一种浮式双风机结构及风机基础的制作方法

1.本发明涉及海上浮式风机技术领域，具体涉及一种浮式双风机结构及风机基础。


背景技术：

2.在海上风电不断的大规模建设背景下，近海浅水风场用地已几近用罄，海上风电往深远海推进将成为趋势，而浮式风机的使用亦会随之成为主流。与近海浅水风场相似深远海用海问题亦是风电场开发所关注的问题之一。开发商在难苦获得用地后，总希望在有限的获批用海区域上装上最多的风机而使用海效益最大化以降低开发成本。
3.相对于浮式单风机，浮式双风机由于能紧凑布置风机在用海海域上，故使得风场的装机容量得以增加从而达到降本增效的目的。国外的一些研究显示同样的用海面积在使用双风机布置后，保守的发电量增加可达70％。同时由于双风机间可共享同一组电缆以減小风场内昻贵电缆的使用从而进一步降低建设成本。吸引的经济效益使浮式双风机受到青睐而备受关注。
4.然而，同样是为降本增效目的而开发的大兆瓦风机，在使用到浮式双风机时将面临基础体积非常厐大而对建造场地提出非常高的要求；在带来昂贵的建造代价的同时亦为运输安装带来巨大挑战。众所周知，浮式基础在海上风场开发占有非常高的成本比例，降低浮式基础的成本对风场开发成本的降低将非常有效；而基础成本的降低又以基础体积的减小最为敏感，故在降本增效的设计中，设计者将穷尽一切努力将基础体积最小化。
5.申请人前期申请的发明专利cn114408114a公开了一种可绕单点水平运转的深远海双风机浮式基础，利用双风机共用一个浮桩的设计，形成类似v字型的结构，以减小浮桩主尺度、使浮桩的环境荷载减小、錨泊系统成本亦减轻。但是该结构在空间上占用空间还是较大，对于寸土寸金的海域，仍然无法满足现在的开发需求。且该结构对于波浪及流具的穿透力仍然较弱，荷载过大，影响风机的运作以及发电效率。


