CN112814852A - 一种螺旋立柱漂浮式风机基础及风机系统 - Google Patents

Abstract

一种螺旋立柱漂浮式风机基础及风机系统，包含：螺旋立柱式浮体结构，连接所述螺旋立柱式浮体结构的系泊结构。所述螺旋立柱式浮体结构包含：螺旋立柱，以及与所述螺旋立柱连接的振动缓冲结构。所述螺旋立柱具有螺旋式外形。本发明克服了传统立柱型漂浮式风机在海流作用下发生的立柱涡激振动，以及气动风载荷等复杂环境载荷作用下导致的立柱在海水中的振动，提升了漂浮式风机系统的稳定性与基础结构的疲劳寿命。

Description

一种螺旋立柱漂浮式风机基础及风机系统

技术领域

本发明涉及一种螺旋立柱漂浮式风机基础及风机系统。

背景技术

随着近海风资源开发将尽，深远海成为目前与未来海上风电开发重点。对于深远海条件，漂浮式风机成为该海域的首选技术形式。世界第一台漂浮式样机于2009年在欧洲挪威海域安装并网，即Statoil公司(现改名为Equinor公司)设计安装的Hywind立柱式风机，标志着全球海上风电迎来漂浮式时代。此后10年期间，全球漂浮式风机试验型式超过70种，重点是研发系统核心部件，即漂浮式风机基础。在这些众多的试验装备中，最具有代表性的漂浮式风机基础方案有半潜式(Semi-submersible)、张力腿式(TLP)和立柱式(SPAR)。其中立柱式风机基础的吃水深、重心低、水线面面积小，所以系统稳定性高。由于漂浮式风机在恶劣的深远海条件下运行，系统稳定性是首要考虑的技术要点。立柱式风机基础固有的稳定性优势，使其在众多试验装备脱颖而出。第一个商业化的漂浮式风场也是使用Hywind立柱式基础，于2017年在英格兰海域成功安装并网。

典型的立柱式风机基础，主体结构是一个圆柱形筒型结构，垂直树立在海水中。该风机基础内部包含浮力舱和压载舱，浮力舱位于基础的上段，为上部风轮、机舱、塔筒等结构提供支撑浮力。压载舱位于基础的下段，通过装载水、碎石或高密度混凝土进行压载，使系统重心位于浮心之下。基础结构通过锚索固定于海床，在水中形成“不倒翁”式结构，具有无条件稳定、运动周期长、所受垂向波浪力小等优点。由于该结构重心低于浮力中心，稳定性好，且结构形式简单，制造方便，具有很好的工程应用前景。但该风机基础，其组装、运输和安装过程的挑战大，要求吃水深，一般应用在水深大于70米的海域。

现有的立柱式风机基础多采用一个大直径圆柱形浮筒，即单立柱漂浮式基础。圆柱形浮筒内分段，上部提供浮力，下部压载提供稳定性。通过常规悬链线、半张紧式、或张紧式系泊锚链或缆绳固定到海床。圆柱形浮筒多为钢材，压载可为海水、混凝土、碎石等物。立柱式风机基础，通过塔架(目前多为圆柱形塔筒)与上部风机机组相连。

现有的立柱式风机基础，整体结构形式简单简洁，虽然这在有利于建造等工艺，但在性能方面也存在一些不足。尤其是在复杂的海洋环境工况条件下，如在较大的洋流、湍流风载荷、随机波等作用下，很容易发生涡激振动，进而导致结构失稳、疲劳破坏等问题。稳定性是漂浮式风机系统首要考虑的技术需求，如何降低因振动导致的系统稳定性是立柱式基础的一个重点。同时，振动引发的疲劳失效又是工程结构设计的关键技术之一，且是立柱式基础设计的难点之一。

立柱式风机基础这种振动引发的结构失稳与疲劳问题，主要原因是结构型式决定。立柱式基础的主体结构，即圆柱形筒型结构，垂直立在海水中。由于圆柱形浮筒高度一般多在50-70米以上，这就等同于一个长杆件竖立在水中。一旦周身有流场经过，极易在尾流区域形成涡流，进而对结构件产生振动。这种振动对大直径圆筒格外明显，是立柱式风机基础运行中的潜在风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺旋立柱漂浮式风机基础及风机系统，目的在于克服传统立柱型漂浮式风机在海流作用下发生的立柱涡激振动，以及气动风载荷等复杂环境载荷作用下导致的立柱在海水中的振动，提升漂浮式风机系统的稳定性与基础结构的疲劳寿命。

