一种张力腿式漂浮风机基础及漂浮式风机的制作方法

2021-02-09 12:02:14|

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本实用新型涉及海上风力发电技术领域，特别是涉及一种张力腿式漂浮风机基础及漂浮式风机。

背景技术：

近年来，随着全球对清洁可再生能源需求的日益增长，风能已成为商业化程度最高的可再生清洁能源技术之一，并呈现出蓬勃发展的态势，而风力发电也逐渐从陆地走向海洋、从近海走向远海。然而，固定式的海上风机因为技术和经济问题，其运用被限制在50m水深以内的海域，为了获得更优质的风能以及拓展风能发展的空间资源，漂浮式风机技术近年来得到广泛关注。

目前张力腿型浮体是漂浮式风机的主要基础形式之一。传统的张力腿型浮体主要服务于油气开采领域，其浮体上部结构所承受的水平方向作用力和首摇方向力矩并不明显，但是对于漂浮式风机而言，由于其风机结构高耸，在受到风载荷导致的较大推力、倾覆力矩和旋转风轮的旋转力矩作用下，则存在明显的水平面运动，包括纵荡运动、横荡运动和首摇运动。另外，现有的张力腿型浮体还容易产生高频振动和绷紧的张力腿颤振，进而造成浮体和张力腿的疲劳使用，降低使用寿命。此外，现有的张力腿型浮体还存在抵抗水平面运动阻尼不足、自稳性较差等问题，这严重的影响了张力腿型漂浮式风机的性能。鉴于上述情况，设计一款新型的张力腿式漂浮风机基础及漂浮式风机成为一个亟需解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种张力腿式漂浮风机基础，用于解决现有技术中漂浮式风机的结构设计不合理，影响漂浮式风机使用性能的技术问题。本实用新型的目的还在于提供一种应用上述张力腿式漂浮风机基础的漂浮式风机。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种张力腿式漂浮风机基础，采用如下的技术方案：

一种张力腿式漂浮风机基础包括主浮体结构、多个桁架梁结构以及连接在各桁架梁结构自由端的系泊机构，所述系泊机构用于与海底基础连接，所述主浮体结构的外周面上交替分布有多个安装面和多个增阻面，各桁架梁结构均一一对应的安装在各安装面上，各增阻面均为内凹曲面；所述主浮体结构内设置有配重舱室和调节舱室，所述配重舱室内填充有配重材料，所述调节舱室内可调装填有用于控制主浮体结构吃水深度的调节液；所述主浮体结构上还安装有凸出于各增阻面的阻尼板。

进一步地，所述系泊机构包括拉杆结构和绳链结构，所述拉杆结构与桁架梁结构垂直设置，所述绳链结构与桁架梁结构所形成的夹角为钝角。

进一步地，所述绳链结构包括绳链以及设置在桁架梁结构自由端的布锚箱，所述绳链用于将桁架梁结构与海底基础连接，所述布锚箱内安装有用于收放绳链的卷链装置。

进一步地，所述拉杆结构包括张力腿，所述张力腿的两端均采用球铰的方式分别与桁架梁结构和海底基础连接。

进一步地，所述主浮体结构内设置有加强构件，所述加强构件包括加强板和加强筋。

进一步地，所述加强板有多个，各加强板垂直交叉布置并将主浮体结构的内腔分隔为多个子腔体，所述加强筋固定在所述的加强板上。

进一步地，所述配重舱室位于主浮体结构的底部，所述调节舱室位于配重舱室的上方。

进一步地，所述桁架梁结构为锥型，桁架梁结构尺寸较大的一端与安装面固定连接、尺寸较小的一端构成所述的自由端并伸向外侧。

进一步地，还包括过渡浮体结构，所述过渡浮体结构设置在主浮体结构的顶部并用于安装风电设备。

本实用新型还提供了一种漂浮式风机，漂浮式风机采用如下的技术方案：

一种漂浮式风机包括风电设备以及安装在风电设备下方的张力腿式漂浮风机基础，张力腿式漂浮风机基础包括主浮体结构、多个桁架梁结构以及连接在各桁架梁结构自由端的系泊机构，所述系泊机构用于与海底基础连接，所述主浮体结构的外周面上交替分布有多个安装面和多个增阻面，各桁架梁结构均一一对应的安装在各安装面上，各增阻面均为内凹曲面；所述主浮体结构内设置有配重舱室和调节舱室，所述配重舱室内填充有配重材料，所述调节舱室内可调装填有用于控制主浮体结构吃水深度的调节液；所述主浮体结构上还安装有凸出于各增阻面的阻尼板。

