專利名稱：半潛式海上浮動風機基礎的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于風力發(fā)電領域，涉及一種海上浮動風機基礎。
背景技術：
在遠離大陸的深海區(qū)域，有很多優(yōu)質的風力資源可被開發(fā)利用，市場前景廣闊。要 開發(fā)這些水深超過50米的深海風電場，按照目前近海風場普遍采用的各種貫穿樁結構固定在海底的做法不具備優(yōu)勢，這是因為隨著水深增加，固定式基礎成本直線上升；固定式海上風力發(fā)電機(簡稱風機)施工成本比浮動式更高。因此，為了使海上風電場的建設可以向深海區(qū)發(fā)展，需要開發(fā)經濟實用的浮動式風機，如何開發(fā)運動特性優(yōu)異、結構緊湊、經濟實用的浮動式風機基礎成為開發(fā)浮動式風機的關鍵環(huán)節(jié)。應用于海上風電領域的浮動式風機基礎所承受的載荷不同于傳統(tǒng)的海油工程中的漂浮式平臺，浮動式海上風機基礎除了承受風浪流的聯合作用外，還要承受風機這一高聳結構運行所引起的陀螺回轉效應、傾覆力矩Mx、My以及繞垂直軸的扭矩Mz，整個風機會產生六個自由度的劇烈運動，包括X、Y和Z軸的軸向移動以及繞軸的擺動，給風機的變槳和偏航控制系統(tǒng)帶來很大干擾，會影響到風機的正常運行，影響發(fā)電量，甚至會危及整個系統(tǒng)結構的安全性?，F階段為了開發(fā)深海風電場的需要，將海洋石油行業(yè)常用的深海漂浮式石油平臺型應用于風電領域，相繼開發(fā)了采用單立柱平臺(SPAR)、半潛式平臺(Semi-submersible)、張力腿平臺(TLP)的浮動式風機以及其它復合形式的浮動式風機。到目前為止，已有三個浮動式風機項目建成，即，Hywind、Blue H和Windfloat浮動式風機項目。Hywind是由挪威國家海油海德羅公司(Statoil Hydro)、法國德克尼普公司(Technip)和德國西門子公司聯合開發(fā)成功，于2009年在挪威附近的北海建成。Hywind采用的基礎概念為SPAR，漂浮結構是一個約為117m長的細長鋼質管，一端是底座，另一端為風機法蘭。使用壓載水艙填滿的鋼管被運送至安裝地點并立于海面，浮體的整個結構與海底通過三點纜索系錨相連。2007年，荷蘭Blue H公司在意大利沿海安裝了一臺風力渦輪原型機，使用了張力腿平臺設計，平臺的浮力大于重力，張力腿始終處于張緊狀態(tài)，以保持平臺的穩(wěn)定。2011年底，Principle Power、Vestas與EDP合作，在葡萄牙西海岸合作完成WindfIoat項目，該浮動基礎為半潛式概念，主體由三個浮筒組成，風機立于其中一個浮筒上，動態(tài)壓載水可以自動抵消風傾力矩，底部通過四根懸鏈線系固在水深超過50m的海底。Hywind項目中采用的SPAR平臺由于是傳統(tǒng)的單柱式平臺，不同于truss_spar,流體的附加阻尼較小，在風機載荷Mx、My、MZ的作用下，整個平臺的搖動會很大，風機極限工況下甚至會達到40°以上，這是風機設計所不允許的。如果采用SPAR平臺形式，則需要附加阻尼器或調整纜索系固方式，這會大大增加設計難度，工程造價也會增加。Blue H項目采用的是張力腿平臺，采用多根張緊的張力腿，這種定位方式較大的張力腿預張力使平臺平面外的運動(橫搖、縱搖和垂蕩)較小，近似于剛性，但是張力腿在平面內的運動(橫蕩、縱蕩和首搖)幅度較大，為了抑制平面內運動同樣需要在這些方向上設置阻尼器，這也會增加設計建造難度。Vestas與Windfloat合作項目采用半潛式結構,主體由三個相距35m的浮筒組成，風機安裝在其中一個浮筒上，壓載水自動調整以抵御風傾力矩，定位系統(tǒng)采用系泊定位，在每個浮筒底部的設置阻尼板增大垂蕩運動的阻尼，能有效降低垂蕩運動幅度。然而，該半潛式浮動風機安裝在其中一個浮筒上，作用在基礎上的重力載荷不對稱，需要調整三個浮筒中的壓載以抵消這部分載荷，但是在實際風機運行過程中，風向會發(fā)生變化，整個風機受到的風傾力矩方向會發(fā)生改變，需要動態(tài)調整壓載水的數量，這樣對風機控制策略和壓載泵的要求較高，設計難度大且成本高，而且該結構形式管節(jié)點較多，對結構疲勞壽命影響較大
發(fā)明內容
