一种海上漂浮式风机基础的制作方法

1.本实用新型涉及海上风电技术，特别是一种海上漂浮式风机基础。


背景技术：

2.随着全球近海资源逐渐开发，以及近海区域行业用海需求较高，近海风电总体开发潜力受限，海上风电项目逐渐向深远海发展，海上风机基础结构也伴随水深变化，从固定式支撑结构到漂浮式支撑结构逐步演变。
3.漂浮式的海上风机基础结构是将风电机组支撑在海面上的结构。中国现有漂浮式风机基础结构只适应于水深100米以内安装，且搭载风机功率不超过10mw，例如位于广东阳江海域的“三峡引领号”漂浮式海上风电平台结构采用三立柱半潜式浮式基础、底部三角形、顶部y型组合结构，风机位于其中一个立柱之上，通过压载调平整个系统，搭载5.5mw风机，离岸28公里，安装于水深30米之处；位于湛江海域的“扶摇号”漂浮式海上风电平台结构采用三立柱半潜式浮式基础、顶部与底部都是三角形组合结构，风机位于其中一个立柱之上，通过压载调平整个系统，搭载6.2mw风机，装于离岸平均水深65米左右处。
4.平均水深100米以上深远海海域的深远海浮式风机平台设计难度更大：一方面漂浮式风机基础的主尺度设计直接决定了浮体用钢量的大小，是影响整个风机项目经济性的主要因素，也直接导致浮体在深海波浪流、风机载荷、系泊力等联合作用下的响应分析会更困难，结构强度分析难度提高；另一方面对漂浮式风机独有的技术要求，高等级抗台风要求、搭载16mw及以上大容量风机导致风机载荷越来越大，工作技术要求越来越高，对浮体的抗倾覆能力、定位系泊能力、以及稳定性等要求更高。因此亟需设计一型适应于平均水深100米及以上深远海海域使用的漂浮式风机基础。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是，针对平均水深100米及以上深远海海域，开发一型经济型半潜式海上浮式风机基础，具备水动力性能良好、抗台风等级高、搭载16mw及以上大容量风机、抗倾覆能力强、稳定性良好、结构强度满足风机气动—水动—系泊等一体化设计要求、单位兆瓦钢结构重量低、发电效率高、经济性好等性能。
6.为解决上述技术问题，本实用新型采用了如下技术方案：一种海上漂浮式风机基础，包括多根外围立柱、一根中心立柱、支撑构件及系泊链，所述中心立柱的外围经所述支撑构件安装所述外围立柱，其中：
7.所述外围立柱向外倾斜安装，且所述外围立柱沿其高度方向分为上段、中段和下段，所述中段的横截面积大于所述下段的横截面积，所述上段高于水线面设置，所述中段置于水线面中，所述下段低于水线面设置；
8.各所述外围立柱的底部连接内部设有压载舱的浮体，所述浮体水平放置，且所述浮体的中心与所述中心立柱垂直交叉连接。
9.优选地，所述外围立柱的倾斜角度为15-30
°
。
10.优选地，所述外围立柱为三根，所述浮体为具有三个分支的y型结构，各个分支的结构形式相同，相邻分支的夹角120
°
，各分支的末端分别安装一根所述外围立柱。
11.优选地，所述分支包括平直段浮筒和圆柱段浮筒，所述外围立柱安装在所述圆柱段浮筒上。
12.优选地，所述支撑构件包括上部支撑构件和下部斜撑构件。
13.优选地，所述中段与所述上段或所述下段之间经过渡段连接，所述过渡段的横截面积呈渐变结构。
14.优选地，所述系泊链挂在所述外围立柱的中段的水线面以下位置。
15.优选地，所述中段的下部处于水线面以下3－5米范围内，所述中段的上部位于水线面上面3米范围内。
16.优选地，所述中段的直径是所述上段的直径或所述下段的直径的1.2-1.8倍。
17.优选地，所述中心立柱包括从上至下依次设置的第一段、第二段、第三段及第四段，所述第一段为含有外壳和内壳的双壳结构，所述外壳连接所述支撑构件，所述内壳的上端连接风机塔筒,所述内壳的下端连接所述第二段的上端，所述第二段的下端与所述第三段的上端伸缩式连接，所述第三段的下端连接所述第四段，所述第四段的外形尺寸增大形成浮筒。
18.本实用新型主要由多根外围立柱、一根中心立柱、连接外围立柱和中心立柱的支撑构件及底部浮体组成，其中，外围立柱倾斜向外安装在底部浮体上，且外围立柱沿高度方向分为上、中、下三段，外围立柱的中段处于水线面附近，且外围立柱的中段横截面面积大于下段横截面的面积，中段通过过渡段的倒圆结构与上、下段连接；中心立柱竖直向上安装，其顶部设计为双壳结构，并在其顶部安装大容量兆瓦级浮式风机(16mw及以上)，在中心立柱的下部第三段设置为伸缩结构，同时将其第四段的横截面积增大设置为主要压载舱；底部浮体与中心立柱采用具有三个分支的y型基础底座连接，各分支夹角120
°
，并将浮体的3个趾端设计成圆型浮筒作为垂荡舱，底座以上的外围立柱与中心立柱之间采用斜撑连接支撑以保持浮体整体结构的稳定性与结构强度。
