海上漂浮式风机基础及风机的制作方法

本申请涉及风电技术领域，具体而言，涉及一种海上漂浮式风机基础及风机。

背景技术：

近年来，随着中国风电行业的发展，海上风能开发已经从近海走向远海，涌现了多种形式的海上漂浮式风机基础，其中包括tlp(tensionlegplatform，张力腿平台)式、spar(立柱)式和semi-sub(半潜)式等几种典型形式的风机基础。

tlp式风机基础是一种垂直系泊的漂浮式基础结构，通常由悬浮的浮筒和桁架支撑结构组成，通过刚度较大的张力筋直接连接至海底的锚固结构。

spar式风机基础是通过压载舱使整个系统的重心压低至浮心之下来保证整个风机在水中的稳定性，再通过辐射式布置的悬链线来保持整个风机的位置。

一些semi-sub式风机基础包括立柱、横梁、斜撑、压水板、系泊线和锚固基础。例如ideol公司设计的带阻尼池(damping-pool)的semi-sub式风机基础、gustomsc公司设计并推出的三脚架(tri-floater)式风机基础。semi-sub式风机基础被普遍认为是开发海上风电资源的下一代重要基础形式。

技术实现要素：

本申请提供一种海上漂浮式风机基础及风机。

一种海上漂浮式风机基础，包括：

多个浮筒；以及

交叉设置的第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁的两端以及所述第二支撑梁的两端均设有所述浮筒，所述第一支撑梁与所述第二支撑梁中的至少一者包括箱形梁，多个所述浮筒、第一支撑梁和第二支撑梁的水平截面的外轮廓线包围的平面为水线面。

一种实施例，所述第一支撑梁的上表面与所述第二支撑梁的上表面平齐，共同形成支撑面。

一种实施例，所述多个浮筒的上表面平齐，且与所述支撑面平齐。

一种实施例，所述支撑面低于所述多个浮筒的上表面。

一种实施例，所述箱形梁包括多个第一隔舱，和/或，所述浮筒包括多个第二隔舱。

一种实施例，多个所述第一隔舱按上下层隔开，和/或，多个所述第一隔舱在同一层隔开。

一种实施例，所述风机基础还包括压载和连接杆，所述箱形梁包括隔开多个所述第一隔舱的隔板，所述连接杆的一端与所述压载连接，另一端沿所述隔板的表面延伸，与所述隔板连接。

一种实施例，多个所述第二隔舱按上下层隔开，和/或，多个所述第二隔舱在同一层隔开。

一种风机，包括：

上述任一项所述的海上漂浮式风机基础；

塔筒，设置于所述风机基础；以及

风轮，设置于所述塔筒的顶部。

一种实施例，所述第一支撑梁与所述第二支撑梁在各自的中点位置处交叉，所述塔筒设置于所述第一支撑梁与所述第二支撑梁的交叉位置处。

本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本申请提供了一种海上漂浮式风机基础及风机，其中，交叉设置的第一支撑梁与第二支撑梁中的至少一者包括箱形梁，多个浮筒、第一支撑梁和第二支撑梁的水平截面的外轮廓线包围的平面作为水线面。该风机基础的水线面增大，整体结构的稳定性获得提升。

附图说明

图1是本申请一示例性实施例示出的风机的示意图；

图2是本申请一示例性实施例示出的风机基础的示意图；

图3是本申请一示例性实施例示出的风机基础的部分结构的示意图；

图4是本申请一示例性实施例示出的又一风机的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”、“顶部”、“底部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

请参考图1，图1所示为本申请一示例性实施例示出的风机10的示意图。

本申请实施例提供了一种风机10(或称“风力发电机”、“风力涡轮机”)，该风机10为海上风机，漂浮于海面a，利用海上风资源发电。该风机10包括海上漂浮式风机基础11(以下简称风机基础)、塔筒12和风轮13。其中，塔筒12设置于风机基础11，风轮13设置于塔筒12的顶部。塔筒12可以固定组装至风机基础11上，风轮13可以组装至塔筒12的顶部。在图1所示出的实施例中，风轮13包括三个叶片，在其它一些实施例中，叶片的数量可以多于三个或少于三个，本申请对此不做限定。

