一种海上三浮体全潜式风机基础构造

1.本发明涉及海上风力发电技术领域，具体而言，涉及一种海上三浮体全潜式风机基础构造。


背景技术：

2.能源资源的有限性和环境污染的严重性使得优化能源结构、发展清洁能源成为当前最重要的工作，风能是一种新的清洁能源，受到世界各国的普遍重视。我国拥有超过1.8万公里的海岸线，可用海域面积达300万平方公里，海上风能资源丰富，不受地形、城市规划的限制，由于海上风电通常靠近能源消耗中心且风资源情况优于陆上风电，风电的利用开发正逐渐从陆地转向海洋，正呈现加速发展的趋势。
3.根据海域的不同和经济因素的影响，海上风机基础划分为固定式基础和浮式基础，海上固定式风机的建造成本高、安装过程复杂、拆卸工程量大，并且仅适用于近海岸浅水区域，与之相比，海上漂浮式风机易于拆卸，易于回收再利用，可以建设在远离海岸的深海区域，离海岸越远风能密度越高。在相同的发电量下，浮式的发电能力相较于固定式可以提高10％至20％，因此世界各国进一步加快对于深海领域风能的探索，同时针对不同的海域、功能设计了相应类型的漂浮式风机，并陆续展开深入的研究。
4.目前，我国海上风电技术的发展主要涉及浅水固定式风机，但在深海地区风速是足够的稳定并且风能密度高，此外，空间需求和对居民的声学影响也进一步将海上风电场的需求也从浅水区域推向更深的沿海深水海域。海上浮式风机主要由浮式基础、锚泊系统、风机和塔架组成，其中浮式基础的设计理念来源于石油开发技术的平台设计，目前，可采用几种浮式基础分别是：立柱式、半潜式、张力腿平台和驳船式。但是现有浮式基础在波浪作用下其各自由度运动较大，风电平台的整体刚性和稳定性不够。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种本发明提供了一种海上三浮体全潜式风机基础，能够减小风机在波浪作用下的各自由度运动，提升风电平台的整体刚性和稳定性。
6.本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种海上三浮体全潜式风机基础构造，包括浮体结构，所述浮体结构包括立柱、三根基柱、多个侧向浮筒、下部支撑杆和上部支撑杆；
8.所述基柱和所述立柱的长度方向一致，且三根所述基柱围绕所述立柱呈圆周阵列分布，相邻的两个所述基柱之间均通过所述侧向浮筒连接；
9.每根所述基柱的上部与所述立柱的上部均通过所述上部支撑杆连接，每根所述基柱的下部与所述立柱的下部均通过所述下部支撑杆连接。
10.在工作状态时，所述立柱的顶部高于所述基柱的顶部，所述立柱的底部高于所述基柱的底部。
11.进一步地，三根所述上部支撑杆围绕所述立柱圆周阵列分布，三根所述下部支撑
杆围绕所述立柱圆周阵列分布。
12.进一步地，所述侧向浮筒的数量共有六根，相邻的两个所述基柱的顶部之间均通过所述侧向浮筒连接，同时相邻的两个所述基柱的底部之间也均通过所述侧向浮筒连接，位于上方的侧向浮筒和位于下方的侧向浮筒相互平行且与所述基柱相垂直。
13.进一步地，所述基柱、所述侧向浮筒和所述下部支撑杆均为空心结构，所述基柱的内腔、位于下方的所述侧向浮筒的内腔以及与所述下部支撑杆的内腔相互连通而形成密封腔，所述密封腔内装有压载水。
14.进一步地，每根所述基柱的底部均设置有导缆孔组，每组所述导缆孔组包括至少一个导缆孔。
15.进一步地，还包括系泊系统，所述系泊系统包括多根系泊绳，所述系泊绳的一端连接于所述基柱、另一端连接于海底的锚固桩。
16.进一步地，所述系泊系统还包括压载装置，每根所述系泊绳上均挂有所述压载装置。
17.进一步地，所述系泊绳选用为锚链。
18.进一步地，所述锚链的数量范围为3-9根。
19.相比于现有技术而言，本发明的有益效果是：
