專利名稱：半潛式海上浮動風機基礎的制作方法
技術領域：
本發明屬于風力發電領域，涉及一種綜合性能優異的海上浮動風機基礎。
背景技術：
在遠離大陸的深海區域，有很多優質的風力資源可被開發利用，市場前景廣闊。要開發這些水深超過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方式不具備優勢，這是因為隨著水深增加，固定式基礎成本直線上升；固定式海上風力發電機(簡稱風機)施工成本比浮動式海上風力發電機更高。因此,為了使海上風電場的建設可以向深海區發展，需要開發經濟實用的浮動式風力發電機，如何開發運動特性優異、結構緊湊、經濟實用的浮動式風機基礎成為開發浮動式風機關鍵環節。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帶來很大干擾，會影響到風機的正常運行，影響發電量，甚至會危及整個系統結構的安全性。現階段為了開發深海風電場的需要，將海洋石油行業常用的深海漂浮式石油平臺型應用于風電領域，相繼開發了采用單立柱平臺(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,如圖I至圖3所示,分別是Hywind、Blue H和Windf Ioat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，以保持平臺的穩定。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，風向會發生變化，整個風機受到的風傾力矩方向會發生改變，需要動態調整壓載水的數量，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點較多，對結構疲勞壽命影響較大
發明內容
·本發明在于提供一種新型半潛式海上浮動式風機基礎，該風機基礎融合了多種控制基礎運動的技術，適合在岸邊淺水港口碼頭整機拼裝，建造施工方便，成本較低，且具有優異運動性能，該風機基礎可以支撐5MW級別以上的風機，能保證整個風機結構的強度和疲勞壽命以及保障風機正常運行發電。根據本發明的一方面，提供一種半潛式海上浮動風機基礎，所述風機基礎包括包括三個方形立柱，為內部設置有加強構件的中空結構，呈正三角形等間距排列；圓形立柱，安裝在由所述三個方形立柱形成的正三角形的中心位置，圓形立柱的頂端法蘭與浮動風機的塔架的塔底法蘭連接；底浮箱，呈Y形，底浮箱的三個遠端分別連接到所述三個方形立柱的下部，圓形立柱的底端安裝在底浮箱的中心位置?？稍诿總€方形立柱中設置有多個艙壁，所述多個艙壁將方形立柱的內部空間分割多個子空間，在每個艙壁上設置有水平排列和豎直排列的多個加強筋，所述多個艙壁和所述多個加強筋構成方形立柱中的加強構件?？稍诘赘∠渲性O置有多個艙壁，所述多個艙壁將底浮箱的內部空間分割多個子空間，在每個艙壁上設置有水平排列和豎直排列的多個加強筋。半潛式海上浮動風機基礎還可包括三個第一撐桿，每個第一撐桿連接在每個方形立柱與圓形立柱之間。半潛式海上浮動風機基礎還可包括三個第二撐桿，分別連接在兩個相鄰的方形立柱之間。半潛式海上浮動風機基礎還可包括三個三角形垂蕩板，每個三角形垂蕩板連接在兩個相鄰的方形立柱之間且連接到底浮箱。可在每個三角形垂蕩板上設置有多個擾流孔。所述多個擾流孔可呈圓形或橢圓形。底浮箱可呈Y形，底浮箱的三個遠端分別連接到所述三個方形立柱的下部。底浮箱的截面寬度可與方形立柱的截面的邊長相等。每個三角形垂蕩板的下表面、每個方形立柱的下表面以及底浮箱的下表面可彼此平齊。
可在每個方形立柱的下部布置有固定壓載，固定壓載覆蓋方形立柱下部的外周表面。底浮箱中可充滿壓載水。


通過結合附圖，從下面的實施例的描述中，本發明這些和/或其它方面及優點將會變得清楚，并且更易于理解，其中圖I至圖3是根據現有技術的浮動風機的總體結構；圖4是根據本發明的半潛式海上浮動風機的總體結構；圖5是根據本發明的半潛式海上浮動風機基礎的詳細結構。