根據本發(fā)明提供一種半潛式海上浮動風機基礎，所述浮動風機基礎采用變截面的立柱，且立柱間距設計為半波長與下浮體尺寸進行合理匹配，可以極大的減小整個浮動基礎受到的波浪力的作用，該半潛式浮動風機基礎在各個方向的運動性能都比較優(yōu)異，能滿足大型風電機組正常運行的需要。根據本發(fā)明，一種半潛式海上浮動風機基礎包括多個立柱，按照等邊形排列；下浮體，將所述多個立柱的底端連接起來；甲板，將所述多個立柱的頂端連接起來；短立柱，位于甲板的中央。根據本發(fā)明，所述半潛式海上浮動風機基礎還可包括支撐件，傾斜地設置在短立柱的外周與甲板之間，以用于支撐短立柱。根據本發(fā)明，所述立柱的橫截面可呈正方形、圓形或者橢圓形。根據本發(fā)明，所述立柱可包括變截面部分。根據本發(fā)明，所述變橫截面部分可包括多層變截面部分。根據本發(fā)明，所述多個立柱之間的距離可以為波浪的半波長或者一倍波長。根據本發(fā)明，下浮體可呈等邊形環(huán)。根據本發(fā)明，甲板可呈等邊形。根據本發(fā)明，多個立柱可包括三個立柱，所述三個立柱按照正三角形等間距排列；所述下浮體可呈三角環(huán)形，且可具有矩形橫截面，所述三個立柱的底端分別位于三角環(huán)形的下浮體的三個角中的對應的角上；甲板可呈Y形，三個立柱的頂端分別與Y形甲板的三個分端中的對應的一個分端的下表面接觸。根據本發(fā)明，下浮體可包括三個浮箱和將所述三個浮箱相互連接起來的支撐桿。根據本發(fā)明，浮箱可呈圓柱形、橢圓柱形或者多邊形的環(huán)形。根據本發(fā)明，支撐件可傾斜地設置在短立柱的外周與Y形甲板的三個分端中對應的一個分端之間。根據本發(fā)明，多個立柱可包括四個立柱，所述四個立柱按照正方形等間距排列；所述下浮體可呈正方形，所述四個立柱的底端分別位于正方形的下浮體的四個角中的對應的角上；甲板可呈正方形，四個立柱的頂端分別與正方形甲板的四個角中的對應的角的下表面接觸。根據本發(fā)明，支撐件可傾斜地設置在短立柱的外周與正方形甲板的四個角中對應的一個角之間。根據本發(fā)明，下浮體可包括兩個平行的板以及平行地連接在兩個板之間的支撐件。


通過結合附圖，從下面的實施例的描述中，本發(fā)明這些和/或其它方面及優(yōu)點將會變得清楚，并且更易于理解，其中圖I是示出根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的示意圖；圖2是示出根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的浮動基礎的示意圖； 圖3是示出根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的浮動基礎的第一變型示例的示意圖；圖4是示出根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的浮動基礎的第二變型示例的示意圖。
具體實施例方式以下參照附圖來詳細描述本發(fā)明的實施例。圖I是示出根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的示意圖。參照圖1，半潛式海上浮動風機包括浮動基礎I、塔架2、風機機艙3和葉片4。浮動基礎I可浮動在海面上。塔架2搭載在浮動基礎I上，風力發(fā)電機組3安裝在塔架2上，葉片4安裝在風機機艙3的輪轂上。風力帶動葉片4旋轉，使得在風機機艙3內部進行切割磁力線的運動，將風能轉換為電能，由此進行發(fā)電。圖2是示出根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的浮動基礎的示意圖。參照圖2，該浮動基礎I包括多個立柱5 (例如，3個)，呈變截面的方形形狀，并且所述3個立柱5按照正三角形等間距排列；下浮體6，具有三角環(huán)形形狀，其橫截面呈矩形，所述3個立柱分別位于三角環(huán)形形狀的下浮體6的對應的角上，使得所述3個立柱5的底端通過下浮體6相互連接起來；甲板7，呈Y形，所述3個立柱5的頂端分別與Y形甲板7的三個分端中的對應的一個分端的下表面接觸，使得所述3個立柱5的頂端通過甲板7相互連接起來；短立柱8，位于甲板7的中央位置，其直徑可以是6m，在短立柱8的頂部設置有法蘭以與塔架2的底部的法蘭連接，以將塔架2固定到短立柱8上；支撐件9，傾斜地設置在短立柱8的外周與Y形甲板7的三個分端中對應的一個分端之間，以用于加強短立柱8的強度?？蛇x地，可將立柱5之間的間距設計為波浪的半波長或者一倍波長。另外，立柱5在預定高度(例如，在一半吃水的位置)處截面尺寸可變大(截面積增大約4倍)，整個浮動基礎I吃水較深(例如，50m左右)，通過下浮體6布置混凝土固定壓載，以降低重心。根據本發(fā)明的實施例，整個浮動基礎I可由鋼材制成,并且,各個部件可通過焊接連接在一起?？蛇x地，浮動基礎I的部件也可由其他合適的材料制成，并且各個部件也可通過其他合適的連接方式彼此連接。
