CN207659997U - 抗冰装置及其海上风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种抗冰装置及其海上风力发电机组。所述抗冰装置包括多个抗冰构件，其中，所述多个抗冰构件环绕所述结构主体，且包括朝向所述结构主体的外侧突出的破冰部，所述多个抗冰构件以预定间隔沿所述结构主体的轴向布置，且所述多个抗冰构件的布置范围覆盖所述结构主体的潮位区间。根据本实用新型的抗冰装置，可对海冰造成裂纹损伤，最大限度的降低海冰强度，从而可以减小静冰载以及动冰载。而且考虑冬季潮位影响，设置具有多层的抗冰装置，从而可以避免海冰高程随潮位改变带来的影响。而且，与已有抗冰装置相比，材料更省，成本更低，并且不会带来额外的波浪载荷增加。

Description

抗冰装置及其海上风力发电机组

技术领域

本实用新型属于抗冰技术领域，更具体地，涉及一种抗冰装置及其海上风力发电机组。

背景技术

由于海上风力发电机组的基础处于海上，因此位于高纬度海域的海上风力发电机组的结构基础会遭受海冰的冲击作用。由于海冰冲击力较大且动冰载作用模式多样，导致海冰会对海上风力发电机组的结构极限以及疲劳造成较大的影响。因此，有必要对风力发电机组的结构进行抗冰设计。

现有技术中常见的抗冰装置主要包括加装抗冰锥，增加阻尼器以及在结构外部增加纵向冰刃。图1示意性地示出了现有技术的包括抗冰锥结构的风力发电机组，图2示意性地示出了现有技术的包括纵向冰刃结构的风力发电机组。在图1和图2中，101指塔筒，102指机舱，103指叶轮轮毂。

参照图1，抗冰锥104设置在海上风力发电机组100的冬季水面处，其通过改变海冰破坏形式(由挤压破坏变为弯曲破坏)的方法来减小冰载。该方法虽然起到了降低冰载的作用，但是对于风力发电机组而言周期性冰载的问题依旧存在。此外，由于抗冰锥104的结构尺寸较大，会引起较大的波浪载荷。另外，由于抗冰锥104的质量大，因此其也不是一种经济的结构设计。

阻尼器通常设置在风力发电机组的机舱内，也可以设置在塔筒内。阻尼器通过被调谐为其频率与风力发电机组的自振频率一致并改变结构的动态响应以转换冰载的作用模式(由频率锁定变为随机振动)，使其能够吸收结构的振动能量，从而改变结构与海冰的相对速度，转换海冰与结构的相互作用模式，以达到减小冰载的目的。设置阻尼器的方法对于减小结构一阶频率锁定的动态冰载荷放大问题效果显著，但对于二阶频率锁定以及准静态冰载放大问题没有作用，且无法降低均值冰载。此外，阻尼器的使用对机舱或塔筒的空间布置造成了较多的额外工作，并且也会造成额外的成本问题。

参照图2，纵向冰刃105沿高度方向设置在海上风力发电机组100的桩基水面处，并且在水平面各个方向上辐射。纵向冰刃105通过设置在海上风力发电机组100的桩基水面处能够击碎海冰，从而减小冰载。但纵向冰刃105目前仅适应于高刚度大尺度的桩基结构，例如高桩承台，重力式结构等。此外，对于纵向冰刃105的安装，也会造成额外的波浪载荷。

实用新型内容

本实用新型的技术构思从海冰破碎机理入手，通过在结构外部采用使海冰弱化的抗冰装置，使海冰在与结构主体接触前内部产生裂纹，从而降低强度以起到降低冰载荷的作用。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种抗冰装置，所述抗冰装置围绕结构主体设置，所述抗冰装置包括多个抗冰构件，其中，所述多个抗冰构件环绕所述结构主体，且包括朝向所述结构主体的外侧突出的破冰部，所述多个抗冰构件以预定间隔沿所述结构主体的轴向布置，且所述多个抗冰构件的布置范围覆盖所述结构主体的潮位区间。

根据本实用新型的示例性实施例，所述多个抗冰构件可以具有等腰三角形截面，截面的顶点朝向所述结构主体的外侧。

根据本实用新型的示例性实施例，所述多个抗冰构件可以相互平行设置，或者可以呈螺旋状。

根据本实用新型的示例性实施例，在所述结构主体的轴向上相邻的抗冰构件之间的距离可以在50mm至300mm之间。

根据本实用新型的示例性实施例，所述多个抗冰构件中的至少一个抗冰构件可以包括彼此间隔开的多个段。

根据本实用新型的示例性实施例，所述抗冰构件与水平面的夹角可以小于或等于30°。

根据本实用新型的示例性实施例，所述抗冰构件锥角可以在30°至60°之间。

根据本实用新型的示例性实施例，所述抗冰构件在所述结构主体的轴向上的跨度可以在8mm至12mm之间。

根据本实用新型的示例性实施例，所述抗冰装置还可以包括在相邻的所述抗冰构件之间沿所述结构主体的轴向延伸的至少一个抗冰刀，且在所述抗冰构件和/或所述抗冰刀上可以形成有防腐层。