具體實施例方式以下參照附圖來詳細描述本發明的實施例。圖4是根據本發明的半潛式海上浮動風機的總體結構。參照圖4，半潛式海上浮動風機包括半潛式海上浮動風機基礎I、塔架2、風機機艙3和葉片4。半潛式海上浮動風機基礎I可浮動在海面上。塔架2支撐在半潛式海上浮動風機基礎I上，風機機艙3安裝在塔架2上，在風機機艙3中安裝有風力發電機組，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，由此進行發電。下面參照圖5來具體描述根據本發明的半潛式海上浮動風機基礎的詳細結構。圖5是根據本發明的半潛式海上浮動風機基礎的詳細結構。參照圖5，半潛式海上浮動風機基礎I包括三個呈正三角形等間距(約60 70m)排列的方形立柱5 (其方形截面的邊長約10 12m)。方形立柱5的四個角可被倒圓。方形立柱5的下部通過底浮箱6連接在一起。方形立柱5可為內部設置有加強構件的中空結構，使得半潛式海上浮動風機基礎I能夠浮動在海面上。具體地，可在方形立柱5中設置有多個艙壁，多個艙壁將方形立柱5的內部空間分割多個子空間，在每個艙壁上設置有水平排列和豎直排列的多個加強筋(艙壁和加強筋構成所述加強構件)，以加強方形立柱5的強度，防止方形立柱5變形。類似地，底浮箱6也可為內部設置有加強構件的中空結構。具體地，底浮箱6也可為可在底浮箱6中設置有多個艙壁，多個艙壁將底浮箱6的內部空間分割多個子空間，在每個艙壁上設置有水平排列和豎直排列的多個加強筋(艙壁和加強筋形成加強構件)，以加強底浮箱6的強度，防止底浮箱6變形。在由所述三個方形立柱5形成的正三角形的中心位置安裝有直徑較小的圓形立柱8 (直徑約6. 5m)，圓形立柱8的頂端法蘭可與半潛式海上浮動風機的塔架2的塔底法蘭連接，以支撐塔架2和風機機艙3。三個方形立柱5的下部可通過底浮箱6彼此相連。三個方形立柱5的下部可連接到底浮箱6，圓形立柱6的底端可安裝在底浮箱6的中心位置。方形立柱5的下表面可與底浮箱6的下表面平齊。底浮箱6可為中空結構，并且可呈Y形，底浮箱6可從所述三個方形立柱5形成的正三角形的中心位置分別延伸并連接到三個方形立柱5，即，底浮箱6的三個遠端可分別連接到所述三個方形立柱5的下部。底浮箱6的截面寬度可與方形立柱5的截面的邊長相等。底浮箱6的高度可為2m-5m。半潛式海上浮動風機基礎I還可包括三個第一撐桿7 (直徑約2m)，每個第一撐桿7可連接在每個方形立柱5與圓形立柱8之間。半潛式海上浮動風機基礎I還包括三個第二撐桿9 (直徑約2m)，三個第二撐桿9分別連接在兩個相鄰的方形立柱5之間。在半潛式海上浮動風機基礎I的底部還設置有三個三角形垂蕩板10。三角形垂蕩板10的下表面、方形立柱5的下表面以及底浮箱6的下表面可彼此平齊。每個三角形垂蕩板10連接在兩個相鄰的方形立柱5之間且連接到底浮箱6。每個三角形垂蕩板10可大致覆蓋兩個相鄰的方形立柱5與由所述三個方形立柱5形成的正三角形的中心形成的三角形區域(除了底浮箱6自身所占據的區域之外)，即，覆蓋兩個相鄰的方形立柱5與底浮箱6形成的三角形區域。在每個三角形垂蕩板10上可均勻地設置有多個擾流孔11，可保證8%-12%的透空率。擾流孔11可呈圓形或橢圓形?？稍诿總€方形立柱5的下部布置固定壓載12，固定壓載12可覆蓋方形立柱5的下部的外周表面，以降低重心。固定壓載12可以是混凝土固定壓載、礦砂壓載以及沙石壓載中的一種。底浮箱6中可充滿壓載水，以降低重心。圓形立柱8與方形立柱5之間的連接，需要配合結構強度分析進行合理的加強。在滿足浮性、穩性、固有周期和港口水深條件的前提下，可以通過水動力軟件或模型試驗優化基礎水動力性能，得到方形立柱5和底浮箱6的最優尺寸。垂蕩板10的主要作用是增加海上浮動風機基礎I的橫搖、縱搖、垂蕩阻尼和附加質量，從而減小海上浮動風機基礎I的運動幅度，同時還可以降低海上浮動風機基礎I的重心，提高穩性。擾流孔11的尺寸的大小決定了透空率，可通過流體分析對擾流孔11的尺寸進行優化，使流體的垂向流動受到擾動，以增加海上浮動風機基礎I的垂蕩運動的粘性阻尼，使其運動幅度得到減緩。底浮箱6的位于水面以下的深處，可大大減小波浪作用力。底浮箱6可具有矩形截面并呈輻射狀分布，有效增加了整個浮動風機基礎的垂蕩、橫搖、縱搖和首搖的附加阻尼和附加質量，從而達到降低整個浮動風機基礎運動幅度的目的。