进一步地，所述系泊机构包括拉杆结构和绳链结构，所述拉杆结构与桁架梁结构垂直设置，所述绳链结构与桁架梁结构所形成的夹角为钝角。

进一步地，所述拉杆结构包括张力腿，所述张力腿的两端均采用球铰的方式分别与桁架梁结构和海底基础连接。

进一步地，所述主浮体结构内设置有加强构件，所述加强构件包括加强板和加强筋。

进一步地，所述加强板有多个，各加强板垂直交叉布置并将主浮体结构的内腔分隔为多个子腔体，所述加强筋固定在所述的加强板上。

进一步地，所述配重舱室位于主浮体结构的底部，所述调节舱室位于配重舱室的上方。

进一步地，所述桁架梁结构为锥型，桁架梁结构尺寸较大的一端与安装面固定连接、尺寸较小的一端构成所述的自由端并伸向外侧。

进一步地，还包括过渡浮体结构，所述过渡浮体结构设置在主浮体结构的顶部并用于安装风电设备。

本实用新型实施例一种张力腿式漂浮风机基础、一种漂浮式风机与现有技术相比，其有益效果在于：通过采用本实用新型的张力腿式漂浮风机基础、漂浮式风机，由于在主浮体结构的外周侧设置有增阻面，增阻面能够增大与水的接触面积，并增大附连水质量和水动力阻尼，这样当主浮体结构发生水平运动时，海水会对主浮体结构施加与运动方向相反的作用力，从而起到减缓水平运动的作用。另外，本实用新型的主浮体结构内部设置有配重舱室和调节舱室，填充在配重舱室内的配重材料能够调节重心位置，从而使得主浮体结构的重心低于浮心，增强了主浮体结构的自稳性，避免了系泊结构断裂后主浮体结构容易发生倾覆的问题。而通过向调节舱室内装填不同量的调节液则能够对主浮体结构的吃水深度进行调节，使得主浮体能够满足不同工作状态下浸没深度的要求。由于本实用新型的阻尼板要凸出各增阻面，当主浮体结构上下浮动时，阻尼板和海水之间能够形成相互挡止，从而起到抑制主浮体结构上下浮动的作用，进而抑制了主浮体结构的高频振动，避免了疲劳使用。本实用新型中桁架梁结构一方面起到了增加系泊机构的作用力臂，增加了回复力矩，另一方面还具有结构轻便的特性，减少了整体用钢量，降低了成本。

进一步地，通过设置拉杆结构和绳链结构，拉杆能够起到限制竖直方向运动的作用，而绳链结构能够起到限制水平方向运动的作用，进一步保证了结构的稳定性。克服了传统张力腿型浮式风机自稳性差，容易倾覆，水平运动约束不足等缺点。

附图说明

图1是本实用新型实施例的漂浮式风机的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的漂浮式风机的张力腿式漂浮风机基础整体结构示意图；

图3是图2的局部放大图；

图4是本实用新型实施例的漂浮式风机的桁架梁结构自由端结构示意图。

图中，1-风电设备，2-风机基础，201-主浮体结构，202-桁架梁结构，203-拉杆结构，204-绳链结构，205-圆台座，206-支撑圆柱，207-输出电缆，208-增阻面，209-安装面，210-阻尼板，211-布锚箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1至图4所示，本实用新型实施例优选实施例的一种漂浮式风机。漂浮式风机包括风电设备1以及安装在风电设备1下方的张力腿式漂浮风机基础(以下简称风机基础2)，张力腿式漂浮风机基础包括主浮体结构201、多个桁架梁结构202以及连接在各桁架梁结构202自由端的系泊机构，所述系泊机构用于与海底基础连接，所述主浮体结构201的外周面上交替分布有多个安装面209和多个增阻面208，各桁架梁结构202均一一对应的安装在各安装面209上，各增阻面208均为内凹曲面；所述主浮体结构201内设置有配重舱室和调节舱室，所述配重舱室内填充有配重材料，所述调节舱室内可调装填有用于控制主浮体结构201吃水深度的调节液；所述主浮体结构201上还安装有凸出于各增阻面208的阻尼板210。

具体而言，本实施例中风电设备1包括塔筒、风机转子以及机舱，其中机舱安装在塔筒的顶部，机舱可绕着塔筒发生平面旋转，风机转子则安装在机舱上，本实施例中风机转子包括桨叶和轮毂，通过桨叶转动即可实现风电设备1的发电。本实施例中风电设备1还连接有输出电缆207，输出电缆207穿设在主浮体结构201内并从主浮体结构201的底部穿出，通过输出电缆207即可将风电设备1产生的电能输送。由于风电设备1为现有技术，本实施例中对于风电设备1的具体结构和工作原理不再详述。