根据本实用新型的示例性实施例，根据本实用新型的另一方面，提供了一种海上风力发电机组，所述海上风力发电机组的单桩基础包括如上所述的抗冰装置。

以上简要地描述了本实用新型的技术构思。本实用新型的技术方案至少能够产生但不限于以下的有益技术效果：

1、对海冰造成裂纹损伤，可最大限度的降低海冰强度，从而减小静冰载以及动冰载。

2、考虑冬季潮位影响，设置具有多层的抗冰装置，从而避免海冰高程随潮位改变带来的影响。

3、考虑不同海域海冰厚度，设置间距，优化结构尺寸，从而确保海冰在弱化前不会直接接触结构主体并达到最佳弱化海冰强度的效果。

4、与抗冰锥结构相比，相同直径下，材料更省，成本更低，并且不会带来额外的波浪载荷增加。

5、与阻尼器相比，抗冰作用更明显，并且能应对多种模式的冰激振动，成本更低，且不会存在空间布置的问题。

6、与纵向冰刃相比，该装置可以用于更多的海上风电桩基(如：单桩，导管架等)，并且不会带来额外的波浪载荷。

附图说明

图1示意性地示出了现有技术的包括抗冰锥结构的风力发电机组；

图2示意性地示出了现有技术的包括纵向冰刃结构的风力发电机组；

图3示意性地示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的抗冰装置的主视图；

图4示意性地示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的抗冰装置的俯视图；

图5示出了图3的A部分的放大图；

图6示意性地示出了根据本实用新型的另一个示例性实施例的抗冰装置的主视图；

图7示意性地示出了根据本实用新型的另一个示例性实施例的抗冰装置的俯视图；

图8示意性地示出了根据本实用新型的又一个示例性实施例的抗冰装置的主视图。

具体实施方式

提供以下具体实施方式，以帮助读者获得对本实用新型的全面理解。然而，在理解了本申请的公开内容后，在此所描述的实施例的各种改变、变型及等同物将是显而易见的。此外，为了增加清楚性和简洁性，可能会省略本领域中已知的特征的描述。

为克服现有技术的不足，在下面的示例性实施例中，提供了一种抗冰装置。根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置可以应用于海上风力发电机组。然而，本实用新型的示例性实施例不限于此，也就是说，在本实用新型的技术构思的教导下，根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置可以适用于其它装置的抗冰环境，诸如水上钻井平台等。

以下，将结合附图来描述根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置的示例性结构。

根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置围绕结构主体设置，并且包括多个抗冰构件，其中的每个抗冰构件环绕结构主体，且包括朝向结构主体的外侧突出的破冰部，多个抗冰构件以预定间隔沿结构主体的轴向布置，且多个抗冰构件的布置范围覆盖结构主体的潮位区间。

根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置设置在结构主体的外侧，这里使用的术语“结构主体”可以指风力发电机组的风电桩基，例如，单桩基础(指大直径桶型结构基础，该结构通常为圆环型截面，壁厚很厚，是将塔底载荷传递到土壤的主要结构之一)、导管架等，并且本领域技术人员在领会本实用新型的技术构思之后也可以将术语“结构主体”理解为其它可应用本实用新型的抗冰装置的基础结构。因此，在下文中，为了便于理解，以单桩基础作为示例来描述“结构主体”。

潮位区间指结构主体上的最高潮位HAT与最低潮位LAT之间的区域，由于海冰浮在水面上，因此根据潮位的变化，海冰与结构主体碰撞的位置也会不同，通过在使抗冰构件覆盖整个潮位区间，可有效地应对冰载。

如图3至图5中所示，根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置20可以与单桩基础10一体地形成，或者可以至少部分地用较为坚硬的材料(例如，硬质金属(诸如，合金钢)等)制成并以本领域的任何可行的结合方式安装于单桩基础10的外侧。例如，在一个示例中，抗冰装置20可以在制造单桩基础10的过程中与单桩基础10一体地成型，而在另一个示例中，抗冰装置20可以焊接安装在单桩基础10的外侧，在又一示例性实施例中，抗冰装置20可以部分地与单桩基础10一体地形成，且剩余部分可以安装到单桩基础10上。然而，上述示例仅是示例性的，本实用新型的示例性实施例不限于此。