20.本技术的海上三浮体全潜式风机基础构造，包括浮体结构，所述浮体结构包括立柱、三根基柱、多个侧向浮筒、下部支撑杆和上部支撑杆，在工作状态时，所述基柱和所述立柱均竖直设置，且三根所述基柱围绕所述立柱呈圆周阵列分布，相邻的两个所述基柱之间均通过所述侧向浮筒连接，每根所述基柱的上部与所述立柱的上部均通过所述上部支撑杆连接，每根所述基柱的下部与所述立柱的下部均通过所述下部支撑杆连接；本技术如此设计，风机基础构造整体结构围绕立柱的中心轴圆周阵列分布，使得整体结构更规则、受力更平稳均匀、整体性强，其工作状态时位于水面以下，风机基础构造的水线面面积小，使得波浪荷载大大降低，能够减小风机在波浪作用下的各自由度运动，提升风电平台的整体刚性和稳定性。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
22.图1为本发明公开的三浮体全潜式风机基础构造的结构示意图；
23.图2为本发明公开的三浮体全潜式风机基础的俯视图；
24.图3为本发明公开的系泊系统的布置方式；
25.图4为本发明公开的锚链的布置方式。
26.图中：(附图标记说明)
27.101-立柱；102-基柱；103-侧向浮筒；104-下部支撑杆；105-上部支撑杆；106-系泊系统；107-系泊绳；108-压载装置；109-导缆孔。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
33.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.实施例1
36.本实施例提供一种海上三浮体全潜式风机基础构造，经过改进的风机基础考虑了防腐性能，并在一定程度上减小了基础与水面的接触面积，减小了风机在波浪作用下的各自由度运动，使平台有良好的抗倾稳定性、垂荡性能(升沉运动)和水动力性能，具体如下：
37.参照图1-图4，本实施例提供一种海上三浮体全潜式风机基础构造，包括浮体结构和系泊系统，所述浮体结构包括立柱101、三根基柱102、多个侧向浮筒103、下部支撑杆104和上部支撑杆105，立柱101、三根基柱102、多个侧向浮筒103、下部支撑杆104和上部支撑杆105均可以选用轻质材料以保证其工作时在海水的浮力。本技术优选的实施方式是，将立柱101、三根基柱102、多个侧向浮筒103、下部支撑杆104和上部支撑杆105均设置为空心结构，其空心结构能够保证在水中所需的浮力。
38.所述基柱102和所述立柱101的长度方向一致，且三根所述基柱102围绕所述立柱101呈圆周阵列分布，相邻的两个所述基柱102之间均通过所述侧向浮筒103连接，相邻两个
基柱102的夹角是120
°
，所述基柱102的外部上下两端分别通过侧向浮筒103进行固定连接且相互贯通，所述基柱102内部与下方的侧向浮筒103和下部支撑杆104的内腔相互贯通，用来调节吃水量，以此来降低基础的重心和提高浮式基础整体的稳定性。
39.在海水中工作状态时，所述立柱101的顶部高于所述基柱102的顶部，所述立柱101的底部高于所述基柱102的底部，且以下内容均以风机基础构造在海水中工作状态时的状态进行详细说明。
40.每根所述基柱102的上部与所述立柱101的上部均通过所述上部支撑杆105连接，每根所述基柱102的下部与所述立柱101的下部均通过所述下部支撑杆104连接。
41.所述下部支撑杆104与立柱101的中心轴间的夹角呈60
°
；所述上部支撑杆105两端共同连接立柱101和基柱102的顶部，其中，上部支撑杆105较下部支撑杆104的尺寸小，当上部支撑杆105与立柱101部分下沉至水面以下时，其一部分位于水面附近，可采用耐腐蚀材料，提高风机的抗腐蚀能力，以延长风机的使用寿命，同时，使得风机基础在水面附近的表面积较小，可以在一定程度上降低平台在风浪作用下的各自由度运动，保证风机的运行效果，提高生产力。