请参考图2，图2所示为图1中的风机基础11的示意图。

风机基础11包括多个浮筒110、交叉设置的第一支撑梁112和第二支撑梁114，其中，第一支撑梁112的两端以及第二支撑梁114的两端均设有浮筒110。浮筒110可以与第一支撑梁112、第二支撑梁114焊接连接，浮筒110可以采用钢质圆筒形结构，但不仅限于此。多个浮筒110与第一支撑梁112、第二支撑梁114共同形成风机基础11的主浮体，通过浮力漂浮于海面a上。

浮筒110可以设置于风机基础110的外边缘处，为风机基础110提供抗倾覆力矩。浮筒110为中空结构。在一些实施例中，浮筒110可以采用柱形浮筒、锥形浮筒、长方形浮筒、正方形浮筒、环形浮筒、多边形浮筒等。浮筒110与第一支撑梁112、第二支撑梁114可以采用相同材质或不同材质。浮筒110的结构尺寸根据可以实际需求选择设置，例如，浮筒110采用柱形浮筒时，柱形浮筒横截面的最大径向尺寸可以大于第一支撑梁112和/或第二支撑梁114的宽度，但不仅限于此。

请结合图2和图3，浮筒110包括顶板110a、底板110b以及连接于顶板110a和底板110b之间的侧板110c，侧板110c包括圆弧形侧板110ca和平面侧板110cb，其中，平面侧板110cb用于与第一支撑梁112连接，或者与第二支撑梁114连接，以保证连接面积足够大，连接可靠性足够高。

第一支撑梁112与第二支撑梁114交叉设置，具体交叉方式不限，例如，第一支撑梁112与第二支撑梁114可以垂直交叉，又如，第一支撑梁112与第二支撑梁114可以非垂直交叉。在一些实施例中，风机基础11包括一个第一支撑梁112和一个第二支撑梁114，如此两个支撑梁交叉设置。在其他一些实施例中，风机基础11可以包括两个以上的支撑梁，例如两个以上的第一支撑梁112和/或两个以上的第二支撑梁114。此情况下，可以增加配备相应数量的浮筒110。

第一支撑梁112与第二支撑梁114中的至少一者包括箱形梁，多个浮筒110、第一支撑梁112和第二支撑梁114的水平截面的外轮廓线包围的平面b作为水线面。箱形梁可以使得风机基础11的水线面增大，由此提高风机基础11整体结构的稳定性。

在一种实施例中，请结合图2和图3，箱形梁包括底板112a、顶板112b和连接底板112a与顶板112b的侧板112c。可以通过设置箱形梁与浮筒110的吃水深度来确定水线面，以确保风机基础11具有足够大的水线面。箱形梁可以采用长方形结构。在其它一些实施例中，箱形梁可以采用正方形结构、曲线形结构等。

对于spar式风机基础而言，由于spar式风机基础的水线面小，水线面对风机基础稳定性的贡献较小，导致风机基础的横摇值和纵摇值较大。因此，本申请中，利用箱形梁结构的第一支撑梁112和/或第二支撑梁114来增加水线面，可以有效提高风机基础11的稳定性。此外，由于本申请中的风机基础11的水线面大，吃水深度小，特别适用于水深为40～50m范围内的过渡水深海域。一些传统的tlp式和semi-sub式风机基础，大多适应于深海海域(水深大于50m或70m)，而我国海域条件多为过渡水深，水深普遍在30～50米范围，因此，本申请提供的风机基础11更加适用于我国过渡水深的海域。

