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CN110712724A - 一种具有高度自稳性的浮式风机平台 - Google Patents

一种具有高度自稳性的浮式风机平台 Download PDF

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CN110712724A CN201910978031.7A CN201910978031A CN110712724A CN 110712724 A CN110712724 A CN 110712724A CN 201910978031 A CN201910978031 A CN 201910978031A CN 110712724 A CN110712724 A CN 110712724A
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陈映宇
张玉明
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Abstract

本发明公开了一种具有高度自稳性的浮式风机平台，包括风机、浮力舱、压载舱和系泊系统，浮力舱与风机之间连接有过渡段，过渡段为圆柱，风机固定于过渡段的顶部，过渡段的底部与浮力舱的顶部固定。浮力舱为顶部直径大于底部直径的空心圆台，压载舱为实心圆盘；浮力舱通过其形状，提高了浮式风机平台的浮心，压载舱布置于浮力舱以下，降低了平台的重心进而减小了压载舱重量，同时圆盘形的压载舱减小了平台的垂荡响应和纵摇响应，通过过渡段可与任意型号的浮式风机相连。本发明的浮式风机平台增加了平台的自稳性，其既能在恶劣海况中具有优秀的响应性能，又具有优良的经济性，在任意水深下皆可适用。

Description

一种具有高度自稳性的浮式风机平台
技术领域
本发明涉及一种风能发电设施，尤其涉及一种具有高度自稳性的浮式风机平台。
背景技术
随着人类开发能源的步伐逐渐迈向海洋领域，涌现出了很多新型的浮式海洋平台，目前平台已经被广泛应用于人类开发海洋资源的事业中，担负了钻探、生产、海上原油处理、风力发电等各种工作。现有技术的平台使用范围受限于相应的水深条件，单类型的平台难以推广至任意水深。为了解决上述困难，需要开发一款适用于任意水深的、同时稳定性优良的新型浮式风机平台。
发明内容
现有的单一类型的浮式风机平台受限于相应的水深条件，不具备普适性。针对现有技术存在的这一问题，本发明提出一种适用于任意水深的具有高度自稳性的浮式风机平台。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种具有高度自稳性的浮式风机平台，包括风机、浮力舱、压载舱和系泊系统，所述浮力舱设置在所述压载舱的上方，所述风机设置在所述浮力舱的上方，所述浮力舱与所述风机之间连接有过渡段，所述过渡段为圆柱，所述风机固定于所述过渡段的顶部，所述过渡段的底部与所述浮力舱的顶部固定。
进一步讲，本发明所述的具有高度自稳性的浮式风机平台，所述浮力舱为顶部直径大于底部直径的圆台；所述压载舱为圆盘；所述过渡段的底面与所述浮力舱的顶面贴合，所述浮力舱顶部直径大于所述过渡段的直径；所述浮力舱的底面与所述压载舱的顶面贴合，所述压载舱的直径大于所述浮力舱底部的直径，所述过渡段、浮力舱和压载舱的中心轴线重合，所述系泊系统的系泊缆绳的一端固定于压载舱的底部，其另一端固定于海底。
所述过渡段、浮力舱和压载舱均采用钢筋混凝土材料制成。
所述浮力舱为空心结构，所述压载舱为实心结构。
该浮式风机平台中，所述风机包括转子、机舱和塔柱，所述风机的总质量为m2，所述风机中心所受水平风力为Fw，所述风机最大风倾力矩为Mw，风机重心距塔柱底部的距离为H4，风机轮毂中心距塔柱底部的距离为H5，浮式风机平台的倾斜角度为α，浮式风机平台整体重心至浮力舱底部的距离为SK，浮式风机平台整体浮心至浮力舱底部的距离为PK；过渡段的高度为H1，浮力舱的高度为H2，浮式风机平台总体质量m1满足：
Figure BDA0002234284890000021
其中，ρc为混凝土密度，ρw为海水密度；过渡段的高度H1满足：