42.所述基柱102的顶部与底部、立柱101的底部均属于密封状态，同时上部支撑杆105、下部支撑杆104、侧向浮筒103与基柱102、立柱101的连接处采用固定连接，确保风机基础在遇到复杂的波浪环境时，不会有海水进入到风机基础构造的内部，从而确保风机基柱102的稳定性。
43.本技术如此设计，风机基础构造整体结构围绕立柱101的中心轴圆周阵列分布，使得整体结构更规则、受力更平稳均匀、整体性强，其工作状态时位于水面以下，风机基础构造的水线面面积小，使得波浪荷载大大降低，能够减小风机在波浪作用下的各自由度运动，提升风电平台的整体刚性和稳定性。
44.基柱102的顶部、底部以及立柱101的底部均属于密封状态，可在复杂风浪作用下防止风机基础构造的内部灌水而导致风机的失稳；风机基础构造整体沉入水面以下，上部风机与基础构造的过渡段可采用耐腐蚀性材料，以减少海水的腐蚀，防止降低性能；另外浮体结构内部空腔相互贯通，便于通过压载水调节风机基础浮心的高度。
45.在本实施例中，具体实施方式如下：如图1所示，优选地，所述立柱101的顶部高于所述基柱102的顶部，所述立柱101的底部高于所述基柱102的底部。如此，当每根所述基柱102的上部与所述立柱101的上部均通过所述上部支撑杆105连接时，每根所述上部支撑杆105均倾斜。每根所述基柱102的下部与所述立柱101的下部均通过所述下部支撑杆104连接时，每根所述下部支撑杆104均倾斜。
46.优选地，三根所述上部支撑杆105围绕所述立柱101圆周阵列分布，三根所述下部支撑杆104围绕所述立柱101圆周阵列分布，三根所述上部支撑杆105和三根所述下部支撑杆104均圆周阵列分布的好处在于：风机基础构造在使用时各位置在水中受力相同，受力均匀性提高，提高平稳性。
47.所述侧向浮筒103为空心筒，相邻的两个所述基柱102的顶部之间均通过所述侧向浮筒103连接，所述侧向浮筒103的数量可以为三根、六根或九根等，所述侧向浮筒103的数量根据三浮体而设定，其数量为三的整数倍，以其数量为三根、六根或九根为例，其具有以下三种情形：
48.1.当所述侧向浮筒103的数量为三根时，相邻的两个所述基柱102的顶部之间均通过一根所述侧向浮筒103连接，所述侧向浮筒103可以任意设置，例如倾斜设置或水平设置，但同时需要保证三根所述侧向浮筒103一样的设置方式，使得三根所述侧向浮筒103在设置后围绕所述立柱101圆周阵列分布，以保证各处受力均匀，提高平稳性。
49.2.当所述侧向浮筒103的数量为六根时，相邻的两个所述基柱102的顶部之间均通过两根所述侧向浮筒103连接，且相邻两个所述基柱102之间的两个所述侧向浮筒103为一组，每一组所述侧向浮筒103可以任意设置，例如倾斜设置、交叉设置、相互平行设置或水平设置，但同时需要保证三组所述侧向浮筒103为一样的设置方式，使得三组所述侧向浮筒103在设置后围绕所述立柱101圆周阵列分布，以保证各处受力均匀，提高平稳性。
50.3.当所述侧向浮筒103的数量为九根时，相邻的两个所述基柱102的顶部之间均通过三根所述侧向浮筒103连接，且相邻两个所述基柱102之间的三个所述侧向浮筒103为一组，每一组所述侧向浮筒103可以任意设置，例如倾斜设置、交叉设置、相互平行设置或水平设置，但同时需要保证三组所述侧向浮筒103为一样的设置方式，使得三组所述侧向浮筒103在设置后围绕所述立柱101圆周阵列分布，以保证各处受力均匀，提高平稳性。
51.综合上述三种情形，本实施例中优选用第二种方案，如图1所示，所述侧向浮筒103的数量共有六根，相邻的两个所述基柱102的顶部之间均通过所述侧向浮筒103连接，同时相邻的两个所述基柱102的底部之间也均通过所述侧向浮筒103连接，位于上方的侧向浮筒103和位于下方的侧向浮筒103均水平设置且其相互平行。
