一种半潜半固定式海上风电基础、装置及其方法

技术领域

本发明属于海上风电技术领域，涉及一种半潜半固定式海上风电基础、装置及其方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着风电技术的不断发展和近海资源的消耗殆尽，海上风电的发展必然走向深海远海，传统的风机基础对水深条件要求较高，因此固定的基础形式适用的水深范围小，不能应对多变的海上突发情况。

一方面，固定式基础在风、波浪和海流耦合情况下，尤其风浪流不同向会存在夹角环境时，会引起较大的结构动力响应，结构需要提供足够的抵抗力矩，才能保证风机正常工作。另一方面，固定式基础拖航时水面线较小，由于复杂的海上环境，在风浪流作用下，结构存在失稳现象；固定式基础在位时，主要作用是支撑上部的塔筒和风机等部件，因此基础构建需要耗费大量材料提供足够的支撑力。

另外，海上恶劣天气对海上施工的影响大，海上风机基础打桩等工序复杂，工作周期长，施工成本高，风机在施工处进行组装，组装难度大，海上可工作窗口期短，难以保证海上风机按时投入发电工作。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种半潜半固定式海上风电基础、装置及其方法，本发明利用一种半潜半固定式海上风电整机装置，利于海上风机的安装和施工，以及拖航时的稳固。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种半潜半固定式海上风电基础，包括风机塔筒、浮筒结构、立柱式基础以及基座，其中：

所述基座固定安装于风机设置的目标位置处，所述基座内设置有以凹槽，所述立柱式基础的下端套设在所述凹槽内，且具有一定自转自由度；

所述立柱式基础的上端连接风机塔筒；

所述风机塔筒或立柱式基础上圆周方向设置有多个浮筒结构。

本发明通过立柱式基础嵌入基座的方式，固定立柱式基础的同时，也使其能够自转，波浪和海流共同作用时，立柱式基础通过自身的转动抵消结构所承受的部分力和力矩，减轻环境荷载对结构的影响。

同时，浮筒结构环绕于立柱式基础/风机塔筒，可削弱环境荷载对结构的影响，且浮筒结构漂浮于海上可随时调整方位应对立柱式基础的转动。

作为可选择的实施方式，所述凹槽的形状与所述立柱式基础的下端形状相匹配。

作为可选择的实施方式，所述立柱式基础的下部呈椭圆球体或半椭圆球体。

作为可选择的实施方式，所述凹槽的槽口处设置有一向内延伸的延伸部。能够对立柱式基础起到一定的限位作用。

作为可选择的实施方式，所述浮筒结构圆周均匀分布在立柱式基础或风机塔筒周围，各浮筒结构均通过连接机构和所述立柱式基础或风机塔筒连接。

作为进一步的限定，所述浮筒结构与立柱式基础或风机塔筒的中心轴的距离相同。以保证受力尽可能均衡，保证拖航过程中的结构稳性。

一种半潜半固定式海上风电装置，包括上述基础、机头和旋转盘，其中，所述机头设置在风机塔筒上，在机头下方、风机塔筒上设置有旋转盘。

作为可选择的实施方式，所述机头包括多个，圆周均匀分布在风机塔筒上，各机头分别通过支撑架与所述风机塔筒连接。

作为进一步的限定，各机头的结构相同，各支撑架的结构相同。

一种半潜半固定式海上风电装置的安装方法，包括以下步骤：

将机头、风机塔筒和旋转盘进行组装，形成上部发电结构后，进行拖航；

将立柱式和浮筒结构以及基座进行拖航；

下沉安装基座，通过吊装方式对位安装立柱式基础后，安装上部发电结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的立柱式基础尾端类似椭圆形与混凝土基座镶嵌连接，一方面，立柱式基础和基座在岸上制作完成后海上安装，减少海上打桩等工序，缩短工期节省材料和设备，提高了海上风机安装的效率；另一方面立柱式基础和基座嵌入连接方式，当海上环境荷载不同步不同向时，立柱式基础可通过转动削减风浪流对结构的影响。

本发明的浮筒结构可以拖航时提供浮力，避免大型特殊拖航设备的适用。浮筒结构在位时，一方面辅助基础为上部发电结构提供承载力，且浮筒结构环绕于立柱式基础，缓解环境荷载对立柱式基础的影响，防止立柱式基础的大型化，减少立柱式基础的材料使用；另一方面，浮筒结构随时根据立柱式基础的转动调整方向，降低风浪流耦合情况时上部发电结构所受影响，保证风机的正常工作。