在岸邊拼裝時，三個方形立柱5中裝載固定壓載，但底浮箱6中不灌注壓載水，浮動基礎主要靠三個方形立柱5和底浮箱6提供浮力支撐整個浮動風機，使浮動風機基礎的吃水較淺(吃水不超過8米)，國內絕大部分港口滿足施工的水深要求；在目標海域正常發電工況下，底浮箱6中充滿壓載水，使浮動風機基礎達到設計吃水，既降低了整個浮動風機基礎重心，又提高了穩性和耐波性。圓形立柱8除了支撐塔架2和風機機艙3以外，還可以在圓形立柱8內部放置電氣柜等，增大了布置空間。連接方形立柱5和圓形立柱8的撐桿9除了支撐方形立柱5和圓形立柱8以保證浮動風機基礎的結構強度外，還可以在撐桿9上設置護欄形成過道，連通方形立柱5的頂部和中間圓形立柱8，便于維護船只在方形立柱5 —側?？亢?，現場操作人員通過此過道對風機進行維護。海上浮動風機基礎I是全鋼制結構，所有部件可焊接在一起。針對不同容量的風力發電機組，在建造時可以選擇較淺水深的港口碼頭，將海上浮動風機基礎I整體濕拖至安裝地點，然后通過系泊定位，沒有日常維護要求。、
整個浮動風機基礎I吃水較深(25m左右)，排水量大，重心低，運動性能優異，尤其是在垂蕩和橫搖/縱搖/首搖方向，可減小運動幅度達15%。上面描述了根據本發明的海上浮動風機基礎，應該理解，本發明不限于此，可作出多種改變。例如，立柱5不限于方形立柱，也可以是圓形立柱、橢圓形立柱等；立柱5的數量不限于3個，也可以是4個、5個或更多，可根據實際情況選擇立柱5的數量，相應地，多個立柱5可沿圓周方向等間隔地排列，底浮箱6可呈輻射狀分布以連接到每個立柱5的下部；底浮箱6也可具有橢圓形截面；如果立柱5與底浮箱6的連接強度足夠大，則可以省略第一撐桿7和/或第二撐桿9。采用根據本發明的海上浮動風機基礎，可至少實現以下優點I、由于在海上浮動風機基礎底部布置了較大面積的垂蕩板，因此可以有效增加海上浮動風機基礎的橫搖、縱搖和垂蕩運動的附加質量和附加阻尼，從而達到了減小浮動式風機運動幅度的目的。
2、由于海上浮動風機基礎吃水較深，因此具有較大重量的垂蕩板布置在海上浮動風機基礎，使得垂蕩板不但受波浪力影響較小，而且還降低了整個結構的重心，提高了海上浮動風機基礎的穩性。3、由于在垂蕩板上設置了均勻的擾流孔，因此不但可以減輕垂蕩板的重量，而且還使流體的垂向流動受到擾動，有效增加了海上浮動風機基礎的垂蕩運動的阻尼，使浮動式風機的垂蕩運動幅度更小。4、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，因而滿足垂蕩和橫搖/縱搖固有周期均大于20s，大于波浪能量集中的周期，不會發生共振。5、浮動風機基礎吃水較深,且在浮動風機基礎的立柱底部采用固定壓載,大排水量的底浮箱充滿壓載水，這大大的降低了整個浮動風機基礎的重心，提高了整個系統的穩性。6、底浮箱中充滿壓載水，不會承受較大水深處的靜水壓力，內部不需要很強的加強構件，因此可以節省結構的鋼料重量，從而降低建造成本。7、三個方形立柱和中間的圓形立柱間必需的撐桿連接較少，減小了復雜的管節點設計，降低了結構出現疲勞斷裂的風險，可靠性高，能適應大型海上風電機組整個壽命周期內正常操作的要求。8、采用了三個方形立柱和矩形截面的底浮箱，可顯著增大整個浮動風機基礎的首搖附加質量和附加阻尼，能有效降低整個系統的首搖運動，保證了整個浮動風機基礎偏航控制的穩定性。9、底浮箱位于水面以下的深處，大大減小了波浪作用力，而且底浮箱為扁長的矩形截面呈中心輻射狀布置，有效增加了整個浮動風機基礎的垂蕩、橫搖/縱搖和首搖的附加質量、附加阻尼，從而有助于實現降低整個浮動風機基礎運動幅度的目的。10、根據本發明的浮動風機基礎具有明顯的安裝施工優勢在岸邊港口碼頭整機拼裝時，底浮箱中無壓載水，但在三個方形立柱底部安裝固定壓載以降低重心，保證了整個浮動結構的穩性，這時吃水較淺(不超過8m)，可適應大部分港口碼頭淺吃水的條件；當將浮動風機基礎濕拖至安裝地點就位時，可打開連通底浮箱內部的閥門，灌入壓載水，當浮動風機基礎的吃水達到設計吃水時，可關閉閥門，整個施工安裝過程中對港口碼頭水深要求低，操作簡單方便。11、方形立柱和底浮箱均為矩形截面，工藝簡單，加工方便、易于實現，可在一般的船塢或船臺上建造，在岸邊碼頭實行整機拼裝，對港口水深要求不高，可整體濕拖，省去了常規海上吊裝需要的大型浮吊船，不需要復雜的高空作業，并可在岸邊碼頭通過陸上吊機完成整個浮動式風機的拼裝，然后整體拖航(濕拖)至安裝地點，通過系泊定位。