一种适用于大兆瓦机组的浮力偏心式半潜漂浮式风机基础

技术领域

本发明涉及海洋工程及海上风力发电系统领域，尤其涉及一种适用于大兆瓦机组的浮力偏心式半潜漂浮式风机基础。

背景技术

半潜式风机基础具有稳定性好、使用水深范围广、建造运输安装方便等优点，成为目前浮式风机基础设计研究人员的重点研究形式之一。

为实现我国减碳目标，目前相对较为成熟的风电成为传统煤电的重要替代方案。海上风电凭借风资源情况更好、对环境与人类生产生活影响较小、靠近中国沿海经济中心有利于就近消纳等优点成为风电重要发展方向。近岸开发区域有限，海上风电走向深远海已成为必然趋势。固定式基础应用于深远海风电不具有经济可行性，因此需要开发稳性、运动性能优异、具有技术可行性且用钢量较小、建造安装方便、具有经济性的浮式风机基础型式。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种适用于大兆瓦机组的浮力偏心式半潜漂浮式风机基础，不仅具有良好的稳性及运动性能，且节省钢材量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种适用于大兆瓦机组的浮力偏心式半潜漂浮式风机基础，包括半潜漂浮式风机基础，所述半潜漂浮式风机基础包括三个垂直立柱、三个水平浮箱、三组撑杆和两个垂荡板；三个所述垂直立柱分别位于等边三角形的三个顶点所在位置，三个所述水平浮箱分别用于连接相邻两个所述垂直立柱的底部，三组撑杆分别用连接相邻两个所述垂直立柱的顶部和顶部，三个垂直立柱包括两个非风机立柱和一个风机立柱，两个非风机立柱形状相同，两个所述垂荡板分别连接在两个所述非风机立柱的底部，所述风机立柱底部或整体加粗。

进一步地，所述非风机立柱形成为包括第一中心立柱和第一立柱水线面加粗段，所述第一立柱水线面加粗段固定在所述第一中心立柱上，所述第一立柱水线面加粗段的直径大于所述第一中心立柱的直径。

进一步地，所述风机立柱形成为包括立柱底部加粗段、第二中心立柱和第二立柱水线面加粗段，所述立柱底部加粗段固定在所述第二中心立柱的底部，所述第二立柱水线面加粗段固定在所述第二中心立柱的上部，所述立柱底部加粗段和第二立柱水线面加粗段的直径均大于所述第二中心立柱的直径。所述风机立柱也可形成为一个整体的加粗立柱，所述加粗立柱的直径大于所述第一中心立柱的直径。

进一步地，所述第一立柱水线面加粗段和第二立柱水线面加粗段的直径分别大于所述第一中心立柱和第二中心立柱的直径，所述第一立柱水线面加粗段和第二立柱水线面加粗段在水线面的上下各有一定高度，所述第一立柱水线面加粗段和第二立柱水线面加粗段分别与所述第一中心立柱和第二中心立柱之间沿着径向方向形成一层防撞隔离舱。

进一步地，所述第二立柱水线面加粗段、立柱底部加粗段与所述第二中心立柱之间直接连接或者是通过过渡段间接连接，所述过渡段为倾斜轴板或封闭圆台。所述第一立柱水线面加粗段与第一中心立柱之间的连接和所述第二立柱水线面加粗段、立柱底部加粗段与所述第二中心立柱之间连接相似。

进一步地，所述水平浮箱的横截面为圆形或正方形，水平浮箱底部与垂直立柱底面位于同一水平面，所述水平浮箱的内部为压载舱。

进一步地，每组所述连接立柱的撑杆均包括一根水平支撑杆与两根斜向支撑杆，所述水平支撑杆的两端分别与相邻的第一中心立柱和第二中心立柱的上部连接，两个所述斜向撑杆的顶部与所述水平支撑杆的中部连接，底部分别和相邻的立柱底部加粗段和第一中心立柱的底部连接。

进一步地，所述垂荡板为一薄板，可以根据结构强度要求增设加强结构，可位于浮箱或立柱底部，可向内侧或外侧延伸一定的长度。所述垂荡板为圆环、规则矩形或其他形状，可为连续薄板或者有间断。

进一步地，所述适用于大兆瓦机组的浮力偏心式半潜漂浮式风机基础还包括安装在半潜漂浮式风机基础上的风机机组、系泊系统和动态电缆。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明提供的半潜漂浮式风机基础，中心立柱直径较小，立柱间跨距较大，能够在节省建造钢材量的同时实现较好的平台稳性；