短立柱8與Y形甲板7的連接，需要配合結構強度分析進行合理的加強，例如，可根據風機極限載荷和極端海洋環(huán)境載荷對整個浮動基礎進行強度分析，進而調整支撐件9的數量和截面尺寸，此外，短立柱8與Y形甲板7之間可采用錐形變截面過渡或弧形過渡，以減小連接部位的應力集中。立柱5變截面的尺寸和位置以及下浮體6的尺寸在滿足浮性、穩(wěn)性和固有周期的前提下，可以通過水動力軟件或模型試驗優(yōu)化基礎水動力性能，得到最優(yōu)尺寸。通常，首先，通過初步設計立柱5的尺寸和變截面位置，以及下浮體6的尺寸，使整個浮動基礎具有足夠的浮力，以支撐上部的風力發(fā)電機組，并具有足夠的穩(wěn)性(面積比大于I. 3)，固有周期大于20s，以避開波浪共振；然后，通過水動力計算軟件或模型試驗，模擬整個浮動式風機在極端風浪流條件下的運動響應，通過調整立柱5和下浮體6的位置和尺寸，使浮動基礎的運動性能和用鋼量達到綜合最優(yōu)。在示出的實施例中，由于立柱5的橫截面沿深度方向變化，從而橫截面較大部分的上下表面的波浪壓力不同，所以部分波浪壓力被抵消。由于大直徑部分的上面與下面所受的壓力不同，波浪引起的水質點運動，距離水面越近，越接近軌圓運動，大直徑部分的上面與下面深度不同，被施加的壓力也不同，利用這種差別，合理地設計和優(yōu)化變截面處的尺寸，可使得整個浮動基礎對某一特定周期的波浪(目標海域出現概率最高的波浪)下的波浪力為零或接近零，從而運動幅度大大減小。另 夕卜，綜合考慮建造成本和使用要求，通過使立柱5的橫截面變大，附加質量約為I. O 2. O倍的基礎重量，附加阻尼約為5% 15%的臨界阻尼，從而可實現進一步減小浮動式風機運動幅度的效果。三角環(huán)形下浮體6的主要作用是位于水面以下的深處，從而減小波浪作用力。由于下浮體6呈三角環(huán)形，并且其橫截面呈矩形，所以能夠有效地增加整個浮動基礎I的垂蕩和橫/縱搖附加阻尼和附加質量，從而達到降低整個半潛式海上浮動風機運動幅度的目的。通常情況下，附加質量/慣性矩約為2 4倍基礎重量，附加阻尼約為10% 20%的臨界阻尼。該下浮體6為固定壓載提供空間，以降低整個浮動基礎I的重心，從而提高穩(wěn)定性和耐波性。將立柱5之間的間距設計為目標海域遭遇的波的半波長，同時合理地設置下浮體6的尺寸，可使作用在浮動基礎I的立柱5、下浮體6上的波浪慣性力大小幾乎相等，方向相反，使得波浪作用在浮動基礎I上的慣性力非常小(理論上為零)，從而浮動基礎I的整體運動幅度減小。Y形甲板7呈板形，如上所述，Y形甲板7具有三個分端，Y形甲板7的主要作用是連接立柱5，并支撐短立柱8所傳遞的風機載荷，提高了整個浮動基礎I的結構疲勞性能。雖然在示出的實施例中，甲板呈Y形，但是根據需要，甲板也可呈三角形等其他合適的形狀。另外，在示出的實施例中，整個浮動基礎I可有鋼材制成，針對不同容量的風力發(fā)電機組，在建造時可以選擇深水碼頭整機拼裝，整體濕拖，也可以利用半潛駁干拖至安裝地點，本發(fā)明的浮動基礎I沒有日常維護要求。圖3是示出根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的浮動基礎的第一變型示例的示意圖。參照圖3，除了下浮體之外，根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的浮動基礎的第一變型示例的其他部件與圖2中示出的根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的浮動基礎的其他部件完全相同。下面僅描述根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的浮動基礎的第一變型示例的下浮體。
如圖3所示，下浮體可被設置成獨立的多個圓柱形浮箱10 (例如，3個)和將所述3個圓柱形浮箱10相互連接起來的支撐桿11。在這種情況下，多個立柱5分別設置在對應的圓柱形浮箱10上。雖然在示出的實施例中，示出了圓柱形浮箱10，但是浮箱也可以呈橢圓柱形或者多邊形的環(huán)形。