另外，基于硬度的考虑，根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置20可以设置为具有实心的形状，然而，本实用新型的示例性实施例不限于此。也就是说，根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置20可以具有中空的结构，或者在其边缘处可以具有突出或凹陷的形状。

根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置20包括多个抗冰构件21，相邻的抗冰构件间隔地布置。每个抗冰构件21可具有等腰三角形的截面，截面的顶点朝向单桩基础10的外侧。此时，该顶点部分构成用于与海冰I碰撞使其产生裂纹的破冰部。

抗冰构件21可以为一体式构造，但是不限于此。抗冰构件21可包括上单体211和下单体212，每个上单体211和每个下单体212沿单桩基础10的轴向的截面可以为直角三角形，所述直角三角形的一直角边紧邻单桩基础10，另一直角边垂直于单桩基础10，上单体211的所述截面和下单体212的所述截面一起可以构成等腰三角形，如图5中所示。

这里，上单体211与下单体212中的每个的截面的斜边与单桩基础10的夹角(在下文中，称为锥角)θ1可以基于风力发电机组所处的环境(例如，针对不同冰区，海冰I的强度不同)而变化。也就是说，针对不同冰区以及不同的海冰I的强度，可以对锥角θ1进行调整。因此，根据本实用新型的示例性实施例的锥角θ1可以被设置为具有30°至60°的范围(例如，被设置为45°)。这里，上单体211与下单体212的各处的锥角θ1可以具有同一值或者可以至少部分地具有不同值。

此外，对于由上单体211与下单体212构成的抗冰构件21，每个抗冰构件21的跨度(例如，等腰三角形的底边的长度)H2也可以基于风力发电机组所处的环境(例如，针对不同冰区，海冰I的强度不同)而变化，并且可以被设置为在8mm至12mm之间。

如上所述，由于限定了锥角θ1和跨度H2，因此，可以确定每个抗冰构件21的高度(等腰三角形的高度)H1。

由于根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置20包括多个间隔布置的抗冰构件21，因此，针对不同的环境可以对抗冰构件21之间的间隔(位于上面的上单体211的底部与位于下面的上单体211的底部之间的距离)d1进行合理设置。例如，相邻的抗冰构件21之间的间隔可以被设置为具有50mm至300mm的范围。虽然图3中示出的相邻的抗冰构件21等间隔地布置，然而，本实用新型的示例性实施例不限于此，也就是说，对于抗冰构件21的等间隔地布置或不等间隔地布置取决于制造工艺、海域状况、海冰强度、厚度以及潮差变化等人为条件、自然条件的影响。

在一个具体示例中，当将根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置20安装于单桩基础上10时，每个抗冰构件21可以被设置为具有45°的锥角θ1、4mm的高度H1以及8mm的跨度H2，并且相邻的抗冰构件21之间可以以100mm的间隔d1等距离地布置，从而可以保证海冰I在接触该装置前不会直接冲击桩基结构主体。

由于可以根据实际情况来调节抗冰构件21之间的间隔d1，因此可以基于抗冰构件21的设置范围(例如，与海冰I的接触区域)以及抗冰构件21之间的间隔来设置抗冰构件21的数目。例如，如图3中所示，根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置20设置在最高潮位HAT和最低潮位LAT之间，因此，可以通过最高潮位HAT与最低潮位LAT之间的距离以及相邻抗冰构件21之间的间隔来确定抗冰构件21的数目。

此外，对于平均潮位MSL处，由于该位置较最高潮位HAT和最低潮位LAT更频繁地受到海冰I的冲击，因此，可以增加平均潮位MSL附近的抗冰构件21的密度，并且可以对平均潮位MSL附近的抗冰构件21的材质进行优化，以提高其耐受程度。

以上，结合图3至图5描述了根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置20，在该示例性实施例中，抗冰构件21沿圆柱状的单桩基础10的外侧周向地延伸，并且具有大致为环形圆锥的连续的形状，且各抗冰构件21平行于水平面。然而本领域技术人员可以进行适当变形。例如，可以将至少一个抗冰构件21设置为包括多个不连续的段(未示出)，也就是说，至少一个抗冰构件21可以不连续地设置在单桩基础10的外侧。另外，可以将抗冰装置20倾斜地设置，使得抗冰构件21可以具有大致为椭圆环形圆锥的形状。对于该示例，其锥角θ1、高度H1、跨度H2以及间距d1同样适用于上述范围。另外，当倾斜地设置抗冰装置20时，抗冰装置中的每个抗冰构件21与水平面的夹角(未示出)应小于或等于30°。