为了达到上述目的，本发明提供一种螺旋立柱漂浮式风机基础，包含：螺旋立柱式浮体结构，连接所述螺旋立柱式浮体结构的系泊结构；

所述螺旋立柱式浮体结构包含：螺旋立柱，以及与所述螺旋立柱连接的振动缓冲结构；

所述螺旋立柱具有螺旋式外形。

所述螺旋立柱的螺旋式外形的螺距是所述螺旋立柱的吃水深度的1～2倍。

所述螺旋立柱的横截面为圆形、或椭圆形、或多边形。

所述螺旋立柱的底面边长大于顶面边长。

所述螺旋立柱的横截面为圆形，则所述螺旋立柱的外表面上固定设置侧板，所述侧板沿所述螺旋立柱的外表面螺旋缠绕。

所述侧板的缠绕圈数为5～10圈。

所述螺旋立柱的横截面为椭圆形或多边形，则所述螺旋立柱的底面与顶面的相对旋转角度为180～360度。

所述螺旋立柱的上部设置至少一层浮力舱，所述螺旋立柱的下部设置至少一层压载舱。

所述振动缓冲结构包含：垂荡物，以及分别连接所述垂荡物和所述螺旋立柱的连接绳索。

所述垂荡物采用钢质实心物体。

所述螺旋立柱漂浮式风机基础还包含：连接所述风机主体和所述螺旋立柱式浮体结构的过渡结构。

所述过渡结构包含：连接风机主体的支撑平台，连接所述支撑平台和所述螺旋立柱的过渡段，以及设置在所述过渡段上并延伸至所述支撑平台的靠船悬梯。

本发明还提供一种风机系统，该风机系统包含风机主体和所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，所述螺旋立柱漂浮式风机基础用于支撑所述风机主体。

本发明提供的螺旋立柱漂浮式风机基础的稳定性好，能有效降低浮体结构与系统的振动，增强抗疲劳效应，极大提升了漂浮式风机系统的稳定性与可靠性，尤其是在大湍流、强涡流、海流强烈的深海区域，效果格外显著。

附图说明

图1是本发明提供的一种风机系统的结构示意图。

图2是螺旋立柱的一种实施例。

图3是螺旋立柱的另一种实施例。

图4是螺旋立柱的分舱结构图。

具体实施方式

以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，是本发明一个实施例中的一种风机系统，该风机系统包含风机主体和漂浮式风机基础。所述的风机主体包含：固定设置在漂浮式风机基础上的风机塔架2、固定设置在风机塔架2顶端的机舱1、以及多个与机舱1连接的风轮叶片3。

所述漂浮式风机基础包含：螺旋立柱式浮体结构，连接所述螺旋立柱式浮体结构的系泊结构6，以及连接所述风机主体和所述螺旋立柱式浮体结构的过渡结构。所述螺旋立柱式浮体结构漂浮树立在海水中，用于支撑所述风机主体。所述系泊结构6连接所述螺旋立柱式浮体结构，用于将所述漂浮式风机基础固定至海底。所述过渡结构连接所述螺旋立柱式浮体结构和所述风机主体，用于人员进出所述风机结构。

进一步，所述螺旋立柱式浮体结构具体包含：螺旋立柱3，以及与所述螺旋立柱3连接的振动缓冲结构。

当流体以一定的恒定流速流经立柱体，将会在立柱两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。这种交替发放的旋涡又会在立柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力，该脉动压力将引发立柱体周期性振动，这种周期性振动反过来又会改变流体尾流的泻涡形态。这种流体与立柱结构之间相互作用的现象为流体力学中的涡激振动问题。涡激振动对系统稳定性、结构的安全性、以及疲劳寿命影响很大。所述螺旋立柱3的外部整体形状呈现螺旋形，这种螺旋形结构对抵抗流场中的涡流起到很好的保护作用，能有效降低尾流影响导致的振动问题，同时能对气动与波流耦合作用导致的振动有所抑制，对随机波产生的振动也能有效地抑制，可有效遏制涡激振动，整体提升漂浮式系统的稳定性，以及整个系统结构的疲劳强度与使用寿命。所述螺旋立柱3的螺旋程度(可用螺距度量)视所在机位点潜在涡激的振动大小而设计，一个典型的螺距是所述螺旋立柱3吃水高度的1至2倍。所述螺旋立柱3的横截面可以是圆形、椭圆形等，也可以是三角形或其他多边形。对于横截面是椭圆形或多边形的螺旋立柱3，螺旋外形可以通过立柱的底面与顶面产生相对旋转角度而形成，相对旋转角度大小也是表征螺旋程度。如图2所示，所述螺旋立柱3的横截面是四边形，一个典型的立柱底面与顶面相对旋转角度为180至360度。如图3所示，对于横截面是圆形的立柱3，为了能使其产生螺旋外形，可以在立柱3外表面螺旋缠绕侧板303的方式生成螺旋外形。所述侧板303可为扁平状钢条，从立柱3侧面的底端起，沿立柱3的侧面缠绕，螺旋式向上至立柱3的顶端。所述侧板303与立柱3可以通过焊接或铆钉方式连接固定。缠绕圈数决定着螺旋程度，一个典型的缠绕圈数可为5～10圈。无论哪种方式产生螺旋外形，其螺旋的程度，即旋转角度可以根据需要进行设计。针对不同横截面的立柱，均可以设计出不同程度的螺旋角度。