技术实现要素：

6.本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种浮式双风机结构，以实现基础体积最小化、降低建设成本的目的。
7.具体的，本发明保护一种浮式双风机结构，所述浮式双风机包括两组风机，两组所述风机的风轮半径为r；两组所述风机的风轮重叠，其中重叠区域的风轮半径为r；所述0＜r≤0.9r；两组风机包括第一风机和第二风机；初始状态下；所述第一风机和第二风机的初始位置相同、转速相同，转向相反。
8.优选的，初始状态下，所述第一风机和第二风机的其中一片叶片摆放在水平位置。
9.所述第一风机和第二风机在同一平面重叠摆放，第一风机、第二风机风轮平面的特征重叠区间可在0至0.9风轮半径的范围，第一风机、第二风机风轮的叶片设置为其初始位置相同，且风机的其中一片叶片为水平摆放，并以同转速相反方向旋转。通过本发明的风轮重叠摆放结构，第一风机、第二风机塔筒间距离能得以靠近而使风机基础的结构体积減
小，从而实现风机基础的轻量化设计。而通过第一风机、第二风机叶片摆放位置以及转速和转向的设置，即使风轮为重叠情况，第一风机、第二风机转动时，叶片将不发生彼此阻挡而能顺畅转动以产生电能。本发明的第一风机和第二风机的叶片相同，可以为常见的三叶风机，也可以为其他叶片数量的风机。本发明风轮的特征重叠区间定义为：第一风机、第二风机风轮的重叠区域的最大水平宽度r，第一风机、第二风机风轮的特征重叠区间可在0至0.9风轮半径的范围。在使用重叠摆放后，基础立柱间的距离相较于不重叠摆放可缩短r+δ，其中r为重叠区间长度，δ为不重叠摆放时两风轮圆周间的最短距离。
10.进一步的，本发明所述浮式双风机结构的风机基础，还包括浮式基础，所述浮式基础自上而下依次包括立柱组件、浮箱以及支撑桩；所述立柱组件的上侧的两端分别连接第一风机和第二风机；所述浮箱设于所述立柱组件的底部；所述支撑桩为固定桩或浮桩；所述支撑桩的顶端固定在所述立柱组件中部下侧。
11.所述立柱组件主要用于支撑和安装风机，所述风机的下端固定在所述立柱组件上。所述浮箱设于所述立柱组件的下端，为立柱组件提供浮力。所述支撑桩用于实现本发明浮式基础的定位功能。
12.进一步的，所述支撑桩为固定桩，所述固定桩为单桩或导管架结构。
13.优选的，所述支撑桩为浮桩，所述浮桩为立柱结构或者为张力腿平台结构。
14.进一步的，所述立柱组件包括中央部件、连杆部件；所述中央部件包括第一圆台、第二圆台以及圆柱杆件；所述第一圆台连接风机塔筒呈上宽下窄结构；所述第二圆台连接所述浮箱，且呈上窄下宽结构；所述圆柱杆件的两端分别连接第一圆台和第二圆台。
15.本发明的立柱组件包含由一根中央部件及布置于外围连接中央部件与浮箱的多根圆管状的连杆部件；其中中央部件是由连接风机塔筒呈上宽下窄的第一圆台、连接浮箱呈上窄下宽的第二圆台及连接第一圆台和第二圆台的圆柱杆件组成。由于连杆构件组成的立柱组件对波浪及水流有较佳的穿透性，故可使荷载减轻，达到结构轻量化及降低对系泊要求的目的；同时亦使浮式基础在波浪环境下运动变小而有利于风机的运作及发电效率。本发明的固定桩可为单桩或导管架结构而浮桩则可为立柱或张力腿平台。
16.进一步的，所述的风机基础还包括加固结构以及连接臂；所述连接臂一端连接所述支撑桩，另一端连接所述立柱组件；所述加固结构设于所述立柱组件之间；用于加固风机基础。
17.优选的，所述加固结构为桁架和/或横梁；所述连接臂绕以支撑桩为转动中心且支撑桩设于所述第一风机和第二风机的来风上游，呈v型分布。
18.所述加固结构用于加固整体浮式基础的结构，可为桁架、横梁或其他支撑结构。所述连接臂用于连接立柱与固定桩或浮桩。
19.进一步的，所述风机基础，还包括艏搖转动轴承，所述艏搖转动轴承设于所述支撑桩的上端；以实现依风向绕所述支撑桩转动实现从风功能。
20.进一步的，所述艏搖转动轴承的顶端还设有轴承承接襯套，所述轴承承接襯套为实现所述艏搖转动轴承嵌入的圆管元件。
21.本发明的立柱组件由一根中央部件及布置于外围连接中央部件与浮箱的多根圆管连杆部件；由于连杆组成的立柱对浪、流有较佳的穿透性，故可使荷载减轻，达到结构轻量化及降低对系泊要求的目的；同时亦使基础在波浪环境下运动变小而有利于风机的运作
及发电效率。不论固定桩或浮桩其顶端皆设有可供艏搖转动轴承嵌入的圆管元件，即轴承承接襯套。从风功能是通过两连接臂呈v型分布且绕固定桩或浮桩的转动中心在第一风机、第二风机来风上游的布置而得以实现。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
23.(1)本发明通过风机风轮重叠的设置，使得承托风机的基础的尺度能大幅減小，以实现风机基础的轻量化设计。现有技术中vestas风机，其风轮直径为236m；通过风轮重叠设置，第一风机、第二风机的塔筒可靠近至129.8m(以重叠区间为0.9风轮半径计算)，与不重叠设置，塔筒距离至小大于236m相比，浮式基础的横向宽度至小可減小106.2m。在此，横向宽度的大幅减小将带来结构重量的大幅減小而使昂贵的建造成本大幅減小。
24.(2)在减小浮式基础尺度、节约出更多的用海空间的同时，风场的更大装机容量将得以实现。亦即相较于不重叠风轮的设置，风机风轮重叠的设置能在同样的风场面积下有更高的风能辅获。
25.(3)本发明采用了一种以连杆构件组成的立柱设计，由于比传统立柱有对波浪及流具较佳的穿透性，故可使荷载减轻，达到结构轻量化及降低对系泊要求的目的；同时亦使基础在波浪环境下运动变小而有利于风机的运作及发电效率。
26.(4)本发明的风机基础具有依风向绕固定桩或浮桩艏搖的从风功能，第一风机、第二风机的迎风面将得以保持在同一平面，不发生其一风机迎风面遭遇另一风机下游跡流的情况，保证了第一风机、第二风机同时高效发电的状态。
附图说明
27.图1为浮式重叠双风机整体结构示意图。
28.图2为浮式重叠双风机俯视结构示意图。
29.图3为浮式重叠双风机侧视结构示意图。
30.图4为浮式重叠双风机中央部件的结构示意图。
31.图5为浮式重叠双风机摆放设置示意图。
32.图6为不重叠双风机摆放设置示意图。
33.图7为重叠双风机叶片转动，不同瞬时的叶片位置。
34.图8为重叠双风机在稳定平衡位置时所受的风力及转矩。
35.图9为重叠双风机在偏离稳定平衡位置时所受的风力及转矩。
具体实施方式
36.实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
37.需要说明，若本技术实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、
运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
38.另外，若本技术实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。实施例
39.本实施例提供了一种浮式重叠双风机基础。如图1～2所示，浮式重叠双风机基础包括用以承托风机的浮式基础1、其上的第一风机2、第二风机3及用以实现浮式基础1定位功能的支撑桩4，本发明的其中一个实施例的支撑桩4为固定桩，本发明的另一实施例的支撑桩4为浮桩。结合图3所示，浮式基础1包括一对以连杆构件组成的立柱11、一对与立柱11连接提供浮力的浮箱12、一对连接立柱11与固定桩或浮桩的连接臂13、连接立柱11以加固整体浮式基础1的桁架14及依风向绕固定桩或浮桩转动实现从风功能的艏搖转动轴承15。其中，以连杆构件组成的立柱11包含中央部件111及布置于外围连接中央部件111与浮箱12的多根圆管连杆部件112；如图4所示，所述中央部件111包括连接风机塔筒呈上宽下窄的第一圆台10、连接浮箱12呈上窄下宽的第二圆台20及连接第一圆台10和第二圆台20的圆柱杆件30组成。由于连杆构件组成的立柱11对浪、流有较佳的穿透性，故可使荷载减轻，达到结构轻量化及降低对系泊要求的目的；同时亦使基础在波浪环境下运动变小而有利于风机的运作及发电效率。所述的固定桩可为单桩或导管架结构而浮桩则可为立柱或张力腿平台。结合图3所示，不论固定桩或浮桩其顶端皆设有可供艏搖转动轴承15嵌入的圆管元件-轴承承接襯套16。
40.如图5所示，所述的第一风机2、第二风机3其风轮呈重叠摆放状态。在此，风机虽以最为普遍使用的三叶风机作为演示例，但所述的重叠摆放亦适用于其他叶片数的风机。特征重叠区间定义为两风轮的重叠区域的最大水平宽度r，第一风机2、第二风机3风轮的特征重叠区间可在0至0.9风轮半径的范围。在使用重叠摆放后，基础立柱11间的距离相较于不重叠摆放可缩短r+δ，其中r为重叠区间长度，δ为不重叠摆放时两风轮圆周间的最短距离。对比现有技术中的图6，以15兆瓦vestas风机为例，其风轮直径为236m；若重叠区间为0.9风轮半径，r＝106.2m；不重叠摆放时两风轮圆周间的最短距离δ为0.1风轮半径,δ＝11.8m，则重叠摆放时基础立柱11间的距离将相较于不重叠摆放时可缩短r+δ＝118m。
41.如图7所示，又在设置叶片时，第一风机2、第二风机3风轮的叶片其初始位置将设置为相同并以此以同转速相反方向旋转。其中，初始位置定义为风机其中的一片叶片为摆放在水平位置，通过上述的设置，第一风机2、第二风机3转动时，叶片将不发生彼此阻挡而能顺畅转动以产生电能。
42.本发明的浮式基础1需具有依风向绕固定桩或浮桩艏搖的从风功能，从而第一风机2、第二风机3的迎风面能得以保持在同一平面，不发生其一风机迎风面遭遇另一风机下游跡流的情况，以保证第一风机2、第二风机3来流质量而使它们能同时高效发电。
43.为说明本发明从风功能的有效性，以下对其机理进行说明：
44.为实现从风功能浮式基础1的两个风机将采用如图8的迎风姿态，即第一风机2、第
二风机3处于浮桩的来风下游且第一风机2、第二风机3相对于通过浮桩4的中心与来风方向平行的轴线5呈左右对称。在左右对称的情况下，来风作用在左右第一风机2、第二风机3的风力f1和f2所产生对转动中心浮桩的转矩t1和t2将互相抵消；第一风机2、第二风机3将维持在最佳的稳定平衡位置以迎来风。在平衡位置时，第一风机2、第二风机3迎风面皆在同一平面，来风呈不被扰动的良好状态，有利于高效发电。
45.在浮式基础1偏离上述稳定平衡位置时，如图9所示，虽然风力相等，即第一风机2、第二风机3迎风面相同、来风风速亦相同条件下，但由于各自对转动中心支撑桩4的力臂l1和l2不同，作用于风机所产生的两转矩t3和t4将不相等而不互为抵消。在这对不相等转矩作用下浮式基础1将会逆时针转动，如图9中转矩t3会较转矩t4为大，直至回复到前述转矩抵消的稳定平衡位置。
46.以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化等用在本发明的设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