圖4是示出根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機的浮動基礎的第二變型示例的示意圖。參照圖4，在示出的該示例中，浮動基礎包括4個變截面立柱5。另外，下浮體可被設置成包括兩個平行的板12，立柱5分別位于對應的板12的兩端，使得4個立柱5按照矩形形狀排列，優(yōu)選地，按照正方形等間距排列。另外，在兩個板12之間水平地設置兩個支撐件13，并且所述兩個支撐件13位于同一水平面，以加強整個浮動基礎的強度?？蛇x地，兩個支撐件13也可水平并且平行地設置在對應的立柱之間，使得兩個支撐件13垂直于兩個板12。對應于4個立柱5的排列，例如，矩形或者正方形，甲板也可大致呈矩形或者正方形?？蛇x地，為了減輕重量，甲板的四個邊可被局部切除，從而甲板可具有四個分端。與圖2示出的浮動基礎I類似，短立柱可位于甲板的中央位置，在短立柱的頂部設置有法蘭以與塔架2的底部的法蘭連接，以將塔架2固定到短立柱上。支撐件可傾斜地設置在短立柱的外周與甲板的四個分端中對應的一個分端之間，以用于加強短立柱的強度。通過合理地設置立柱的截面尺寸和間距(例如，波浪的半波長或者一倍波長)，配合下浮體的長度和寬度進行優(yōu)化設計，可以得到具有優(yōu)異運動性能的深吃水半潛式浮動基礎。

雖然在示出的實施例中，立柱呈方形，但是立柱也可呈其他合適的形狀,例如，如圓形，橢圓形等。雖然在示出的實施例中，立柱的變截面只有一層，但是立柱也可被設置成多層，例
如，兩層、三層等。雖然在示出的實施例中，立柱的數量為三個和四個,但是立柱也可是更多個,例如，五個、六個等?？蛇x地，可使用海水、沙石等作為壓載。根據本發(fā)明的浮動基礎，由于立柱較小的水線面面積和較大的間距，以及大面積的垂蕩板，使得靜水力剛度較小，附加質量和附加轉動慣量較大，因而滿足垂蕩和橫/縱搖固有周期均大于20s，大于波浪能量集中的周期(3 20s)，不會發(fā)生共振。根據本發(fā)明的浮動基礎，整個浮動基礎重心低，且水線面慣性矩大，兼?zhèn)淞藗鹘y(tǒng)的SpaH單立柱)和半潛式平臺的優(yōu)點，從而該發(fā)明的穩(wěn)定性和耐波性能俱佳。根據本發(fā)明的浮動基礎，由于浮動基礎吃水較深，且在浮動基礎的底部采用混凝土固定壓載，降低了基礎的重心，提高了整個結構的穩(wěn)定性。根據本發(fā)明的浮動基礎，立柱的頂端以Y形甲板相連，省略了海工領域常用的斜撐連接，繞開了難度較大的管節(jié)點疲勞設計，整個浮動基礎疲勞壽命較高。根據本發(fā)明的浮動基礎，下浮體位于水面以下的深處，大大減小了波浪作用力。而且下浮體為矩形截面呈三角環(huán)形分布，有效的增加了整個浮動基礎的垂蕩和橫/縱搖附加阻尼和附加質量，從而達到降低整個浮動風機運動幅度的目的。
根據本發(fā)明的浮動基礎，中立柱和下浮體均為矩形截面，工藝簡單，加工方便、易于實現，本發(fā)明作為一種降低浮動式風機整機運動幅度的半潛式浮動基礎，可以用于支撐5MW級別以上的大型海上風電機組的正常運行。根據本發(fā)明的浮動基礎，采用變截面的立柱，且立柱間距設計為半波長與下浮體尺寸進行合理匹配，采用這兩項技術，可以極大的減小整個基礎受到的波浪力的作用，該半潛式浮動基礎在各個方向的運動性能都比較優(yōu)異，能滿足大型風電機組正常運行的需要。根據本發(fā)明的浮動基礎，結構簡單緊湊，省略了海工領域常用的斜撐及管節(jié)點，結構疲勞性能好，可靠度高， 能適應大型海上風電機組整個壽命周期內正常服役的要求。根據本發(fā)明的浮動基礎，加工制造方便，可在一般船塢中建造，在岸邊深水碼頭實行整機拼裝，整體濕拖，省去了常規(guī)海上吊裝需要的大型浮吊船，給海上風機安裝帶來便利，大大節(jié)省運輸安裝成本。根據本發(fā)明的浮動基礎，當需要大部件更換或遇臺風來襲時，可以解纜，借助拖船整體拖航回港進行部件更換或避風，機動靈活性能好，節(jié)省了大型浮吊船的高昂費用，避免了臺風對機組造成的危害。雖然本發(fā)明是參照其示例性的實施例被具體描述和顯示的，但是本領域的普通技術人員應該理解，在不脫離由權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對其進行形式和細節(jié)的各種改變。
權利要求