如图1所示，所述螺旋立柱3的内部在垂直方向上实现分层，上部的一层或多层是浮力舱301，下部的一层或多层是压载舱302。所述浮力舱301是空的腔体，提供整个系统的浮力，以承载平衡系统重量。所述浮力舱301的大小决定所提供的浮力大小，可以根据漂浮式风机系统总重量来设计。所述压载舱302内部可装载大量的水、石块、或混凝土等高密度物质，用于降低漂浮式风机基础结构的重心，达到压载的效果，增加稳定性。所述压载舱302装载的重量，可根据环境载荷条件、风机重量、系统总重量等综合条件进行设计，一个典型的压载重量可以设计为“风机主体+漂浮式风机基础”整个系统总重量的一半到两倍。

如图1所示，所述振动缓冲结构包含：垂荡物5，以及分别连接所述垂荡物5和所述螺旋立柱3的连接绳索4。所述垂荡物5起到缓解振动的作用，可缓解因风机气动载荷引发的系统振动，或海流引发的涡激振动。所述垂荡物5可为圆球、方块等任意形状。所述连接绳索4通过固结在所述螺旋立柱3底面的圆环与所述螺旋立柱3连接，或采用其他方式连接。所述连接绳索4与下方的垂荡物5的连接方式也可通过固结在所述垂荡物5上的圆环，或其他方式连接。所述连接绳索4可采用锚链、钢丝绳、聚酯类材料、或其他可弯曲结构物。

本发明通过设计螺旋立柱3这种新的浮体结构形式，实现在复杂外部流场中最大程度降低涡流等湍流强度，降低结构振动，并降低因浮式基础导致的上部风机的运动幅值。同时螺旋立柱3底端连接的垂荡物，也会有效遏制因风载荷引发的系统震荡。

如图1所示，所述过渡结构包含：连接所述塔架2的支撑平台7，连接所述支撑平台7和所述螺旋立柱的过渡段8，以及设置在所述过渡段8上并延伸至所述支撑平台的靠船悬梯9。所述支撑平台7用于固定连接上部的风机主体和下部的漂浮式风机基础，同时提供了运维人员行走与进入塔架的通道。所述过渡段8用于连接支撑平台7与下部的螺旋立柱3。所述靠船悬梯9用于运维船舶系靠漂浮式风机基础，并通过该悬梯登上支撑平台7。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述漂浮式风机基础的总体构造包括塔架底部的支撑平台7、过渡段8、靠船悬梯9、螺旋立柱3等结构，所述漂浮式风机基础与风机主体和系泊结构共同组成了海上漂浮式风机系统。

所述支撑平台7为钢质圆柱形结构，横截面采用圆倒角的四边形。所述支撑平台7的上部通过法兰与圆柱形塔架2连接，所述支撑平台7的横截面的边长大于圆柱形塔架2的外径。所述支撑平台7的下部与过渡段8连接，支撑平台7与过渡段8的连接可通过法兰连接或焊接方式连接。

所述过渡段8为钢质圆锥柱体结构，其横截面形状与支撑平台7一样，为圆倒角四边形。所述过渡段8的上部与所述支撑平台7的底端连接，所述过渡段8的下部与所述螺旋立柱3相连，过渡段8与螺旋立柱3可通过焊接方式连接。

