泥浮式海上风机基础及其组装方法

技术领域

本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种泥浮式海上风机基础及其组装方法。

背景技术

随着能源危机的日益突出，海上风电作为可再生能源，已经成为当前能源结构的重要组成部分，是解决能源危机的重要能源。海上风机基础作为海上风机系统的重要组成部分，其结构形式是决定其组装、运输方式以及成本的关键因素。

相关技术中，海上风机基础主要考虑其在正常工作时的承载能力，但未考虑其结构形式对组装和运输过程的影响，导致其在陆地上组装以及水中运输时稳定性差，不易维持平衡。

因此，目前亟待需要提供一种泥浮式海上风机基础及其组装方法来解决上述问题。

发明内容

本发明一个或多个实施例描述了一种泥浮式海上风机基础及其组装方法，结构稳定性高、易于维持平衡。

第一方面，本发明一个实施例提供了一种泥浮式海上风机基础，包括：中空的筒体、多个中空的球体、多个第一连杆和多个第二连杆；

每个第一连杆的第一端分别与所述筒体的周向侧壁连接，第二端分别与一个球体连接，以使多个球体均匀地环绕在所述筒体的周向，每个第二连杆的两端分别与相邻的两个球体连接；每个所述球体内均设置有多个独立地第一舱室，多个所述第一舱室分别沿所述球体的目标轴线对称分布，每个所述第一舱室内均设置有气-水置换阀，所述目标轴线为所述风机基础处于平衡状态时沿竖直方向的轴线；

当所述风机基础处于平衡状态时，每个所述第一连杆的轴线、每个所述第二连杆的轴线和每个所述球体的球心均在同一水平面上。

第二方面，本发明一个实施例提供了一种泥浮式海上风机基础的组装方法，应用于上述实施例所述的海上风机基础。所述组装方法包括：

按照预设的组装顺序，依次对每个第一连杆、球体和第二连杆进行组装；其中，每个第一连杆的第一端均与所述筒体的周向侧壁连接，第二端均与一个球体连接，每个第二连杆的两端分别与相邻的两个球体的侧壁连接；其中，每个第一连杆和每个第二连杆与相应球体的连线中心均经过该球体的球心；

针对每个球体，均执行：

将该球体分别与一个第一连杆的第二端，以及两个第二连杆的一端连接，并判断该球体的球心是否与该第一连杆的轴线和两个第二连杆的轴线在同一水平面上，若是，则执行S1；若否，则执行S2；

S1，将该第一连杆的第一端与所述筒体的周向外壁连接；

S2，调节该球体内各第一舱室的充水量，以使该球体的球心与该第一连杆和两个第二连杆的轴线在同一水平面内，并执行S1。

第三方面，本发明一个实施例提供了一种泥浮式海上风机系统，包括：沿竖直方向依次连接的上部风机、塔筒、塔筒连接件和上述实施例提供的海上风机基础。

第四方面，本发明一个实施例提供了一种泥浮式海上风机系统的运输方法，应用于上述实施例提供的海上风机系统，所述运输方法包括：

响应于所述风机基础与拖船处于连接状态，控制所述拖船向指定位置移动；

每隔预设时间间隔，获取所述风机基础的倾斜角度；

基于所述倾斜角度调整每个球体的充水量，以保持海上风机系统的平衡。

根据本发明实施例提供的泥浮式海上风机基础及其组装方法，通过设置中空的筒体，并通过多个第一连杆和多个第二连杆使多个球体均匀地环绕在筒体的周向上，可以提高风机基础的稳定性。另外，通过在每个球体内均匀地设置多个独立地第一舱室，且每个第一舱室内均设置有气-水置换阀。如此，当风机基础在组装或在海水中运输时，若其产生倾角，可以通过调节气-水置换阀的开启度调节各个球体的充水量而使其回正。因此，该海上风机基础稳定性高、易于维持平衡。

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是本发明一个实施例提供的泥浮式海上风机基础的结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的球体的分舱结构示意图；

图3是本发明一个实施例提供的筒体的分舱结构示意图；

图4(a)～图4(e)分别是本发明一个实施例提供的泥浮式海上风机基础组装过程的示意图；

图5是本发明一个实施例提供的海上风机系统的结构示意图；

图6为图5所示的泥浮式海上风机系统的拖航俯视示意图。

附图标记：

1-筒体；

11-第二舱室；12-第三舱室；

2-球体；

21-第一舱室；

3-第一连杆；

4-第二连杆；

5-上部风机；

6-塔筒；

7-塔筒连接件；

8-拖船。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好的理解方案，此处首先对泥浮式海上风机系统进行解释：

