一种海上风电筒形基础、格构式抗冰装置及风力发电机组

技术领域

本发明属于海上风电装备抗冰技术领域，具体涉及一种海上风电筒形基础、格构式抗冰装置及风力发电机组。

背景技术

随着能源转型的要求，风电由于其技术成熟度以及较低的度电成本，已经成为绿色能源中发展最快的能源之一。而海上风电由于靠近电力消纳中心，不需要占用陆地面积，因此在最近几年的发展更受到政府和开发商的支持。

在海上风电场的建设中，在辽宁、河北、天津等沿海省份的海域中，由于气候的原因需要考虑基础结构遭受海冰的撞击作用。由于海冰的撞击力较大且冰载的作用模式多样，可能会导致海上风里发电机组的支撑结构的极限和疲劳受到较大的影响。因此，在有海冰的海域中设计风机基础时，需要设计成海冰先于结构遭到破坏。当前重冰区海域的大型钢结构建筑物抗冰装置的设计方法是在基础筒柱上的潮差段安装抗冰锥，当浮冰作用于椎体斜面时，浮冰的破坏模式由挤压破坏转变为弯曲破坏，因此抗冰锥有助于减小浮冰的撞击荷载。

然而，当前的抗冰锥设计极大增大了水线面，在没有浮冰时会增大波浪作用的极限载荷和疲劳载荷，从而造成基础筒柱的工程量更大以抵御波浪的载荷；并且，现有的抗冰锥设计斜面曲率不变，并没有最高效地减小浮冰的冲击力，不能保证不同厚度的浮冰都的破坏模式都为弯曲破坏。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种格构式抗冰装置，既可以通过抗冰锥壳板曲率的改变减小浮冰的冲击力，使得浮冰更容易发生弯曲破坏，最终起到降低冰载荷的作用；又可以通过纵板开孔以减少水线面达到非冰冻期减小波浪载荷的作用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种格构式抗冰装置，包括横板和纵板，多个纵板沿周向均匀设置在横板上，相邻两个纵板之间设置加筋板，纵板和加筋板关于横板上下对称布置。

纵板外侧的轮廓线以超椭圆曲线进行描述，满足下列公式：(x/a)

加筋板的外形为平板或弧形板。

加筋板设置在靠近横板外缘的位置。

横板、纵板以及加筋板上设防腐层。

纵板的数量为8·N个，N＝1,2,3,4。

纵板上开设减重孔。

加筋板靠近横板的边与横板固定连接，加筋板的两个侧边固定连接纵板。

一种海上风机基础，采用筒形基础，筒形基础的下部设置本发明所述抗冰装置，筒形基础与抗冰装置通过焊接或螺栓连接。

一种海上风力发电机组，风机机组设置在塔架的顶部，塔架的下方采用筒形基础，筒形基础的外侧设置抗冰装置，抗冰装置采用本发明所述格构式抗冰装置。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明所述格构式抗冰装置对海冰的作用形成弯曲破坏，可最大限度降低海冰强度，从而减小海冰的冲击力；通过优化纵板的外形，通过变曲率的纵板外形，减小了海冰的冲击力，并更有利于产生弯曲破坏；与普通锥形抗冰锥相比，相同直径下，由于减重孔使得抗冰装置重量更轻，水线面更小，可以更好减小波浪载荷的作用；施工简单、快速，不需要设置壳板，不需要灌浆，所需施工设备很少，施工成本低。

附图说明

下面结合附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的以上和其它特点及优点将变得更加清楚。

图1是海上风机结构示意图。

图2是8纵板格构式抗冰装置结构示意图。

图3是海上风机基础抗冰装置纵板正视示意图。

图4a是8纵板格构式抗冰装置主视示意图。

图4b是8纵板格构式抗冰装置俯视示意图。

图5是16纵板格构式抗冰装置俯视示意图。

图6是24纵板格构式抗冰装置俯视示意图。

附图中：1-风机机组，2-塔架，3-筒形基础，4-抗冰装置，41-横板，42-纵板，43-加筋板，44-减重孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述，在附图中示出了本发明的实例性实施例。