Figure BDA0002234284890000022
其中，hf为浮式风机平台的垂荡幅值；过渡段的直径D1大于风机底部的直径；浮力舱的高度H2满足：H2≤h-H1-H3-hf-hk-0.25h，其中，h为水深；hk为压载舱倾斜时的垂向变化高度，hk＝0.5D2sinα；D2为压载舱的直径，H3为压载舱的高度；浮力舱顶部直径d1与底部直径d2之比为Q；浮式风机平台纵摇固有频率ω为：
Figure BDA0002234284890000023
根据目标海域的波浪谱参数，从中选出浮式风机平台纵摇固有频率较小的设计方案作为备选方案，即可确定混凝土压载舱的直径D2和高度H3的取值范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)过渡段的直径略大于浮式风机底部直径，在满足安全支撑浮式风机要求下，选择最小的过渡段尺寸有利于减少平台的水线面面积。
2)相比于同体积等高度的圆柱型空心浮力舱，顶部直径大于底部直径的圆台型空心浮力舱，提高了浮式风机平台的浮心。
3)布置于浮力舱以下的实心压载舱，使得平台的重心降低进而减小了压载舱重量和压载舱的建造经济成本。
4)圆盘形的压载舱通过其形状增加了平台的垂向阻尼和纵摇阻尼，减小了平台的垂荡响应和纵摇响应。
5)由于平台出色的自稳性，系泊系统只需要起到限制平台艏摇响应的作用，系泊系统在采用悬链式系泊即可满足安全使用要求，系泊要求较低。
6)系缆系在压载舱边缘，由于压载舱直径较大，可减小系泊半径进而减小系泊成本。
附图说明
图1为本发明浮式风机平台的结构示意图；
图2为图1所示浮式风机平台的俯视图；
图3为本发明浮式风机平台各部分尺寸示意图。
图中，1-风机，2-过渡段，3-浮力舱，4-压载舱，5-系泊系统。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1和图2所示，本发明提出的一种具有高度自稳性的浮式风机平台，包括风机1、浮力舱3、压载舱4和系泊系统5，所述浮力舱3设置在所述压载舱4的上方，所述风机1设置在所述浮力舱3的上方，所述浮力舱3与所述风机1之间连接有过渡段2，所述过渡段2为圆柱，所述风机1固定于所述过渡段2的顶部，所述过渡段2的底部与所述浮力舱3的顶部固定。所述浮力舱3为顶部直径大于底部直径的圆台；所述压载舱4为圆盘；所述过渡段2的底面与所述浮力舱3的顶面贴合，所述浮力舱3顶部直径大于所述过渡段2的直径；所述浮力舱3的底面与所述压载舱4的顶面贴合，所述压载舱4的直径大于所述浮力舱3底部的直径，所述过渡段2、浮力舱3和压载舱4的中心轴线重合，所述浮力舱3为空心结构，所述压载舱4为实心结构。本发明浮式风机平台采用以上设计，基于不倒翁原理，使得该平台在任意水深条件下均能保证优良的自稳性。
本发明可以通过过渡段2与任意型号的浮式风机相连。过渡段2用于连接上部的浮式风机1与下部的浮力舱3，过渡段2的直径略大于浮式风机1的底部直径，在满足支撑浮式风机的条件下，最小的过渡段2有利于减少平台的水线面面积。
本发明中，浮力舱3主要为平台提供浮力，采用顶部直径大于底部直径的圆台型，相比于同体积等高度的圆柱型空心浮力舱，圆台型的浮力舱显著提高了浮式风机平台的浮心。
本发明中，单独设置了平台的压载舱4。不同于未设置压载舱的浮式平台，布置于浮力舱3以下的是实心结构的压载舱4，使得平台的重心降低。增大的重心与浮心间距，在保证相同稳定性的条件下，减小了所需的压载舱4重量进而减少了压载舱4的建造经济成本。
本发明中圆盘形的压载舱通过其形状增加了平台的垂向阻尼和纵摇阻尼，减小了平台的垂荡响应和纵摇响应。
本发明中，使用的系泊方式为悬链式系泊，于所述压载舱底部边缘设置安装系缆的预留孔位，所述系泊系统5的系泊缆绳的一端固定于压载舱4的底部，其另一端固定于海底。，即平台所使用的系缆穿过预留孔位完成与海底锚固结构的连接。
本发明中，所述过渡段2、浮力舱3和压载舱4均采用钢筋混凝土材料制成，材料来源广泛，建造成本较低。