因此，根據本發明的浮動風機基礎具有結構形式簡單、加工方便、成本較低、易于實現的特點。根據本發明的浮動風機基礎作為一種開發深海風電場的重要海工裝備，可用于支撐5MW以上大容量風電機組的安全運行。12、對于傳統的海上風機，當電機及齒輪箱等大部件出現故障時，往往需要動用大型浮吊船或自升式船舶進行更換，費用高昂。采用根據本發明的浮動風機基礎，當需要大部件更換或遇臺風來襲時，可以解纜，借助拖船將風機整體拖航回港進行大部件更換或避風， 機動靈活性能好，減少了大型工程船舶的使用，節省了大型浮吊船的高昂費用，降低風機運行維護成本。雖然本發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明的精神和范圍的情況下，可以對其進行形式和細節的各種改變。
權利要求
1.一種半潛式海上浮動風機基礎，包括 三個方形立柱，為內部設置有加強構件的中空結構，呈正三角形等間距排列； 圓形立柱，安裝在由所述三個方形立柱形成的正三角形的中心位置，圓形立柱的頂端法蘭與浮動風機的塔架的塔底法蘭連接； 底浮箱，呈Y形，底浮箱的三個遠端分別連接到所述三個方形立柱的下部，圓形立柱的底端安裝在底浮箱的中心位置。
2.根據權利要求I所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，在每個方形立柱中設置有多個艙壁，所述多個艙壁將方形立柱的內部空間分割多個子空間，在每個艙壁上設置有水平排列和豎直排列的多個加強筋，所述多個艙壁和所述多個加強筋構成方形立柱中的加強構件。
3.根據權利要求2所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，在底浮箱中設置有多個艙 壁，所述多個艙壁將底浮箱的內部空間分割多個子空間，在每個艙壁上設置有水平排列和豎直排列的多個加強筋。
4.根據權利要求3所述的半潛式海上浮動風機基礎，還包括三個第一撐桿，每個第一撐桿連接在每個方形立柱與圓形立柱之間。
5.根據權利要求4所述的半潛式海上浮動風機基礎，還包括三個第二撐桿，分別連接在兩個相鄰的方形立柱之間。
6.根據權利要求5所述的半潛式海上浮動風機基礎，還包括三個三角形垂蕩板，每個三角形垂蕩板連接在兩個相鄰的方形立柱之間且連接到底浮箱。
7.根據權利要求6所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，在每個三角形垂蕩板上設置有多個擾流孔。
8.根據權利要求7所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，所述多個擾流孔呈圓形或橢圓形。
9.根據權利要求I所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，底浮箱的截面寬度與方形立柱的截面的邊長相等。
10.根據權利要求7所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，每個三角形垂蕩板的下表面、每個方形立柱的下表面以及底浮箱的下表面彼此平齊。
11.根據權利要求7所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，在每個方形立柱的下部布置有固定壓載，固定壓載覆蓋方形立柱下部的外周表面。
12.根據權利要求7所述的半潛式海上浮動風機基礎，其中，底浮箱中充滿壓載水。
全文摘要
本發明提供一種半潛式海上浮動風機基礎，所述風機基礎包括三個方形立柱，為內部設置有加強構件的中空結構，呈正三角形等間距排列；圓形立柱，安裝在由所述三個方形立柱形成的正三角形的中心位置，圓形立柱的頂端法蘭與浮動風機的塔架的塔底法蘭連接；底浮箱，呈Y形，底浮箱的三個遠端分別連接到所述三個方形立柱的下部，圓形立柱的底端安裝在底浮箱的中心位置。
文檔編號E02D27/42GK102758446SQ201210268230
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月30日 優先權日2012年7月30日
發明者朱海飛, 李榮富, 汪亞洲, 白洛林, 羅勇 申請人:北京高泰深海技術有限公司, 江蘇金風風電設備制造有限公司