参考图1和图2，根据本发明的一个方面，提供了一种抗冰装置，所述抗冰装置围绕基础筒体设置。所述一种新型海上风机基础抗冰装置安装在风机机组1、塔架2下方的筒形基础3上，抗冰装置4主要包括：横板41，纵板42，加筋板43，减重孔44。

所述抗冰装置包括多个抗冰构件，横板41、纵板42以及加筋板43，纵板42上开设减重孔44。所述的抗冰装置结构中，上下纵板42连接在横板41和筒形基础3上，可采用焊接或者螺栓连接，纵板41之间通过加筋板43相连接，增强抗冰装置的整体刚度和强度。

所述的抗冰装置结构中，不需要设置壳板，不需要灌浆，因此纵板上的减重孔可以减少波浪载荷，抗冰装置结构形式简单，重量轻，制造成本低。

所述的抗冰装置结构中，纵板42关于横板41上下对称，所述抗冰装置的正视图中，纵板外侧的轮廓线以超椭圆曲线进行描述，如图4所示，抗冰锥纵板正视图的外形曲线满足下列公式：

(x/a)

其中，x、y分别代表所述轮廓线上的任意一点在局部坐标系x轴长轴和y轴短轴上的坐标值，a代表所述主浮筒1俯视图外轮廓线在X轴上的宽度的1/2值，b代表所主浮筒1俯视图外轮廓线在Y轴上的高度值。在所述抗冰锥纵板正视图的外形满足的公式中，m＝n且均满足在[1.0,2.5]的区间内。

超椭圆函数式是基于椭圆函数提出的一种新的形状函数式，通过两个变量m和n能够绘出包括椭圆在内的一族曲线。根据超椭圆函数式绘出的曲线称为超椭圆曲线；当m＝n＝2时，超椭圆曲线退化为椭圆曲线；当m＝n＝1时，超椭圆曲线退化为直线；由于引入了变量m和n，使得设计域的范围变大，因此，在形状优化过程中，通过设置合适的m和n值来实现减小SCF值的目的。

如果m和n在[1.0,2.5]的区间之外，则无法实现上述效果。详细地，在m和n小于1.0的情况下，抗冰装置的形状趋近于凸的椭圆，不能起到使浮冰弯曲破坏的作用，并且会增大水线面，造成非冰期时的疲劳载荷过大；在m和n大于2.5的情况下，抗冰锥的形状曲率变化不平缓，会导致局部受到浮冰的冲击过大，导致抗冰装置的极限破坏。

在横板41、纵板42以及加筋板43的表面设防腐层。

本发明提出的一种格构式抗冰装置，可以沿着筒形基础周向均匀设置若干个纵板42，起到加强肋的作用，参考图4a，图4b，图5和图6，分别给出了8纵板、16纵板、24纵板的抗冰装置结构示意图；

如图3所示，本发明提出的一种格构式抗冰装置，不需要设置壳板，不需要灌浆，因此纵板上的减重孔44可以减少波浪载荷，抗冰装置结构形式简单，重量轻，制造成本低。

将本发明所述的海上风电基础格构式抗冰装置的施工安装方法，包括以下步骤：

在岸上将抗冰装置构件安装于筒形基础外部，通过焊接或者螺栓连接方式均可；

通过螺栓连接时，需要在纵板42上设置连接耳板，连接耳板上开设螺栓孔，筒形基础3上预装螺栓，将耳板与所述螺栓连接。

更进一步的，横板41上也设置连接耳板，连接耳板上开设螺栓孔，筒形基础3上预装螺栓，将耳板与所述螺栓连接。

在海上作业时将筒形基础3进行打桩和沉桩施工筒形基础3。

当抗冰装置受到破坏时，可直接对横板41，纵板42，加筋板43进行更换。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。