力作用下执行下移运动，且直至其下自由端与海底相顶触；而当需将自升式风电安装平台由固定状态转变为漂浮状态时，所述驱动单元重新启动，所述桩腿在驱动力作用下执行上移运动，且直至其下自由端与海底相脱离，其特征在于，还包括能量回收单元；所述能量回收单元与所述驱动单元相配套应用；当所述桩腿执行下移运动时，所述能量回收单元收集、且存储能量；而当所述桩腿执行上移运动时，所述能量回收单元释放能量。

2.根据权利要求1所述的自升式风电安装平台顶升系统，其特征在于，所述驱动单元由N组对称地布置于所述桩腿的两侧、且相互协作以同时向着所述桩腿施以拖拽力的驱动子单元构成。

3.根据权利要求2所述的自升式风电安装平台顶升系统，其特征在于，所述桩腿包括有桩状主体和竖置齿条；所述竖置齿条与所述桩状主体固定为一体，且直接由所述驱动子单元协同驱动；所述驱动子单元包括有减速电机以及齿轮传动机构；所述齿轮传动机构内置于所述固桩架中，且其被用作所述减速电机和所述竖置齿条之间的力传递过渡；所述齿轮传动机构包括有至少1件与所述竖置齿条相啮合的第一齿轮；所述减速电机被用作所述齿轮传动机构的动力源，且其可拆卸地固定于所述固桩架的侧壁上。

4.根据权利要求3所述的自升式风电安装平台顶升系统，其特征在于，所述能量回收单元由N组与所述驱动子单元相配套应用的能量子回收单元构成；所述能量回收子单元包括有承托件、平置齿条以及储能装置；所述承托件横置、且固定于所述固桩架的内腔中，且位于所述齿轮传动机构的正下方；所述平置齿条用来由所述承托件所托顶，且在所述减速电机和所述齿轮传动机构的协助作用下往复地执行平移运动，以驱得所述储能装置执行能量存储/释放动作；所述齿轮传动机构包括有至少一件与所述平置齿条直接相啮合的第二齿轮。

5.根据权利要求4所述的自升式风电安装平台顶升系统，其特征在于，在所述桩腿执行下移运动的进程中，所述平置齿条执行正向平移运动，保存于所述储能装置内腔中的气体或流体介质因受到压力作用而储蓄能量；而在所述桩腿执行上移运动的进程中，所述储能装置中的储蓄能量得以释放以助推所述平置齿条执行反向平移运动。

6.根据权利要求5所述的自升式风电安装平台顶升系统，其特征在于，所述储能装置为蓄能器；所述蓄能器包括有缸体、活塞和活塞杆；所述缸体由所述承托件所托顶、且固定；与所述活塞连接为一体的所述活塞杆由所述平置齿条所驱动。

7.根据权利要求6所述的自升式风电安装平台顶升系统，其特征在于，所述能量回收子单元还包括有压力表和减压阀；所述压力表的工作腔、所述减压阀的工作腔均与所述蓄能器的压力腔相沟通，且沿着上下游方向依序而置。

8.根据权利要求7中所述的自升式风电安装平台顶升系统，其特征在于，所述能量回收子单元还包括有柱状蓄能弹簧；所述柱状蓄能弹簧被弹性地压缩于所述平置齿条和所述活塞杆之间；在所述平置齿条往复地执行平移运动的进程中，所述柱状蓄能弹簧同步地完成能量的储蓄/释放操作。

9.根据权利要求4所述的自升式风电安装平台顶升系统，其特征在于，所述能量回收子单元还包括有第一滑轨滑块组件；所述第一滑轨滑块组件被安装于所述平置齿条和所述承托件之间，且其由与所述平置齿条可拆卸进行固定的第一滑块和与所述承托件可拆卸进行固定的第一滑轨构成。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的自升式风电安装平台顶升系统，其特征在于，还包括有第二滑轨滑块组件；所述第二滑轨滑块组件被安装于所述固桩架和所述桩腿之间，且其由与所述桩腿可拆卸进行固定的第二滑块和与所述固桩架可拆卸进行固定的第二滑轨构成。

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