所述靠船悬梯9是钢质登梯，其固结在所述过渡段8上，用于运维人员靠船并通过该悬梯登上支撑平台7。

所述螺旋立柱3为钢质柱体结构，其横截面是圆倒角四边形。所述螺旋立柱3的上端通过焊接的方式与过渡段8连接，所述螺旋立柱3的下端悬空。该所述螺旋立柱3在垂向分为3层，上面两层是空舱，即浮力舱301，提供浮力，承托整体系统的重量，下面一层填放碎石与混凝土，即压载舱302，起压载增加系统稳定性作用。如图4所示，所述螺旋立柱3在垂向上的每一个分层，又进一步在水平方向上被两个垂直交叉的面板304分割成4个舱室305(一般可分为2～8个舱室，在本实施中，选择分为4个舱室)。所述螺旋立柱3的垂向外形呈螺旋形，即螺旋立柱3的底面四边形与顶面四边形相对扭转一定的角度，如90度，使柱体产生螺旋上升形状。所述螺旋立柱3的底面边长大于顶面边长，底面边长在9-16米范围居多，顶面边长在6-12米居多，具体尺寸大小依据海况条件与风机大小设计计算，典型尺寸可设计为立柱底面边长12米，顶面边长8米，这样的形状设计更有利于系统的稳定性。

所述连接绳索4是钢质锚链，可自由弯曲，连接上方的螺旋立柱3与下方的垂荡物5，连接方式是固结在螺旋立柱3的底面圆环和固结在垂荡物5上的圆环。

所述垂荡物5是钢质实心圆球，提供系统振动缓解作用。

该漂浮式风机基础可用常规的系泊锚链连接固定到海底，在无风浪流条件下，吃水深度可保持在过渡段下部，便于靠船及运维人员攀登上靠船悬梯。

本发明提供的一种新型漂浮式风机基础型式，稳定性好，能有效降低浮体结构与系统的振动，增强抗疲劳效应，极大提升了漂浮式风机系统的稳定性与可靠性，尤其是在大湍流、强涡流、海流强烈的深海区域，效果格外显著。

以中国南海深远海海域为例，6MW功率的海上风机，对于水深超过100米，某些区域强海流表面流速可达2m/s，并伴随着强湍流风与随机波作用。该条件下，漂浮式立柱直径也超过10米，立柱重量至少3500吨。对于如此大直径立柱结构，在如此环境条件下，高流速经过，势必引起强烈的涡激振动。对于水深超过100米海域，通常漂浮式风机基础的立柱的入水高度也会达到70米，结构振动与整体失稳现象严重。如果使用常规的规整立柱结构，为了抵御涡激振动和增加疲劳寿命，只能通过增厚立柱壁厚、局部加强、增强系泊强度与刚度等方法。而使用本发明提供的螺旋立柱漂浮式风机基础，上述同样的条件下，可降低增加壁厚和增强强度和刚度方面的需求，初略估算可降低立柱钢材用量10％。同时，漂浮式系统的稳定性更好，对风机发电量也会有所增加。

需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，包含：连接风机主体的螺旋立柱式浮体结构，连接所述螺旋立柱式浮体结构的系泊结构；

所述螺旋立柱式浮体结构包含：螺旋立柱，以及与所述螺旋立柱连接的振动缓冲结构；

所述螺旋立柱具有螺旋式外形。

2.如权利要求1所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述螺旋立柱的螺旋式外形的螺距是所述螺旋立柱的吃水深度的1～2倍。

3.如权利要求2所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述螺旋立柱的横截面为圆形、或椭圆形、或多边形。

4.如权利要求3所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述螺旋立柱的底面边长大于顶面边长。

5.如权利要求4所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述螺旋立柱的横截面为圆形，则所述螺旋立柱的外表面上固定设置侧板，所述侧板沿所述螺旋立柱的外表面螺旋缠绕。

6.如权利要求5所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述侧板的缠绕圈数为5～10圈。

7.如权利要求4所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述螺旋立柱的横截面为椭圆形或多边形，则所述螺旋立柱的底面与顶面的相对旋转角度为180～360度。

8.如权利要求6或7所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述螺旋立柱的上部设置至少一层浮力舱，所述螺旋立柱的下部设置至少一层压载舱。

9.如权利要求1所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述振动缓冲结构包含：垂荡物，以及分别连接所述垂荡物和所述螺旋立柱的连接绳索。

10.如权利要求9所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述垂荡物采用钢质实心物体。

11.如权利要求1所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述螺旋立柱漂浮式风机基础还包含：连接所述风机主体和所述螺旋立柱式浮体结构的过渡结构。

12.如权利要求11所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，其特征在于，所述过渡结构包含：连接风机主体的支撑平台，连接所述支撑平台和所述螺旋立柱的过渡段，以及设置在所述过渡段上并延伸至所述支撑平台的靠船悬梯。

13.一种风机系统，其特征在于，该风机系统包含风机主体和如权利要求1-12所述的螺旋立柱漂浮式风机基础，所述螺旋立柱漂浮式风机基础用于支撑所述风机主体。

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