19.系泊系统采用系泊缆布置方案，顶部系泊链安装连接在向外逐渐倾斜的三个外围立柱上并处于水线面以下，底部系泊链采用共享锚方案连接到海底锚桩，浮式风机基础群可以根据布置设置相应的锚桩，相邻浮体可以共享锚桩基础。
20.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
21.(1)本实用新型所提供的浮式风机基础总体综合性能高、结构布局简单紧凑、结构利用率更高，能够有效降低漂浮式风机基础单位兆瓦的用钢量，建造简单、造价低，经济性好；
22.(2)本实用新型外围立柱与中心立柱之间的支撑结构、配合底座浮体的y型结构能保证浮体结构总强度满足规范要求，整个浮体基础能够抵御最高等级的台风和100米及以上水深波浪载荷和系泊等一体化载荷要求；
23.(3)本实用新型中心立柱上部大直径的双壳结构，外壳便于外围立柱与中心立柱之间支撑结构的连接与焊接建造，中心立柱内壳与风机塔筒底座连续对接，便于保证风机塔筒底座位置的结构强度；
24.(4)本实用新型外围立柱逐渐倾斜，使水线面的面积矩随吃水的增加而增大，在浮
式基础有一定倾角时回复力矩相对于竖直设置的外围立柱的回复力矩更大，能补偿一定倾角后的排水体积的缺失，提高浮体的稳性性能，方便设计时根据作业需求调整吃水；
25.(5)本实用新型外围立柱吃水面上下区域局部直径的增加，能够逐步增大排水体积、从而增大浮力、保证风机正常工作、并能在浮式基础有一定倾角后补充额外浮力以保证倾斜发电的稳定性进而提高发电效率；
26.(6)本实用新型风机安装在中心立柱上，中心立柱底部的压载舱结构能够大幅度降低浮体的重心，大大提高整个浮式风机基础的稳定性；
27.(7)本实用新型采用系泊缆布置方案，可根据实际需要布置3x1,3x2,3x3等系泊方案，系泊链安装连接在向外逐渐倾斜的三个外围立柱上，连接点处于水线面以下，可以减少系泊链因长期暴露空气中的腐蚀，避免与底部结构碰撞，便于安装船靠泊安装，结合共享锚方案，提高风机发电效率和平台的经济性；
28.(8)本实用新型浮体以下的中心立柱结构插入浮体以上的中心立柱内部便于浮式风机基础的批量干拖与安装。
29.(9)本实用新型的浮式风机基础能够广泛地应用于中国南海、东海等深远海海域，为我国漂浮式海上风电技术水平的发展，促进漂浮式海上风电设计创新，尤其是对漂浮式海上风机基础设计以及大容量海上风电机组的研发，起到积极的推动作用。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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的附图。
31.图1为本实用新型海上漂浮式风机基础的系统示意图。
32.图2为本实用新型海上漂浮式风机基础的侧视图。
33.图3为本实用新型海上漂浮式风机基础的轴侧图。
34.图4为本实用新型海上漂浮式风机基础建造完成后下水前示意图。
35.图5为本实用新型海上漂浮式风机基础批量干拖的示意图。
36.图中：
[0037]1‑‑
塔筒；
[0038]2‑‑
外围立柱，2-1
‑‑
上段，2-4
‑‑
下段，2-2
‑‑
过渡段，2-3
‑‑
中段；
[0039]3‑‑
中心立柱，3-1
‑‑
第一段，3-2
‑‑
第二段，3-3
‑‑
第三段，3-4
‑‑
第四段；
[0040]4‑‑
浮筒，4-1
‑‑
平直段浮筒，4-2
‑‑
圆柱段浮筒；
[0041]5‑‑
支撑构件，5-1
‑‑
上部支撑构件，5-2
‑‑
下部斜撑构件；
[0042]6‑‑
系泊链；
[0043]7‑‑
半潜式运输船。
具体实施方式
[0044]
以下结合具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。
[0045]
为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。
[0046]
如图1到图3所示，本实用新型海上漂浮式风机基础一实施例包括同尺寸的三根外围立柱2、一根中心立柱3、作为外围立柱2底座的浮体4、支撑构件5、系泊链6，三根外围立柱2经所述支撑构件5均布安装在中心立柱3的外围，中心立柱3的上端与带有大容量风机的塔筒1连接，各外围立柱2连接系泊链6，且外围立柱2、中心立柱3、浮体4内分别设置压载舱，如此组成海上漂浮式风机安装平台。
[0047]
本实施例的外围立柱2均向外倾斜，倾斜角度在15-30
°