1.一種半潛式海上浮動風機基礎，包括 多個立柱，按照等邊形排列； 下浮體，將所述多個立柱的底端連接起來； 甲板，將所述多個立柱的頂端連接起來； 短立柱，位于甲板的中央。
2.根據權利要求I所述的半潛式海上浮動風機基礎，包括 支撐件，傾斜地設置在短立柱的外周與甲板之間，以用于支撐短立柱。
3.根據權利要求I所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，所述立柱的橫截面呈正方形、圓形或者橢圓形。
4.根據權利要求I所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，所述立柱包括變截面部分。
5.根據權利要求4所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，所述變橫截面部分包括多層變截面部分。
6.根據權利要求I所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，所述多個立柱之間的距離為波浪的半波長或者一倍波長。
7.根據權利要求I所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，下浮體呈等邊形環(huán)。
8.根據權利要求I所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，甲板呈等邊形。
9.根據權利要求I所述的半潛式海上浮動風機基礎,其中，多個立柱包括三個立柱,所述三個立柱按照正三角形等間距排列；所述下浮體呈三角環(huán)形，且具有矩形橫截面，所述三個立柱的底端分別位于三角環(huán)形的下浮體的三個角中的對應的角上；甲板呈Y形，三個立柱的頂端分別與Y形甲板的三個分端中的對應的一個分端的下表面接觸。
10.根據權利要求9所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，下浮體包括三個浮箱和將所述三個浮箱相互連接起來的支撐桿。
11.根據權利要求10所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，浮箱呈圓柱形、橢圓柱形或者多邊形的環(huán)形。
12.根據權利要求9所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，支撐件傾斜地設置在短立柱的外周與Y形甲板的三個分端中對應的一個分端之間。
13.根據權利要求I所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，多個立柱包括四個立柱，所述四個立柱按照正方形等間距排列；所述下浮體呈正方形，所述四個立柱的底端分別位于正方形的下浮體的四個角中的對應的角上；甲板呈正方形，四個立柱的頂端分別與正方形甲板的四個角中的對應的角的下表面接。
14.根據權利要求13所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，支撐件傾斜地設置在短立柱的外周與正方形甲板的四個角中對應的一個角之間。
15.根據權利要求13所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，下浮體包括兩個平行的板以及平行地連接在兩個板之間的支撐件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半潛式海上浮動風機基礎，所述半潛式海上浮動風機基礎包括多個立柱，按照等邊形排列；下浮體，將所述多個立柱的底端連接起來；甲板，將所述多個立柱的頂端連接起來；短立柱，位于甲板的中央。根據本發(fā)明的半潛式海上浮動風機基礎，采用變截面的立柱，且立柱間距設計為半波長與下浮體尺寸進行合理匹配，可以極大的減小整個浮動基礎受到的波浪力的作用，該半潛式浮動基礎在各個方向的運動性能都比較優(yōu)異，能滿足海上大型風電機組正常運行的需要。
文檔編號B63B35/44GK102765466SQ20121026502
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權日2012年7月27日
發(fā)明者朱海飛, 李榮富, 汪亞洲, 石磊 申請人:北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司