本发明浮式风机平台中，所述风机1包括转子、机舱和塔柱，所述风机1的总质量为m2，所述风机1中心所受水平风力为Fw，所述风机1最大风倾力矩为Mw，风机重心距塔柱底部的距离为H4，风机轮毂中心距塔柱底部的距离为H5，浮式风机平台的倾斜角度为α，浮式风机平台整体重心至浮力舱3底部的距离为SK，浮式风机平台整体浮心至浮力舱3底部的距离为PK；如图3所示，过渡段2的高度为H1，浮力舱3的高度为H2，浮式风机平台总体质量m1满足：
Figure BDA0002234284890000041
其中，ρc为混凝土密度，ρw为海水密度；
过渡段2的高度H1满足：其中，hf为浮式风机平台的垂荡幅值；
过渡段2的直径D1大于风机底部的直径；
浮力舱3的高度H2应保证平台受到极端环境荷载时的安全性即平台底部不与海床面接触，平台总吃水应小于水深h、垂荡幅值hf、预留安全距离0.25h、压载舱倾斜时的垂向变化高度hk之和，因此，应满足H2≤h-H1-H3-hf-hk-0.25h，其中hk＝0.5D2sinα。
D2为压载舱4的直径，H3为压载舱4的高度；浮力舱3顶部直径d1与底部直径d2之比为Q；压载舱直径D2、高度H3和浮式平台纵摇固有频率的关系：
Figure BDA0002234284890000043
因为平台纵摇的固有频率应避开波浪的高能量范围，根据目标海域的波浪谱参数，可得到满足要求的方案，再从中选出平台固有频率较小的设计方案作为备选方案，即可确定混凝土压载舱直径D2、高度H3的取值范围。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种具有高度自稳性的浮式风机平台，包括风机(1)、浮力舱(3)、压载舱(4)和系泊系统(5)，所述浮力舱(3)设置在所述压载舱(4)的上方，所述风机(1)设置在所述浮力舱(3)的上方，其特征在于，所述浮力舱(3)与所述风机(1)之间连接有过渡段(2)，所述过渡段(2)为圆柱，所述风机(1)固定于所述过渡段(2)的顶部，所述过渡段(2)的底部与所述浮力舱(3)的顶部固定。
2.根据权利要求1所述的具有高度自稳性的浮式风机平台，其特征在于，所述浮力舱(3)为顶部直径大于底部直径的圆台；所述压载舱(4)为圆盘；所述过渡段(2)的底面与所述浮力舱(3)的顶面贴合，所述浮力舱(3)顶部直径大于所述过渡段(2)的直径；所述浮力舱(3)的底面与所述压载舱(4)的顶面贴合，所述压载舱(4)的直径大于所述浮力舱(3)底部的直径，所述过渡段(2)、浮力舱(3)和压载舱(4)的中心轴线重合，所述系泊系统(5)的系泊缆绳的一端固定于压载舱(4)的底部，其另一端固定于海底。
3.根据权利要求2所述的具有高度自稳性的浮式风机平台，其特征在于，所述过渡段(2)、浮力舱(3)和压载舱(4)均采用钢筋混凝土材料制成。
4.根据权利要求3所述的一种具有高度自稳性的浮式风机平台，其特征在于：所述浮力舱(3)为空心结构，所述压载舱(4)为实心结构。
5.根据权利要求4所述的具有高度自稳性的浮式风机平台，所述风机(1)包括转子、机舱和塔柱，所述风机(1)的总质量为m2，所述风机(1)中心所受水平风力为Fw，所述风机(1)最大风倾力矩为Mw，风机重心距塔柱底部的距离为H4，风机轮毂中心距塔柱底部的距离为H5，浮式风机平台的倾斜角度为α，浮式风机平台整体重心至浮力舱(3)底部的距离为SK，浮式风机平台整体浮心至浮力舱(3)底部的距离为PK；其特征在于：
过渡段(2)的高度为H1，浮力舱(3)的高度为H2，浮式风机平台总体质量m1满足：
Figure FDA0002234284880000011
其中，ρc为混凝土密度，ρw为海水密度；
过渡段(2)的高度H1满足：
Figure FDA0002234284880000012
其中，hf为浮式风机平台的垂荡幅值；
过渡段(2)的直径D1大于风机底部的直径；
浮力舱(3)的高度H2满足：H2≤h-H1-H3-hf-hk-0.25h，其中，h为水深；hk为压载舱(4)倾斜时的垂向变化高度，hk＝0.5D2 sinα；
D2为压载舱(4)的直径，H3为压载舱(4)的高度；浮力舱(3)顶部直径d1与底部直径d2之比为Q；浮式风机平台纵摇固有频率ω为：
Figure FDA0002234284880000021
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