，且外围立柱2沿其高度方向分为上段2-1、中段2－3和下段2－4，上段2-1与下段2-4的直径相同，中段2-3的直径大于上段2-1或下段2-4的直径。优选地，中段2-3的直径是上段2-1、下段2-4直径的1.2-1.8倍,中段2-3分别与上段2-1、下段2-4通过直径渐变的过渡段2-2连接。本实用新型使用时，外围立柱2的上段2-1高于水线面设置，中段2-3的下端处于水线面以下3—5米范围内，中段2-3的上端处于水线面以上3米以上的范围，下段2-4低于水线面设置，以在浮式风机基础倾斜时通过其吃水升高后的排水体积增大，提高其稳定性和发电效率。另外，本实用新型系泊链6挂在外围立柱2的中段2-3的处于水线面以下部分上，便于系泊链悬挂处结构的加强。
[0048]
本实施例的中心立柱3包括从上至下依次连接的第一段3-1、第二段3-2、第三段3-3及第四段3-4。所述第一段3-1和第二段3-2位于浮体4的上面，所述第三段3-3、第四段3-4位于浮体4的下面。所述第一段3-1为含有外壳和内壳的双壳结构，所述外壳连接所述支撑构件5，所述内壳的上端连接风机塔筒1。外壳的直径比内壳的直径大3米以上，即内、外壳之间至少有1.5米宽的空间，以便于在外围立柱2与中心立柱3的外壳之间焊接支撑构件5。为方便内壳与风机塔筒1的焊接，内壳的直径与风机塔筒1直径相同。本实用新型中心立柱3采用双壳结构实现支撑构件5和风机塔筒1的安装，能够提供充分的结构加强，保证风机塔筒基座的结构强度。同样为简化连接，本实施例中，内壳与所述第二段3-2为一体结构，且内壳与第二段3-2的直径相同。为便于浮式风机基础的拖航运输，所述第二段3-2的下端与所述第三段3-3的上端伸缩式连接。本实施例中，第三段3-3的直径小于第二段3-2的直径，这样在拖航运输时，可将第三段3-3的上端采用机械连接结构预插入第二段3-2的下端，待运输到工作地点后，再通过机械连接结构将第三段3-3逐渐下滑到相应位置。第三段3-3的内部设置压载舱，且第四段3-4的直径增大形成大直径浮筒，并可以根据工作水深需求调整压载舱和浮筒的压载内容和压载体积，以控制整个浮体的重量重心，以借此大幅度降低浮体的重心，有利于整个浮式风机基础的稳定性，降低浮体的运动响应。
[0049]
本实施例的浮体4水平安装在中心立柱3的第二段3-2的底部，且所述浮体4的中部连接所述中心立柱3，所述浮体4的外围延伸至所述外围立柱2的底部。所述浮体4为具有三个分支的y型结构，各个分支的结构形式相同，相邻分支的夹角120
°
。所述分支包括平直段浮筒4-1和圆柱段浮筒4-2，三个外围立柱2的底部分别与一个圆柱段浮筒4-2连接。如此，本实用新型通过浮体4、支撑构件5将外围立柱2、中心立柱3连接成一个整体，同时外围立柱2不仅连接到浮体4的甲板上，而且伸入浮体4的内部与浮体4的底板连接，提高了整体结构强度，进而能搭载16mw及以上大容量风机。浮体4内部设计永久压载舱，配合中心立柱3的第三段3-3、第四段3-4内设置的压载舱，作为浮体稳定性控制的主要来源。外围立柱2内同样设置压载舱，作为辅助调整压载用。
[0050]
本实施例的支撑构件5由上部支撑构件5-1，下部斜撑构件5-2组成，上部支撑构件5-1水平设置在外围立柱2的上段2-1与中心立柱3的第一段3-1的外壳之间，下部斜撑构件5-2倾斜设置在外围立柱2的下段2-4与中心立柱3的第一段3-1的外壳之间，其中上部支撑构件5-1和下部斜撑构件5-2的数量根据结构总体强度的要求增加，支撑形式也会有相应改变。如此，将中心立柱3与外围立柱2用支撑构件5连接，能够提高中心立柱3上的风机塔筒底座的稳定性，降低风机振动对浮体结构的响应，充分保证整个浮体结构的强度要求。
[0051]
本实施例的海上漂浮式风机基础浮体采用3x2(或者3x1，3x3等)系泊布置方案，系泊链6挂在外围立柱2的中段2-3的位于水线面以下位置，可以减少系泊链因长期暴露空气中的腐蚀，倾斜的外围立柱2可以避免系泊链6与浮体4之间的碰撞接触，保证安装处靠泊安装。另外，外围立柱2的中段2-3在水线面以下可以有充足的结构加强空间，满足系泊链6对结构的局部强度要求。
[0052]
在本实施例的海上漂浮式风机基础建造与运输安装方面，可对外围立柱2、中心立柱3、浮筒4、支撑构件5采用分段建造，中心立柱3的第三段3-3、第四段3-4分段建造完毕后，先通过机械连接装置，插入浮筒4中，如图4所示，再以底部浮筒4为基准，逐步将外围立柱2,第一段3-1,第二段3-2，支撑构件5等合拢。待整体下水后，再将中心立柱3的第三段3-3、第四段3-4通过机械装置配合压载下滑，进行整船倾斜试验。最后可将组装完成的整个浮体运输到安装码头进行风机塔筒1的整机安装，可如图5所示将浮体批量用半潜式运输船7干拖，也可将如图4所示的浮体湿拖至安装码头进行风机塔筒1的安装，之后，采用底部浮体4配合立柱3的下半段3-3,3-4作为主要压载、外围立柱2的内部为辅助压载到整个浮式风机平台系统拖航吃水，将整个浮式风机平台系统湿拖至工作海域，并根据工作海域的吃水情况，将中心立柱3的第三段3-3、第四段3-4下放到相应位置，并根据稳定性计算要求配置完成压载吃水，与提前安装完成的共享锚系统进行系泊定位安装，进而完成整个漂浮式风机系统就位安装。