泥浮式海上风机系统是指风机基础可以在漂浮态和泥浮态之间转换，漂浮态是指风机基础漂浮在海面或海水中，在该种态下，上部风机工作高度较高，有利于提高发电效率，适用于海洋环境较好的情况；泥浮态是指风机基础固定于海底的泥层中，在该种态下，上部风机工作高度较低，有利于提高安全性，适用于海洋环境较恶劣的情况。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种泥浮式海上风机基础，包括：中空的筒体1、多个中空的球体2、多个第一连杆3和多个第二连杆4；

每个第一连杆3的第一端分别与所述筒体1的周向侧壁连接，第二端分别与一个球体2连接，以使多个球体2均匀地环绕在所述筒体1的周向，每个第二连杆4的两端分别与相邻的两个球体2连接；每个所述球体2内均设置有多个独立地第一舱室21，多个所述第一舱室21分别沿所述球体2的目标轴线对称分布，每个所述第一舱室21内均设置有气-水置换阀，所述目标轴线为所述风机基础处于平衡状态时沿竖直方向的轴线；

当所述风机基础处于平衡状态时，每个所述第一连杆3的轴线、每个所述第二连杆4的轴线和每个所述球体2的球心均在同一水平面上。

在该实施例中，通过设置中空的筒体1，并通过多个第一连杆3和多个第二连杆4使多个球体2均匀地环绕在筒体1的周向上，可以提高风机基础的稳定性。另外，通过在每个球体2内均匀地设置多个独立地第一舱室21，且每个第一舱室21内均设置有气-水置换阀。如此，当风机基础在组装或在海水中运输时，若其产生倾角，可以通过调节气-水置换阀的开启度调节各个球体2的充水量而使其回正。因此，该海上风机基础稳定性高、易于维持平衡。

需要说明的是，第一连杆3与筒体1和球体2的连接、第二连杆4与球体2的连接可以通过法兰或者套筒进行连接，也可以直接焊接，本发明不对其连接方式进行限定，只需要保证每个球体2的球心到筒体1的轴线的垂直距离相等即可。另外，每个舱室上均设置有一个气-水置换孔，气-水置换孔与相应气-水置换阀的入口连通，以通过气-水置换孔向相应舱室充水或放水。此外，气-水置换阀均未示出，本发明不对其具体安装位置和安装方法做具体限定。

在一些实施方式中，每个所述第一连杆3均为中空的圆管，和/或，每个所述第二连杆4均为中空的圆管。如此，不仅有助于提高风机基础的浮力和稳定性，还能够节省材料。

在一些实施方式中，所述筒体1的顶端安装有多个倾角传感器，每个所述倾角传感器分别用于测量所述风机基础的倾斜角度。

在该实施例中，每个倾角传感器分别沿所述筒体1的周向均匀布置。通过设置多个倾角传感器可以同时获得多个倾斜角度，去除偏差较大的倾斜角度，保留均衡的倾斜角度，并将剩余倾斜角度的平均值作为最终倾斜角度。基于最终倾斜角度调节风机基础的平衡，可以保证调节的精度。当然用户也可以只设置一个倾角传感器，本申请不对其数量做具体限定。

如图3所示，在一些实施方式中，所述筒体1内设置有第二舱室11和多个第三舱室12，所述第二舱室11为圆筒形舱室，与所述筒体1同轴设置，多个第三舱室12沿所述筒体1的周向均匀地设置在所述第二舱室11的外壁和所述筒体1的内壁之间；

所述第二舱室11和每个所述第三舱室12之间互不连通，且所述第二舱室11和每个所述第三舱室12内均设置有气-水置换阀。

在该实施例中，通过对筒体1进行分舱，有利于风机基础的调平。当风机基础的倾斜角度超过预设值时，针对向上倾斜的一侧的第三舱室12，增加其气-水置换阀的开启度，增大充水速率以增加其充水量。针对向下倾斜的一侧的第三舱室12，可以关闭其内部的气-水置换阀，停止充水；也可以通过其气-水置换阀向外放水以减小其充水量，从而使风机基础回正，保持平衡。

本发明实施例提供了一种泥浮式海上风机基础的组装方法，应用于上述任一项实施例提供的海上风机基础，组装方法包括：

按照预设的组装顺序，依次对每个第一连杆3、球体2和第二连杆4进行组装；其中，每个第一连杆3的第一端均与所述筒体1的周向侧壁连接，第二端均与一个球体2连接，每个第二连杆4的两端分别与相邻的两个球体2的侧壁连接；其中，每个第一连杆3和每个第二连杆4与相应球体2的连线中心均经过该球体2的球心；

针对每个球体2，均执行：

将该球体2分别与一个第一连杆3的第二端，以及两个第二连杆4的一端连接，并判断该球体2的球心是否与该第一连杆3的轴线和两个第二连杆4的轴线在同一水平面上，若是，则执行S1；若否，则执行S2；