本发明的立柱式基础、浮筒结构以及基座在岸上进行建造完成，上部发电结构岸上制作组装之后通过设备拖航运输到指定位置进行吊装安置，简化了施工流程，降低了施工难度，缩短了施工工期，减少了海上恶劣天气对海上施工的影响。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明所述发电装置的整体布置的三轴视图。

图2为本发明所述发电装置的整体布置的剖面图。

图3为本发明所述发电装置的整体布置的主(左)视图。

图4为本发明所述发电装置的整体布置的俯视图。

图5为本发明风机机头局部放大图。

图6为本发明立柱式基础安装过程的示意图。

图7为本发明立柱式基础嵌入带裙边混凝土基座示意图。

其中，1、多机头风力发电机；2、支撑结构；3、旋转盘；4、风机塔筒；5、浮筒结构；6、可旋转的立柱式基础；7、混凝土基座；8、海平面；9、泥面。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例一

本实施例采用多机头式风力发电机，如图1所示，是以风机塔筒为中心的8个方位上等距布置机头，机头通过横杆连接在风机塔筒上。

如图4所、图5示，为保证机头的稳定安全运转，机头下方设置支撑结构，每个机头配有支撑结构，支撑结构之间通过横杆相连。各支撑结构结构相同，各横杆结构也相同。通过结构相同，能够保证尺寸尽量相同，以保证整体结构的稳定性。

支撑结构的尺寸、位置以及与机头的连接方式根据多机头风机的受力分析设计，本实施例采用现有设计方法，只要保证支撑结构可以更好地支持风机在海上恶劣环境中工作即可，因此，在此不再赘述。

这种设置方式，通过支撑结构，可以减少风机运转传递给塔筒的扭矩，增加结构的整体性能，延长装置使用寿命。

本实施例，如图2、图3所示，在机头和支撑结构的下方将旋转盘安装在风机塔筒，旋转盘可以根据海上来风的方向随时调整风机的朝向，从而达到变桨目的，与多机头联合使用对风能的利用达到最大化，更好地利用海上的风能资源。

如图6所示，风机整体的安装主要通过立柱式基础，立柱式基础尾部以类椭圆形嵌入具有相应形状凹槽的混凝土基座，立柱式基础的尺寸和材料的设计与上部风机和旋转盘等结构分析有关，基座的形状、尺寸以及建材的设计与整机结构受力分析以及风浪流荷载下结构的动力响应有关。均采用现有分析方法即可，在此不再赘述。

立柱式基础的主要作用是为上部的结构提供支撑力，基座带有裙边，能够增强基础整体的稳性，提高风机运行时的承载力。

如图7所示，立柱式基础和基座之间采用嵌入模式，波浪和海流共同作用时，立柱式基础通过自身的转动抵消结构所承受的部分力和力矩，减轻环境荷载对结构的影响。

风浪流不同夹角时，通过上部旋转盘转动和立柱式基础转动配合调整结构状态，缓解风浪流环境下结构的动力响应，保证结构的安全使用。

浮筒结构群是由风机塔筒为中心等距布置的8个浮筒结构组成。浮筒结构在拖航过程中提供浮力，通过增加水面线，增强结构拖航时的稳性。各浮筒结构在位时辅助立柱式基础为上部风机、支撑结构以及旋转盘提供承载力，降低立柱式基础的承载力，减少基座的材料使用，保证结构的安全工作。

风浪流荷载耦合环境下，各浮筒结构环绕于立柱式基础，可削弱环境荷载对结构的影响，且各浮筒结构漂浮于海上可随时调整方位应对立柱式基础的转动。

风机结构的安装包括陆上组装和海上安装。上部发电结构、支撑架、旋转盘和塔筒结构在岸上组装后拖航，并将立柱式基础和浮筒结构以及基座进行拖航；到达指定位置后，首先下沉安装基座，并通过吊装方式对位安装立柱式基础，最后安装上部发电结构。

拖航过程中，浮筒结构可以提供一部分浮力，从而保证拖航过程中的结构稳性，以达到缩短海上工作的时长，降低海上施工难度的目的。

实施例二

本实施例与实施例一不同之处在于，本实施例的机头为两个机头，对称设置于塔筒结构上，浮筒结构为四个，圆周分布设置在浮筒结构周边。

上述实施例中各结构的数量和尺寸仅为示例，并不限定于此，因此，在其他实施例中，可以进行调整。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。