还需说明的是，采用浮筒和桁架组合结构的风机基础，会导致构件之间的连接节点众多，这种结构一方面加工制造工艺复杂，建造成本高；另一方面，在周期性波浪载荷作用下，连接节点处易发生疲劳破坏，结构可靠性低，运维和监测成本高。而本申请中采用的箱型梁与浮筒110的组合结构，优化为板面与板面的连接，连接节点少且连接面积大，组合结构和加工制造工艺更加简单，有利于减少结构用钢量和降低成本，且便于维护和批量生产。

本实施例中，第一支撑梁112与第二支撑梁114均采用箱形梁，这一设置可以充分利用箱形梁水线面大这一优势，进一步提高对塔筒12支撑的稳定性。此外，箱形梁的抗弯折和抗疲劳强度更高，对塔筒12的支撑也更加可靠。通过采用箱形梁结构，增加了水线面和提高了结构强度，总体经济性较好。

在其他一些实施例中，第一支撑梁112可以为箱形梁，第二支撑梁114可以为实心梁、桁架结构等。在另外一些实施例中，第一支撑梁112可以为实心梁、桁架结构等，第二支撑梁114可以为箱形梁。

在一种实施例中，第一支撑梁112的上表面与第二支撑梁114的上表面平齐，共同形成支撑面113。其中，塔筒12设置于该支撑面113。第一支撑梁112的上表面与第二支撑梁114的上表面平齐有利于塔筒12的设置，可以为塔筒12的安装提供水平基准面，避免由于塔筒12歪斜产生倾覆力矩。第一支撑梁112与第二支撑梁114可以通过焊接方式固定连接，但不仅限于此。

多个浮筒110的上表面可以保持平齐，并且与支撑面113平齐。当然，多个浮筒110的下表面也可以保持平齐，且与第一支撑梁112的下表面和第二支撑梁114的下表面共同保持平齐。

结合参考图1，第一支撑梁112与第二支撑梁114在各自的中点位置处交叉，塔筒12设置于第一支撑梁112与第二支撑梁114的交叉位置处。这样有利于使得塔筒12的中心线靠近风机基础11的重心，由此可以减小倾覆力矩，有利于风机10的稳定性。在一些实施例中，第一支撑梁112与第二支撑梁114等长，两者均为箱形梁，风机基础11为中心对称结构，风机基础11的重心即为对称中心，塔筒12设置于风机基础11的中心位置处，使得塔筒12的中心线可以穿过风机基础11的重心，避免产生倾覆力矩。

请参考图3，图3所示为图2中风机基础11的部分结构的示意图，其中浮筒110和箱形梁的顶板去除。

箱形梁可以包括多个第一隔舱20，第一隔舱20为密封空间，在一些实施例中，其中一个或多个第一隔舱20可以用于安装工程辅助设备和/或存放物品。在一些实施例中，其中一个或多个第一隔舱20也可以用作压载水舱，用于调整风机基础11的浮力和重心。在一些实施例中，多个第一隔舱20可以按上下层隔开，例如，可以在箱形梁的内部设置水平隔板21，水平隔板21可以将箱形梁内部的空间分隔成上下分布的多个第一隔舱20。在另一些实施例中，多个第一隔舱20可以设置在同一层，且相互隔开。例如，可以在箱形梁的内部设置竖直隔板22，竖直隔板22可以将箱形梁内部的空间分隔成并行排布的多个第一隔舱20。本实施例中，箱形梁包括水平隔板21和竖直隔板22，形成上下排布和在同一层上并行排布的多个第一隔舱20。

请继续参考图3，浮筒110可以包括多个第二隔舱30，第二隔舱30为密封空间，第二隔舱30可以用作电气设备安装空间、物品存放空间和/或压载水舱。多个第二隔舱30可以按上下层隔开，和/或，多个第二隔舱30可以在同一层隔开。在一些实施例中，浮筒110内可以设置纵横交错的隔板40、50、60，隔板40、50、60将浮筒110内的空间分隔成上下层分布和同一层分布的多个第二隔舱30。