通过上述示例性实施例，该抗冰装置20在与海冰I相互作用时，可以在海冰I上产生裂纹，起到弱化海冰I的作用，从而在海冰I与单桩基础10接触时，起到减小海冰I的动冰载幅值以及平均冰载的作用。此外该抗冰装置20与其它诸如抗冰锥104、阻尼器、纵向冰刃105等抗冰装置相比，相同桩径下，材料更节省，更经济，并且不会造成波浪载荷增大的副作用。

图6示意性地示出了根据本实用新型的另一个示例性实施例的抗冰装置的主视图；图7示意性地示出了根据本实用新型的另一个示例性实施例的抗冰装置的俯视图。以下，将结合图6和图7来描述根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置的另一实施例。同样的附图标记将指示同样的元件。此外，图6和图7中示出的示例性实施例与图3至图5的主要区别在于抗冰装置20还包括设置在单桩基础10的外侧的抗冰刀22，因此，将省略同样构造的重复描述。

参照图6和图7，根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置20可以包括多个抗冰构件21，多个抗冰构件21可以等间隔地或不等间隔地布置在单桩基础10的外侧，并且可以与水平面平行地或倾斜地布置。每个抗冰构件21可以包括两个对称地设置的上单体211和下单体212。

此外，根据本实用新型的示例性实施例，可以在单桩基础10的外侧设置沿其轴向延伸的抗冰刀22。根据本实用新型的一个示例性实施例，抗冰刀22可以沿单桩基础10的圆周均匀地或不均匀地布置，并且可以至少遍及单桩基础10的最高潮位HAT和最低潮位LAT之间的区域，例如，抗冰刀22可以与单桩基础10的轴向平行地布置，或者，抗冰刀22可以相对于单桩基础10的轴向倾斜地布置。

这里，抗冰刀22可以为本领域的适用于海上风电基础的抗冰刀(例如，具有一定高度和厚度的金属片或金属板)，其高度(自单桩基础10的最大距离)可以与抗冰构件21的高度H1相一致，在另一些情况下，抗冰刀22的高度可以与抗冰构件21的高度H1不一致。对于抗冰刀22的厚度，没有明确的限制，其可以为能够实现抗冰效果的任意厚度。另外，可以以任一间隔d2来布置抗冰刀22。

参照图6，其示出了抗冰刀22沿单桩基础10的轴向方向延伸的示例。在这种情况下，存在抗冰刀22越过抗冰构件21的情况、穿过抗冰构件21的情况等。

此外，抗冰刀22可以被设置为包括多个段，每个段设置在相邻的抗冰构件21之间，使得抗冰刀22无需越过或无需穿过抗冰构件21。在这种情况下，抗冰刀22可以由不同段构成，上一相邻的抗冰单元21之间的抗冰刀22的段与设置在下一相邻的抗冰单元21之间的抗冰刀22的段可以位于或不位于同一直线上。如上所述，由于根据本实用新型的示例性实施例的抗冰刀22可以均匀地或不均匀的沿单桩基础10的圆周布置，因此，上一相邻的抗冰构件21之间的抗冰刀22的段的数目可以与下一相邻的抗冰构件21之间的抗冰刀22的段的数目相同或不同。

如上所述，由于增加了抗冰刀22的设置，因此，可以增大抗冰构件21之间的间隔。例如，当参照图3至图5示出的示例性实施例的抗冰构件21之间的间隔为100mm时，当如图6和图7示出的布置抗冰刀22时，可以将抗冰构件21之间的间隔d1增大到200mm，从而可以减少抗冰构件21的数量并能够实现与参照图3至图5描述的示例性实施例的抗冰装置20同样的抗冰效果，从而减少了制造成本。

图8示意性地示出了根据本实用新型的又一个示例性实施例的抗冰装置的主视图。同样的附图标记将指示同样的元件。此外，图8中示出的示例性实施例与图3至图5的主要区别在于螺旋形地设置抗冰装置20。因此，将省略同样构造的重复描述。

参照图8，根据本实用新型的示例性实施例的抗冰装置20可以包括以螺旋上升的形式设置在单桩基础10的外侧的多个抗冰构件21。每个抗冰构件21可包括上单体211和下单体212。此外，根据本实用新型的示例性实施例的多个抗冰构件21可以顺序地连接为一体以形成为螺旋形的抗冰装置20，或者也可以间断地延伸以具有大致为螺旋形的轮廓的抗冰装置20。