S1，将该第一连杆3的第一端与所述筒体1的周向外壁连接；

S2，调节该球体2内各第一舱室21的充水量，以使该球体2的球心与该第一连杆3和两个第二连杆4的轴线在同一水平面内，并执行S1。

在该实施例中，当第一连杆3或第二连杆4的一端与球体2连接后，由于连杆尺寸大且重量较重，会使连杆向远离球体2的一侧倾斜，此时，连杆的另一端无法与筒体1或其它球体2的预留孔准确对接，或者需要专门的辅助人员或工具辅助安装，组装难度大且成本高。本发明每安装完一个球体2以及与该球体2连接的第一连杆3和第二连杆4后，均通过调节该球体2中各第一舱室21的充水量以使该球体2的球心与该第一连杆3和两个第二连杆4的轴线在同一水平面内，然后即可将相应第一连杆3的第一端与筒体1连接以及将第二连杆4的另一端与下一个球体2连接，从而保证连接的精度。依次类推，可以保证每一处连接处均有较高精度，如此保证当组装好的风机基础处于平衡状态时，每个所述第一连杆3的轴线、每个所述第二连杆4的轴线和每个所述球体2的球心均在同一水平面上。由此可见，本发明利用该方法进行组装，组装精度高，且节约人力物力。

在一些实施方式中，所述调节该球体2内各第一舱室21的充水量，以使该球体2的球心与该第一连杆3和两个第二连杆4的轴线在同一水平面内，包括：

针对第一连杆3，若该第一连杆3远离该球体2一端的中心点高度低于该球体2的球心高度，则开启远离该第一连杆3一侧的第一舱室21的气-水置换阀并向相应的第一舱室21充水，直至该第一连杆3的轴线与该球体2的球心在同一水平面内；反之，则开启靠近该第一连杆3一侧的第一舱室21的气-水置换阀并向相应的第一舱室21充水，直至该第一连杆3的轴线与该球体2的球心在同一水平面内；

针对每个第二连杆4，若该第二连杆4远离该球体2一端的中心点高度低于该球体2的球心高度，则开启远离该第二连杆4一侧的第一舱室21的气-水置换阀并向相应的第一舱室21充水，直至该第二连杆4的轴线与该球体2的球心在同一水平面内；反之，则开启靠近该第二连杆4一侧的第一舱室21的气-水置换阀并向相应的第一舱室21充水，至该第二连杆4的轴线与该球体2的球心在同一水平面内。

在该实施例中，以图4(a)为例，当第一连杆3的第二端与球体2连接后，由于第一连杆3重量较重，会使第一连杆3向远离球体2的一侧倾斜，此时，只需要打开远离第一连杆3一侧的第一舱室21的气-水置换阀并向相应舱室充水，即可使球体2的重心向该第一舱室21的方向偏移，从而使结构回正，即球体2的球心与第一连杆3的轴线在同一水平面内，进而有利于基础的准确组装。同理，当图4(a)中两个第二连杆4的一端分别与球体2连接后，也采用上述方法调整基础的平衡，达到图4(b)所示的结果。然后即可进行图4(c)所示的第二个球体2的安装，达到图4(d)所示的结果。依次类推，直至完成图4(e)至图1所示的结果。

需要说明的是，风机基础的准确组装是保证其在海水中平稳运输和稳定工作的前提条件。

如图5所示，本发明实施例还提供了一种泥浮式海上风机系统，包括：沿竖直方向依次连接的上部风机5、塔筒6、塔筒连接件7和上述任一实施例提供的海上风机基础。其中，上部风机5的底端固定于塔筒6的顶端，塔筒6的底端固定于塔筒连接件7的顶端，塔筒连接件7的底端固定于筒体1的顶端，且塔筒6、塔筒连接件7和筒体1同轴设置。

本发明实施例还提供了一种泥浮式海上风机系统的运输方法，应用于上述实施例所述的海上风机系统，所述运输方法包括：

响应于所述风机基础与拖船8处于连接状态，控制所述拖船8向指定位置移动；

每隔预设时间间隔，获取所述风机基础的倾斜角度；

基于所述倾斜角度调整每个球体2的充水量，以保持海上风机系统的平衡。

在该实施例中，由于采用了该风机基础和风机系统，有利于调节基础的平衡，因此，无需将风机基础、上部风机5、塔筒6和塔筒连接件7等分别固定于船上进行运输，拖航示意图如图6所示。而是可以将风机系统放置于海水中，将风机基础与拖船8连接，由拖船8将其托运至指定位置。在托运过程中，不断检测风机基础的倾斜角度，并根据倾斜角度调整每个球体2的充水量，以减小倾斜角度，维持风机系统的平衡。本发明可以一次性将海上风机系统整体托运至指定位置，运输效率高且节省人力物力。