(2)风机立柱的立柱底部加粗段直径大于非风机立柱中心立柱直径的加粗立柱的设计，可以在风机机组底部直接提供较大浮力，大大降低了非风机立柱以及靠近非风机立柱的水平浮箱的重量以及内部压载量，从而可以简化非风机立柱与水平浮箱的内部舱室划分，降低了钢材量与建造难度；同时降低了水平浮箱与连接立柱的撑杆所受弯矩大小，可以简化水平浮箱的内部加强结构并减小连接立柱的撑杆的直径，进一步降低钢材量与建造难度；

(3)立柱水线面加粗段的设计，能在增加少量钢材的情况下，在水线面附近提供较大的恢复力矩，提高整体的稳性，降低运行工况平台总体倾角，改善风机发电效率；同时，立柱水线面加粗段的设计，相当于给立柱外侧加了一层防撞隔离舱，水线面附近的碰撞不会造成中心立柱破舱，即不会对半潜漂浮式风机基础的稳性造成明显影响，从而可以简化中心立柱的内部舱室划分，降低了钢材量与建造难度；

(4)水平浮箱横截面可为正方形或其他形状，布局呈现三角形，结构构造上较为稳定；水平浮箱水平截面尺寸较小，远离水线面，受到的波浪力更小，半潜漂浮式风机基础的波浪载荷特征更好；水平浮箱可在码头等水深有限区域提供足够的浮力，保证码头总装调试及港道拖航作业的顺利进行，有效避免海上安装的高昂费用；水平浮箱在风机安装与运行海域可开口直接与外部海水连通，无需通过压载泵将海水注入水平浮箱内的压载水舱从而使半潜漂浮式风机基础达到设计吃水位置，简化了水平浮箱内部压载水舱以及内部管路设计，降低了半潜漂浮式风机基础建造费用；

(5)立柱及浮箱底部的垂荡板结构，设在立柱或浮箱的内侧或外侧，可增加半潜漂浮式风机基础的附加质量与运动阻尼，起到调节半潜漂浮式风机基础运动固有周期的作用；同时垂荡板结构可根据需要设置为连续或断开，减少与动态电缆、系泊缆的干涉可能性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的适用于大兆瓦机组的浮力偏心式半潜漂浮式风机基础的三维示意图；

图2为本发明提供的半潜漂浮式风机基础的一实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的半潜漂浮式风机基础的另一实施例的结构示意图；

图4为图2半潜漂浮式风机基础吃水线以下的俯视图。

附图标记说明：

1-风机机组，11-风机叶片，12-机舱，13-塔筒，2-半潜漂浮式风机基础，21-垂直立柱，22-水平浮箱，23-撑杆，24-垂荡板，25-隔离防撞舱，211-风机立柱，212-非风机立柱，2111-风机立柱底部加粗段，2112-第二中心立柱，2113-第二立柱水线面加粗段，2114-加粗立柱，2121-第一中心立柱，2122-第一立柱水线面加粗段，231-水平支撑杆，232-斜向支撑杆，3-系泊系统，31-系泊缆，32-系泊锚，4-动态电缆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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系统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，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的实施例提供了一种适用于大兆瓦机组的浮力偏心式半潜漂浮式风机基础，所述半潜漂浮式风机基础包括三个垂直立柱、三个水平浮箱、三组撑杆和两个垂荡板；三个所述垂直立柱分别位于等边三角形的三个顶点所在位置，三个所述水平浮箱分别用于连接相邻两个所述垂直立柱的底部，三组撑杆分别用连接相邻两个所述垂直立柱的顶部，三个垂直立柱包括两个非风机立柱和一个风机立柱，两个非风机立柱形状相同，所述风机立柱底部或整体加粗，两个非风机立柱和风机立柱的中心分别位于等边三角形的三个顶点。风机立柱的立柱底部加粗段或加粗立柱提供较大的浮力直接与风机机组的大部分重力平衡，大大降低非风机立柱与水平浮箱内的重量与压载量，同时减小水平浮箱与撑杆所受弯矩大小，减少非风机立柱、水平浮箱、撑杆的用钢量与建造难度。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供一种适用于大兆瓦机组的一种重心浮力偏心式的半潜漂浮式风机基础，包括风机机组1、半潜漂浮式风机基础2、系泊系统3、动态电缆4。