此外，由于抗冰装置20螺旋地设置在单桩基础10的外侧，所以具有螺旋角θ2。这里，螺旋角θ2意指螺旋上升的抗冰装置20的每个部分与水平面的夹角，如图8中所示。根据本实用新型的示例性实施例，可以以恒定或变化的螺旋角θ2螺旋地设置抗冰装置20，且螺旋角θ2的范围可以为大于0°且小于等于30°。当以恒定的螺旋角θ2螺旋地设置抗冰装置20时，抗冰装置20的相邻的两部分之间的距离d1(位于上面的上单体211的底部与位于下面的上单体211的底部之间的竖直距离)恒定，其恒定的距离可以处于50mm-300mm之间。

由于抗冰装置20的螺旋形设计，距离d1可以较参照图3至图5描述的示例性实施例的距离d1大并能够实现同样的抗冰效果。例如，当参照图3至图5描述的示例性实施例的抗冰构件21之间的距离d1为100mm时，参照图8描述的当前示例性实施例的抗冰装置20的两相邻部分之间的距离d1可以为200mm，并且可以实现与前一示例性实施例的相同的技术效果。

因此，通过设置螺旋形抗冰装置20，可以减少抗冰装置20的材料，从而降低了生产成本。此外，当以变化的螺旋角θ2螺旋地设置抗冰装置20时，抗冰装置20的两部分之间的距离d1可以设置为具有50mm-300mm的范围。

另外，基于本实用新型的抗冰装置20的使用环境且考虑到海水的电腐蚀和化学腐蚀作用，可以对该抗冰装置20进行防腐处理。所述防腐处理可以包括本领域所公知的任何防腐处理手段，这里将不对其进行详细描述。

以上，结合附图描述了本实用新型的部分示例性实施例，然而，上述示例性实施例并不是穷举的。换言之，本领域技术人员在阅读本说明书之后基于本实用新型的技术构思可以对描述于不同实施例中的技术特征进行组合以形成新的实施例。例如，可以将如参照图6和图7描述的抗冰刀22应用于参照图8的示例性实施例中。

根据本实用新型的以上详细描述，本实用新型构思从海冰破碎机理入手，采用加装微型抗冰装置的方法，在降低了生产成本的同时，对波浪载荷几乎没有影响，并且在海冰与单桩基础接触时，其挤压强度大幅下降，从而降低了冰载荷。此外，由于抗冰装置由较为坚硬的材料制成的微型环锥体，海冰在与其接触过程中，内部会产生较多的裂纹，从而引起海冰的强度弱化。因此，本实用新型的抗冰装置可用于多种海上风电桩基，从而能够解决冰刃无法用于单桩基础的问题。

Claims (10)

1.一种抗冰装置，所述抗冰装置围绕结构主体设置，其特征在于，所述抗冰装置包括多个抗冰构件(21)，

其中，所述多个抗冰构件(21)环绕所述结构主体，且包括朝向所述结构主体的外侧突出的破冰部，

所述多个抗冰构件(21)以预定间隔沿所述结构主体的轴向布置，且所述多个抗冰构件(21)的布置范围覆盖所述结构主体的潮位区间。

2.如权利要求1所述的抗冰装置，其特征在于，所述多个抗冰构件(21)具有等腰三角形截面，截面的顶点朝向所述结构主体的外侧。

3.如权利要求1或2所述的抗冰装置，其特征在于，所述多个抗冰构件相互平行设置，或者呈螺旋状。

4.如权利要求1所述的抗冰装置，其特征在于，在所述结构主体的轴向上相邻的抗冰构件(21)之间的距离在50mm至300mm之间。

5.如权利要求1所述的抗冰装置，其特征在于，所述多个抗冰构件(21)中的至少一个抗冰构件包括彼此间隔开的多个段。

6.如权利要求3所述的抗冰装置，其特征在于，所述抗冰构件(21)与水平面的夹角小于或等于30°。

7.如权利要求2所述的抗冰装置，其特征在于，所述抗冰构件(21)锥角在30°至60°之间。

8.如权利要求2所述的抗冰装置，其特征在于，所述抗冰构件(21)在所述结构主体的轴向上的跨度在8mm至12mm之间。

9.如权利要求1所述的抗冰装置，其特征在于，所述抗冰装置还包括在相邻的所述抗冰构件(21)之间沿所述结构主体的轴向延伸的至少一个抗冰刀(22)，且在所述抗冰构件(21)和/或所述抗冰刀(22)上形成有防腐层。

10.一种海上风力发电机组，其特征在于，所述海上风力发电机组的单桩基础(10)包括如权利要求1至9中任一项所述的抗冰装置。