请再次参考图2和图3，风机基础11还可以包括压载14和连接杆15，压载14通过连接杆15连接于第一支撑梁112和第二支撑梁114，压载14可以降低风机基础11的重心高度，避免出现风机基础11重心偏高，保证良好的自身稳定性。压载14可以采用钢筋混凝土结构，压载14的重量可以根据环境载荷条件、风机重量、系统整体重量等综合条件选择设置。另外，可以根据水深条件设置连接杆15的长度，以调整压载14的垂向位置。通过设置压载14可以保证风机基础11在倾斜时具有较大的恢复力矩以增加稳定性，另外，压载14还可以起到垂向制荡板的作用，从而减小风机基础11的垂荡运动响应，改善运动性能，由此解决了现有的风机基础为了降低风机的运动幅度，通常需要设置主动压载系统或者阻尼系统的复杂结构的问题。连接杆15可以采用空心管，也可以采用实心杆。

连接杆15可以设有一个或多个，具体数量不限。设有多个连接杆15时，多个连接杆15的一端均与压载14连接，另一端分别与第一支撑梁112和第二支撑梁114连接。在一些实施例中，连接杆15可以与箱形梁的底板连接。

一种实施例，为了增加连接杆15与箱型梁的连接强度，连接杆15穿过箱形梁的底板，与箱形梁内的竖直隔板22连接。连接杆15沿竖直隔板22的竖直面向上延伸，与竖直隔板22连接，由此增大连接杆15与竖直隔板22的接合面，增加连接面积和提高连接强度。连接杆15与竖直隔板22连接方式不限，例如可以采用焊接，但不仅限于此。在其它一些实施例中，连接杆15也可以与水平隔板21连接，例如，连接杆15的端部沿水平隔板21的水平面延伸，并与水平隔板21连接，由此增大连接杆15与水平隔板21的接合面，增加连接面积和提高连接强度。

在一种具体的实施例中，在水深约40～50m的水域中，风机基础11的总重量约为5000t。其中，箱形梁的长为12m，宽为6m，内部空间分为上下两层，每层又沿长度方向分隔成两个子空间，共形成四个第一隔舱20。浮筒的110直径为15m，高度为12m。每个浮筒110分成四个第二隔舱30。连接杆15的长度为20m，压载14为钢筋混凝土制成的板状结构，重量为3000t。

需要说明，在水深约40～50m的过渡水域中，浮筒110的高度尺寸受限，浮筒110的高度不能太高，浮筒110作为压载水舱时调节重心的能力有限，因此，需要通过设置压载14调节风机基础11的重心。

请参考图4，图4所示为本申请一示例性实施例示出的又一风机10的示意图。

图4所示的实施例类似于图1-3所示的实施例，相比较于图1-3所示的风机10，图4所示的风机10的风机基础11省略压载14和连接杆15。在水深大于50m的水域中，浮筒110的高度尺寸不受限，浮筒110的高度尺寸可以增大，此时，浮筒110可以作为压载水舱调节风机基础11的重心，因此可以省略压载14，从而可以省略连接杆15。

在图4所示出的实施例中，支撑面113可以低于多个浮筒110的上表面。但仍然以多个浮筒110、第一支撑梁112和第二支撑梁114的水平截面的外轮廓线包围的平面作为水线面，由此提高风机10整体结构的稳定性。其中多个浮筒110的上表面可以平齐，也可以不平齐。

本申请提供的风机10还可以包括锚泊系统(未示出)，锚泊系统包括但不限于锚链或钢丝绳缆。锚泊系统用于与海底的锚固结构连接，使得风机10停泊于海面。锚泊系统可以设置多组，且多组锚泊系统可以对称设置。锚泊系统可以与浮筒110连接，也可以与第一支撑梁112、第二支撑梁114连接。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

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