本实施例中风电设备1安装在风机基础2上，风机基础2包括主浮体结构201、过渡浮体结构、桁架梁结构202以及系泊机构。本实施例中桁架梁结构202由三个，三个桁架梁结构202沿着主浮体结构201周向方向等间隔设置，各桁架梁结构202的一端均与主浮体结构201固定连接、另一端则向外侧悬伸，各桁架梁结构202悬伸的一端构成自由端。本实施例中系泊机构均设置在各桁架梁结构202的自由端，系泊机构也对应有三个。

本实施例中主浮体结构201为柱状结构，主浮体结构201的水平截面为y字型，主浮体结构201的外周面上设置有增阻面208和安装面209，增阻面208和安装面209均有三个，各增阻面208和安装面209沿着周向方向依次交替分布。具体的，本实施例中三个安装面209均为平面，而三个增阻面208则均为内凹曲面，各增阻面208均从左右两侧向中间凹陷。为了增强阻尼效果，本实施例中增阻面208的面积均要大于安装面209的面积。本实施例中增阻面208能够增大主浮体结构201的附连水质量和水动力阻尼，当主浮体结构201发生水平运动时，对应的两个增阻面208与水体之间会形成阻力作用，从而起到减缓主浮体结构201水平运动的作用。

本实施例中主浮体结构201的内部为中空，为了增强主浮体结构201的结构强度，本实施例中在主浮体结构201内设置有加强构件，加强构件包括加强板和加强筋，本实施例中加强板有多个，各加强板垂直交叉布置，具体的，加强板按照布置方位可以分为竖直加强板和水平加强板，其中水平加强板和主浮体结构201的上下两面平行，竖直加强板则与主浮体结构201的上下两面垂直，这些加强板将主浮体结构201的内部中空分隔为多个子腔体。为了进一步加强板的结构的强度，本实施例中在各加强板上均焊接固定有加强筋。

本实施例中主浮体结构201内部设置有配重舱室和调节舱室，其中配重舱室位于主浮体结构201的底部，调节舱室则位于配重舱室的上方。配重舱室和调节舱室均可视为多个上述子腔体的集合。本实施例中在配重舱室内填充有配重材料，配重材料主要起到增加压载重量的作用，配重材料可以选用混凝土、矿砂、砂石等。配重材料的填充可以起到降低主浮体结构201重心的作用，并使得主浮体结构201的重心低于浮心，从而使得主浮体结构201具有较好的自稳特性，从而克服了传统张力腿浮体自稳性较差，在系泊机构发生断裂后容易倾覆的问题。

本实施例中调节舱室内装填有调节液，调节液具体为海水，在其他实施例中也可以为淡水等。通过向调节舱室内装填不同量的调节液即可实现对主浮体结构201浸水深度(吃水深度)的调整，从而使得主浮体结构201能够满足不同工作状态下对于不同浸水深度的要求。

为了降低垂直震动频率，本实施例中在主浮体结构201的底部还安装有一块阻尼板210，阻尼板210即为一块六边形平板，阻尼板210的形状与主浮体结构201的底面相适配，阻尼板210具有三个短边棱和三个长边棱，三个短边棱和三个长边棱沿着周向方向交替分布。其中三个短边棱分别与三个安装面209平齐，而三个长边棱则凸出于三个增阻面208。这样当主浮体结构201上下浮动时，凸出于增阻面208的阻尼板210会与海水形成挡止，从而起到抑制主浮体结构201上下浮动的作用，降低了上下震动频率。

本实施例中三个桁架梁结构202均固定在对应安装面209的顶部位置处，本实施例中各桁架梁结构202均为锥型，具体为四棱锥台状，并且尺寸较大的一端与安装面209固定连接、尺寸较小的一端构成所述的自由端并伸向外侧。本实施例中桁架梁结构202包括四个长杆以及许多的短杆，四个长杆分别构成四棱锥台的四个棱边，而各短杆则固定在任意相邻的两个长杆之间，本实施例中位于各桁架梁结构202同一侧面的各短杆以v字型收尾连接的方式排布。需要说明的是，本实施例中各桁架梁结构202位于上方的两个长杆与主浮体结构201的顶面处于同一平面内，而各桁架梁结构202下方的两个长杆则倾斜向下延伸设置。