52.在本实施例中，所述基柱102的内腔、位于下方的所述侧向浮筒103的内腔以及与所述下部支撑杆104的内腔相互连通而形成密封腔，所述密封腔内装有压载水。工作状态下三浮体全潜式风机基础构造整体位于水面以下一定深度，风机基础构造的水线面面积小，使得波浪荷载大大降低；压载水用来实现操作吃水，位于下方的侧向浮筒103内完全充满压载水，每根基柱102的压载水的压力水头到顶部的距离可根据更详细的分析进行调整，基柱102、下部侧向浮筒103和下部支撑杆104的内腔相互贯通，可以实现压载水的动态调整，利于风机基础的平衡。
53.具体的实例中，海上三浮体全潜式基础构造的重心为-13.877m，浮心为-14.541m。基柱102直径为12m，立柱101的直径6.5m，侧向浮筒103和下部支撑杆104直径为4m，上部支撑杆105直径为2m。风机基础构造的质量为2392.21t、排水为9649.87t。
54.需要注意的是：海上三浮体全潜式基础构造的具体参数可根据不同海域的情况进行详细分析调整，也可通过需求选择合适的系泊系统布置，不必拘泥于该实例中特定的尺寸数据。
55.另外，考虑到风机基础构造在海水使用需要防腐保护，因此在风机基础构造选材时需要考虑两种情况：(1)立柱101完全沉入水下时采用普通钢材，上部风机与风机基础构造过渡段可采用耐腐蚀材料。(2)立柱101与上部支撑杆105部分沉入水下时，二者均采用耐腐蚀材料。同时对于水面附近的结构采用耐腐蚀材料，考虑了风机在海洋复杂环境下的防腐需求，且通过系泊系统106进一步提升全潜式风电平台的抗风能力和稳定性。需要注意，耐腐蚀材料可选用耐候钢、纤维增强复合材料(frp)等防腐材料，且可选用的耐腐蚀材料不限于所举例的这两种材料，其它能够适用的耐腐蚀材料也在本技术保护范围之内。
56.在本实施例中，如图3所示，所述系泊系统106包括多根系泊绳107，所述系泊绳107
的一端连接于所述基柱102、另一端连接于海底的锚固桩，所述系泊系统106还包括压载装置108，每根所述系泊绳107上均挂有所述压载装置108。压载装置108优选用压载块，所述系泊绳107优选用为锚链，所述锚链的数量范围为3-9根。通过系泊系统106便于将整个基础构造(或说是风电平台)固定在水下，减少风浪荷载，提升三浮体全潜式基础构造整体稳定性。
57.系泊系统106是通过在每根基柱102的底部设置一组导缆孔组，包含至少一个导缆孔109，优选地一组导缆孔组包括一至三个导缆孔109，同时将锚链一端连接对应的导缆孔109、另一端在海床固定，并在锚链下部设置具有一定质量的压载块；优选地，一组导缆孔组包括三个导缆孔109且共对应九个锚链，而同时九根锚链采用九锚对称式布置，如图4所示，三根锚链连接所述基柱102底部对应的导缆孔109，且任意相邻两根锚链的夹角为40
°
，从各个方向为风机基础构造提供回复力，以此保证风机的稳定。
58.三浮体全潜式基础浮体结构呈等边三角形形状布置具有很好的稳定性，且结构布置简单，同时系泊系统中的多根锚链围绕立柱101环向设置，使基础具有良好的竖向和水平刚度，提升了系泊系统与基础浮体结构的连接强度，从而进一步提高了三浮体全潜式基础的整体稳定性。
59.工作状态下三浮体全潜式风机基础整体位于水面以下一定深度，风机基础的水线面面积小，使得波浪荷载大大降低；压载水用来实现操作吃水，下部侧向浮筒103完全充满压载水，每根基柱102的压载水的压力水头到顶部的距离可根据更详细的分析进行调整，基柱102、下部侧向浮筒103和下部支撑杆104相互贯通，可以实现压载水的动态调整，利于风机基础的平衡。
60.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
61.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
62.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