此外，预设时间间隔可以根据海洋环境确定，当海洋环境恶劣时，时间间隔取较小值，反之取较大值，例如，预设时间间隔可以取5秒。由于上部风机5、塔筒6、风机基础为一个整体，且整体为刚性件，因此测量风机基础的倾斜角度，即整体的倾斜角度。

在一些实施方式中，所述基于所述倾斜角度调整每个球体2的充水量，包括：

确定所述倾斜角度的危险等级，每个危险等级对应的倾斜角度的范围不同；

基于不同的危险等级和所述风机基础的倾斜方向确定每个球体2上的气-水置换阀的开启度，每个所述气-水置换阀的开启度分别与相应球体2的充水速率和充水量呈正比例关系。

在该实施例中，危险等级和每个危险等级对应的倾斜角度范围均是根据实际海洋环境确定的。通过设置危险等级，可以快速确定调整策略，从而将海上风机系统调整至平衡状态。

在一些实施方式中，所述危险等级可以包括第一等级、第二等级、第三等级和第四等级；其中，第一等级对应的倾斜角度不大于0.5°，第二等级对应的倾斜角度大于0.5°且不大于1.5°，第三等级对应的倾斜角度大于1.5°且不大于3°，第四等级对应的倾斜角度大于3°。当然，上述等级划分标准只是一种优选方式，本申请并不以此为限。

在一些实施方式中，所述基于不同的危险等级和所述风机基础的倾斜方向确定每个球体2上的气-水置换阀的开启度，包括：

针对向下倾斜的各个球体2，将各球体2上的气-水置换阀的开启度置为零；

针对向上倾斜的各个球体2，基于所述危险等级的级别确定各个球体2的气-水置换阀的开启度；其中，将最上端的球体2确定为目标球体，该目标球体的气-水置换阀的开启度最大，沿远离该目标球体的方向，逐级减小各球体2上的气-水置换阀的开启度；危险等级越大，相应球体2的气-水置换阀的开启度越大。

在该实施例中，采用单侧调节压载的方式，不调整向下倾斜的球体2上的气-水置换阀的开启度，即不调节向下倾斜的球体2的压载。而只调节向上倾斜的球体2的压载，更有利于海上风机系统的稳定性。此外，目标球体的压载最大，沿远离目标球体的方向，压载逐级降低，可以进一步提高海上风机系统的稳定性，防止风机基础反向偏转。

需要说明的是，由于在平衡状态时每个球体2的中心、每个第一连杆3的轴线和每个第二连杆4的轴线均在同一水平面上。因此，针对任一时刻，本申请以其平衡状态下每个球体2的中心所在的水平面作为基准平面，球心高于该基准平面的球体2确定为向上倾斜的球体2，球心低于该基准平面的球体2确定为向下倾斜的球体2。

在一些实施方式中，当危险等级为第一等级时，可以将该目标球体的气-水置换阀的开启度调整为10％，且沿远离该目标球体的方向，逐级减小各球体2上的气-水置换阀的开启度置，且最小开启度不低于5％；

当危险等级为第二等级时，可以将该目标球体的气-水置换阀的开启度调整为30％，且沿远离该目标球体的方向，逐级减小各球体2上的气-水置换阀的开启度置，且最小开启度不低于20％；

当危险等级为第三等级时，可以将该目标球体的气-水置换阀的开启度调整为50％，且沿远离该目标球体的方向，逐级减小各球体2上的气-水置换阀的开启度置，且最小开启度不低于40％；

当危险等级为第四等级时，可以将该目标球体的气-水置换阀的开启度调整为80％，且沿远离该目标球体的方向，逐级减小各球体2上的气-水置换阀的开启度置，且最小开启度不低于60％。

通过控制气-水置换阀的开启度，可以有效调节球体2的充水速率，从而有效调节球体2的压载，使风机基础回正。

当然，在一些实施方式中，还可以采用同时调节向上倾斜的球体2的压载和向下倾斜的球体2的压载。因此，所述基于不同的危险等级和所述风机基础的倾斜方向确定每个球体2上的气-水置换阀的开启度，包括：

基于不同的危险等级，分别增大每个向上倾斜的球体2上的气-水置换阀的开启度以及增大每个向下倾斜的球体2上的气-水置换阀的开启度。

其中，增大每个向下倾斜的球体2上的气-水置换阀的开启度的控制方式与增大每个向上倾斜的球体2上的气-水置换阀的开启度的控制方式相同，本处不再赘述。区别在于，增大每个向下倾斜的球体2上的气-水置换阀的开启度是为了增大相应球体2的放水速率，以减小相应球体2的压载，以较快调平，但是该方式需要注意随时观测倾角变化，避免风机基础反向偏转。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。