本实施例中三个系泊机构分别固定连接在对应桁架梁结构202的自由端，具体的，本实施例中系泊机构包括拉杆结构203和绳链结构204，拉杆结构203和桁架梁结构202垂直设置，而绳链结构204则与桁架梁结构202所形成的夹角为钝角，其中拉杆结构203位于桁架梁结构202和绳链结构204形成的钝角内。本实施例中绳链结构204包括绳链以及设置在桁架梁结构202自由端的布锚箱211，绳链用于将桁架梁结构202与海底基础连接，所述布锚箱211内安装有用于收放绳链的卷链装置。具体的，本实施例中绳链为聚酯纤维缆等绳索，在其他实施例中也可以采用档环锚链。本实施例中布锚箱211为长方体状，布锚箱211上设置有供绳链穿出的穿出孔。本实施例中布锚箱211内安装有收绳装置，收绳装置具体为绞车，通过转动绞车可以实现对绳链的伸出长度的调整。

本实施例中拉杆结构203包括张力腿，张力腿即为钢管，本实施例中拉杆结构203包括两个并行设置的张力腿。本实施例中各张力腿均垂直设置，张力腿的上下两端均采用球铰连接的方式分别与布锚箱211和海底基础连接，具体的，本实施例中在布锚箱211和海底基础上均设置有球壳，而在张力腿的上下两端则均设置有嵌入球壳内的球体。通过球铰连接的方式限制了风机基础2上下方向的运动，而各桁架梁结构202和张力腿之间则可以自由转动。

需要说明的是，本实施例中海底基础为重力式基础、负压筒结构或者桩基等能承受水平和垂向拉力的锚固结构。海底基础则固定在海床上。本实施例中张力腿底端的球壳和绳链的底端均采用锚固的方式与海底基础固定连接。

本实施例中在主浮体结构201的顶部还设置有过渡浮体结构，本实施例中过渡浮体结构包括圆台座205和支撑圆柱206，圆台座205为圆台状，圆台座205尺寸较大的一端(底端)与主浮体结构201连接固定，支撑圆柱206则与圆台座205的另一端(顶端)连接固定。本实施例中圆台座205的底部边沿与主浮体结构201的三个增阻面208的顶部边沿相切，而支撑圆柱206的截面尺寸则与圆台座205的顶面相等。本实施例中风电设备1的塔筒则与支撑圆柱206连接固定，连接固定的方式则为法兰螺栓连接。

本实用新型的工作过程为：首先将漂浮式风机安装在相关海域，并通过向调节舱室内装填不同量的调节液来实现漂浮式风机吃水深度的调整。使用过程中，海风会驱动风电设备1转动并产生电能，产生的电能会经由输出电缆207进行输送。

另外，使用过程中，拉杆结构203会起到抑制漂浮式风机上下浮动的作用，绳链结构204则会起到限制漂浮式风机水平移动的作用。当受到风力推动时，相应的增阻面208会增大主浮动结构的附连水质量和水动力阻尼，从而起到抑制水平移动的作用。当漂浮式风机上下浮动时，阻尼板210会与海水形成相互挡止，从而起到抑制剧烈震动的作用。

本实用新型张力腿式漂浮风机基础的实施例：张力腿式漂浮风机基础的具体结构与上述漂浮式风机中风机基础2的具体结构相同，此处不再赘述。

综上，本实用新型实施例提供一种张力腿式漂浮风机基础、一种漂浮式风机，其通过采用本实用新型的张力腿式漂浮风机基础、漂浮式风机，由于在主浮体结构201的外周侧设置有增阻面208，增阻面208能够增大与水的接触面积，并增大附连水质量和水动力阻尼，这样当主浮体结构201发生水平运动时，海水会对主浮体结构201施加与运动方向相反的作用力，从而起到减缓水平运动的作用。

另外，本实用新型的主浮体结构201内部设置有配重舱室和调节舱室，填充在配重舱室内的配重材料能够调节重心位置，从而使得主浮体结构201的重心低于浮心，增强了主浮体结构201的自稳性，避免了系泊结构断裂后主浮体结构201容易发生倾覆的问题。而通过向调节舱室内装填不同量的调节液则能够对主浮体结构201的吃水深度进行调节，使得主浮体能够满足不同工作状态下浸没深度的要求。

由于本实用新型的阻尼板210要凸出各增阻面208，当主浮体结构201上下浮动时，阻尼板210和海水之间能够形成相互挡止，从而起到抑制主浮体结构201上下浮动的作用，进而抑制了主浮体结构201的高频振动，避免了疲劳使用。本实用新型中桁架梁结构202一方面起到了增加系泊机构的作用力臂，增加了回复力矩，另一方面还具有结构轻便的特性，减少了整体用钢量，降低了成本。

通过设置拉杆结构203和绳链结构204，拉杆能够起到限制竖直方向运动的作用，而绳链结构204能够起到限制水平方向运动的作用，进一步保证了结构的稳定性。克服了传统张力腿型浮式风机自稳性差，容易倾覆，水平运动约束差等缺点。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

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