63.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种海上三浮体全潜式风机基础构造，包括浮体结构，其特征在于，所述浮体结构包括立柱(101)、三根基柱(102)、多个侧向浮筒(103)、下部支撑杆(104)和上部支撑杆(105)；所述基柱(102)和所述立柱(101)的长度方向一致，且三根所述基柱(102)围绕所述立柱(101)呈圆周阵列分布，相邻的两个所述基柱(102)之间均通过所述侧向浮筒(103)连接；每根所述基柱(102)的上部与所述立柱(101)的上部均通过所述上部支撑杆(105)连接，每根所述基柱(102)的下部与所述立柱(101)的下部均通过所述下部支撑杆(104)连接。2.根据权利要求1所述的海上三浮体全潜式风机基础构造，其特征在于，在工作状态时，所述立柱(101)的顶部高于所述基柱(102)的顶部，所述立柱(101)的底部高于所述基柱(102)的底部。3.根据权利要求2所述的海上三浮体全潜式风机基础构造，其特征在于，三根所述上部支撑杆(105)围绕所述立柱(101)圆周阵列分布，三根所述下部支撑杆(104)围绕所述立柱(101)圆周阵列分布。4.根据权利要求3所述的海上三浮体全潜式风机基础构造，其特征在于，所述侧向浮筒(103)的数量共有六根，相邻的两个所述基柱(102)的顶部之间均通过所述侧向浮筒(103)连接，同时相邻的两个所述基柱(102)的底部之间也均通过所述侧向浮筒(103)连接，位于上方的侧向浮筒(103)和位于下方的侧向浮筒(103)相互平行且与所述基柱(102)相垂直。5.根据权利要求4所述的海上三浮体全潜式风机基础构造，其特征在于，所述基柱(102)、所述侧向浮筒(103)和所述下部支撑杆(104)均为空心结构，所述基柱(102)的内腔、位于下方的所述侧向浮筒(103)的内腔以及与所述下部支撑杆(104)的内腔相互连通而形成密封腔，所述密封腔内装有压载水。6.根据权利要求1所述的海上三浮体全潜式风机基础构造，其特征在于，每根所述基柱(102)的底部均设置有导缆孔组，每组所述导缆孔组包括至少一个导缆孔(109)。7.根据权利要求1-6中任一项所述的海上三浮体全潜式风机基础构造，其特征在于，还包括系泊系统(106)，所述系泊系统(106)包括多根系泊绳(107)，所述系泊绳(107)的一端连接于所述基柱(102)、另一端连接于海底的锚固桩。8.根据权利要求7所述的海上三浮体全潜式风机基础构造，其特征在于，所述系泊系统(106)还包括压载装置(108)，每根所述系泊绳(107)上均挂有所述压载装置(108)。9.根据权利要求8所述的海上三浮体全潜式风机基础构造，其特征在于，所述系泊绳(107)选用为锚链。10.根据权利要求9所述的海上三浮体全潜式风机基础构造，其特征在于，所述锚链的数量范围为3-9根。

技术总结
本发明涉及海上风力发电技术领域，具体而言，涉及一种海上三浮体全潜式风机基础构造，包括浮体结构，浮体结构包括立柱、三根基柱、多个侧向浮筒、下部支撑杆和上部支撑杆；基柱和立柱的长度方向一致，且三根基柱围绕立柱呈圆周阵列分布，相邻的两个基柱之间均通过侧向浮筒连接；每根基柱的上部与立柱的上部均通过上部支撑杆连接，每根基柱的下部与立柱的下部均通过下部支撑杆连接。本申请如此设计，风机基础构造整体结构更规则、受力更平稳均匀、整体性强，其工作状态时位于水面以下，风机基础构造的水线面面积小，使得波浪荷载大大降低，能够减小风机在波浪作用下的各自由度运动，提升风电平台的整体刚性和稳定性。风电平台的整体刚性和稳定性。风电平台的整体刚性和稳定性。


技术研发人员：祝磊 陈宇 王美 孙海林
受保护的技术使用者：北京建筑大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/6/27