所述风机机组1包括风机叶片11、机舱12、塔筒13，所述机舱12安装在所述塔筒13的顶部，所述风机叶片11与机舱12连接，所述风机机组1通过塔筒13与半潜漂浮式风机基础2连接。

所述半潜漂浮式风机基础2用于承载上部的风机机组1，包括三个垂直立柱21、三个水平浮箱22、三组撑杆23、两个垂荡板24，通过多点分布式系泊系统3实现海上定位。

所述系泊系统3包括系泊缆31、系泊锚32。系泊缆31顶端与垂直立柱21连接，具体连接位置由具体水深及系泊系统设计确定，可以为水线面以上的垂直立柱21侧面或水线面以下靠近垂直立柱21底端的侧面。系泊缆31底端通过系泊锚32固定于海底。

如图2所示，三个所述垂直立柱21包括一个风机立柱211与两个非风机立柱212，其中两个非风机立柱212形状相同，三个垂直立柱21底面的形心分别位于等边三角形的顶点。所述非风机立柱212包括第一中心立柱2121和第一立柱水线面加粗段2122，所述风机立柱211包括立柱底部加粗段2111、第二中心立柱2112和第二立柱水线面加粗段2113。所述塔筒13的底端通过尺寸过渡等结构形式与垂直立柱21中的风机立柱211的上部连接，过渡部分可位于风机立柱211以上，或者位于风机立柱211内部。

所述风机立柱211的立柱底部加粗段2111在风机底部直接提供较大浮力与风机机组1的大部分重力或全部重力平衡，从而减少非风机立柱212与靠近非风机立柱212 的水平浮箱22部分重量以及内部压载量，因此，非风机立柱212可采用较小直径减少用钢量，也可简化非风机立柱212与水平浮箱22内部舱室划分，减少用钢量并降低建造难度。

进一步地，风机机组1的大部分重力或全部重力与风机立柱211提供的浮力直接平衡，减少了水平浮箱22与撑杆23所受弯矩大小，可以简化水平浮箱的内部加强结构并减小连接立柱的撑杆的直径，进一步降低钢材量与建造难度。所述第二立柱水线面加粗段2113与第一立柱水线面加粗段2122相当于给第二中心立柱2112与第一中心立柱2121在水线面附近的外侧套一层大直径壳体，在水线面上下各有一定高度，从而提供较大的恢复力矩，因此，所述第二中心立柱2112与第一中心立柱2121可采用较小直径减少用钢量，利用第二立柱水线面加粗段2113与第一立柱水线面加粗段2122 提高半潜漂浮式风机基础的稳性。

如图4所示，进一步地，所述第二立柱水线面加粗段2113、第一立柱水线面加粗段2122分别与所述第二中心立柱2112、第一中心立柱2121之间形成一层防撞隔离舱 25，简化所述第二中心立柱2112、第一中心立柱2121的内部舱室划分，降低了用钢量与建造难度。

所述风机立柱211的立柱底部加粗段2111与第二中心立柱2112、第二立柱水线面加粗段2113与第二中心立柱2112之间可直接连接，也可通过倾斜轴板、封闭圆台等形式作为过渡段连接，具体由结构设计及建造难度确定。所述非风机立柱212的第一立柱水线面加粗段2122与第一中心立柱2121之间的连接和风机立柱211立柱第二水线面加粗段2113与第二中心立柱2112之间的连接相似。

所述水平浮箱22最低端与垂直立柱21底面位于同一水平面，每个所述水平浮箱22与相邻两垂直立柱21连接，用于在码头等水深有限区域提供足够的浮力，保证码头总装调试及港道拖航的可实施，避免了海上安装的高昂费用。进一步地，水平浮箱22的横截面可为圆形、正方形或其他形状，承受多个方向弯矩的能力较为均匀，结构上更为稳定。进一步地，水平浮箱22水平截面的尺寸较小，离水线面较远，因此受到的波浪力较小，半潜漂浮式风机基础2的运动性能更好，从而提高风机全年的发电时间。

进一步地，由于在位服役期间半潜漂浮式风机基础2吃水基本不变，不需经常调整压载量，因此水平浮箱22内部仅设压载舱，不设人员检修通道及较长的压载管路，可以通过接口接入相邻垂直立柱21中的压排载管路完成所需压排载操作，在提高压载利用率的同时，降低了浮箱22的建造难度与钢材量，也可以直接将水平浮箱22与外部海水连通，无需通过压载泵向水平浮箱22内部的压载水舱压载，简化浮箱22的内部管路，降低浮箱22的建造难度与钢材量。