[0053]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方案，但本实用新型的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种海上漂浮式风机基础，包括多根外围立柱(2)、一根中心立柱(3)、支撑构件(5)及系泊链(6)，所述中心立柱的外围经所述支撑构件安装所述外围立柱，其特征在于：所述外围立柱向外倾斜安装，且所述外围立柱沿其高度方向分为上段(2-1)、中段(2－3)和下段(2－4)，所述中段的横截面积大于所述下段的横截面积，所述上段高于水线面设置，所述中段置于水线面中，所述下段低于水线面设置；各所述外围立柱的底部连接内部设有压载舱的浮体(4)，所述浮体水平放置，且所述浮体的中心与所述中心立柱垂直交叉连接。2.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述外围立柱的倾斜角度为15-30
°
。3.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述外围立柱为三根，所述浮体为具有三个分支的y型结构，各个分支的结构形式相同，相邻分支的夹角120
°
，各分支的末端分别安装一根所述外围立柱。4.根据权利要求3所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述分支包括平直段浮筒(4-1)和圆柱段浮筒(4-2)，所述外围立柱安装在所述圆柱段浮筒上。5.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述支撑构件包括上部支撑构件(5-1)和下部斜撑构件(5-2)。6.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述中段与所述上段或所述下段之间经过渡段连接，所述过渡段的横截面积呈渐变结构。7.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述系泊链挂在所述外围立柱的中段的水线面以下位置。8.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述中段的下部处于水线面以下3－5米范围内，所述中段的上部位于水线面上面3米范围内。9.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述中段的直径是所述上段的直径或所述下段的直径的1.2-1.8倍。10.根据权利要求1所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述中心立柱包括从上至下依次设置的第一段、第二段、第三段及第四段，所述第一段为含有外壳和内壳的双壳结构，所述外壳连接所述支撑构件，所述内壳的上端连接风机塔筒,所述内壳的下端连接所述第二段的上端，所述第二段的下端与所述第三段的上端伸缩式连接，所述第三段的下端连接所述第四段，所述第四段的外形尺寸增大形成浮筒。

技术总结
本实用新型公开了一种海上漂浮式风机基础，其包括多根外围立柱(2)、一根中心立柱(3)、支撑构件(5)及系泊链(6)，所述中心立柱的外围经所述支撑构件安装所述外围立柱，且所述外围立柱向外倾斜安装，所述外围立柱分为上、中、下段，中段的横截面积大于下段的横截面积，所述上段高于水线面设置，所述中段置于水线面中，所述下段低于水线面设置；各所述外围立柱的底部连接内部设有压载舱的浮体(4)，所述浮体水平放置，且所述浮体的中心与所述中心立柱垂直交叉连接。本实用新型适应于平均水深100米及以上深远海海域使用，并能搭载16MW及以上大容量风机，还能够有效降低用钢量，建造简单、造价低。低。低。


技术研发人员：郭勤静 张晓明 王金光 蒋汀 曾凡权 刘海超 屈志锋 伏亮明 钟耀 糜又晚 杨虎 郝艳峰
受保护的技术使用者：中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/6/20