所述连接立柱的撑杆23每组均由一根水平支撑杆231与两根斜向支撑杆232组成，所述水平支撑杆231与相邻两垂直立柱21的中心立柱2121或2112上部连接，所述斜向支撑杆232分别与水平支撑杆231中部和相邻垂直立柱21的风机立柱211的立柱底部加粗段2111的下部或非风机立柱212的中心立柱2121下部连接。进一步地，所述水平支撑杆231与两根斜向支撑杆232的直径可不同。优选地，所述斜向支撑杆232 与风机立柱211的立柱底部加粗段2111的下部或非风机立柱212的中心立柱2121下部连接的位置高于水平浮箱22的高度，避免斜向支撑杆231与水平浮箱22的干涉，减少斜杆穿插浮箱带来的建造焊接难度。采用所述撑杆23的形式能够提高结构的整体稳定性，减少浮箱所需承担的载荷，因此可降低浮箱的钢材量。

所述垂荡板24为一薄板，可通过焊接或螺栓连接或其他连接形式固定于浮箱或立柱底部，可向半潜漂浮式风机基础2围成的三角区域内侧或外侧水平延伸一定的长度，所述垂荡板24有利于增加半潜漂浮式风机基础2的附加质量和运动阻尼，调节半潜漂浮式风机基础2运动固有周期等运动性能。所述垂荡板24可为圆环、规则矩形或其他形状，可以根据结构强度增加加强结构，可为连续一块薄板或者有间断，避免与动态电缆4、系泊缆31等的干涉。垂荡板24的结构破坏或脱落不对垂直立柱21及水平浮箱22的结构完整性造成影响。

风机机组1所发电量通过所述动态电缆4进行外输，所述动态电缆4可通过风机立柱211底部接入，也可以从风机立柱211外部爬升，或采用其他爬升方式与风机机组连接。

作为上述半潜漂浮式风机的一个具体实施例，针对15MW风力发电机组，适用于大兆瓦机组的一种重心浮力偏心式的半潜漂浮式风机基础的典型尺度为：风机立柱的立柱底部加粗段直径为19m，风机立柱与非风机立柱的中心立柱直径为10m，垂直立柱中心间跨距为85m；风机立柱与非风机立柱的水线面加粗段直径为15m，高度为水线面上下各5m；水平浮箱截面直径为4m，风机立柱与非风机立柱之间的水平浮箱长为70.5m，非风机立柱之间的水平浮箱长为75m；撑杆直径为2.5m；垂荡板直径为28m；总体吃水为20m，立柱干舷为12m，排水量为10803t。

本发明提供的半潜漂浮式风机基础2能够在节省钢材量的同时，实现较好的稳性与运动性能，保证了风机全年的发电时长以及在50年一遇恶劣海况下的安全；风机立柱211的立柱底部加粗段2111提供较大的浮力直接与风机机组1的大部分重力平衡，大大降低非风机立柱212与水平浮箱22内的重量与压载量，同时减小水平浮箱22与撑杆23所受弯矩大小，减少非风机立柱212、水平浮箱22、撑杆23的用钢量与建造难度；水平浮箱22在风机安装水域直接与外部海水连通，无需通过压载泵向水平浮箱 22内部的压载水舱压载，简化浮箱22的内部管路，降低浮箱22的建造难度与钢材量；垂直立柱21与水平浮箱22可提供足够的浮力，因此总装调试不受国内绝大多数码头水深的限制，风机机组1与半潜漂浮式风机基础2可选择靠近服役地点的建造场地进行总装调试，然后整体拖航，避免了整体长距离拖航带来的风险，减少了运输安装费用。

实施例2

如图3所示，实施例2与实施例1的不同在于风机立柱211的立柱底部加粗段2111、第二中心立柱2112和第二立柱水线面加粗段2113也可由直径大于非风机立柱212的第一立柱水线面加粗段2122直径的加粗立柱2114代替，加粗立柱2114在风机底部直接提供较大浮力与风机机组1的大部分重力或全部重力平衡，在减少非风机立柱212 与靠近非风机立柱212的水平浮箱22部分重量以及内部压载量的同时减低风机立柱的建造难度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。