技术特征：
1.一种浮式双风机结构，其特征在于，所述浮式双风机包括两组风机，两组所述风机的风轮半径为r；两组所述风机的风轮重叠，其中重叠区域的风轮半径为r；所述0＜r≤0.9r；两组风机包括第一风机(2)和第二风机(3)；初始状态下；所述第一风机(2)和第二风机(3)的初始位置相同、转速相同，转向相反。2.根据权利要求1所述的浮式双风机结构，其特征在于，初始状态下，所述第一风机(2)和第二风机(3)的其中一片叶片摆放在水平位置。3.一种采用权利要求1或2所述浮式双风机结构的风机基础，其特征在于，还包括浮式基础(1)，所述浮式基础(1)自上而下依次包括立柱(11)组件、浮箱(12)以及支撑桩(4)；所述立柱(11)组件的上侧的两端分别连接第一风机(2)和第二风机(3)；所述浮箱(12)设于所述立柱(11)组件的底部；所述支撑桩(4)为固定桩或浮桩；所述支撑桩(4)的顶端固定在所述立柱(11)组件中部下侧。4.根据权利要求3所述的风机基础，其特征在于，所述支撑桩(4)为固定桩，所述固定桩为单桩或导管架结构。5.根据权利要求3所述的风机基础，其特征在于，所述支撑桩(4)为浮桩，所述浮桩为立柱(11)结构或者为张力腿平台结构。6.根据权利要求3所述的风机基础，其特征在于，所述立柱(11)组件包括中央部件(111)、连杆部件；所述中央部件(111)包括第一圆台(10)、第二圆台(20)以及圆柱杆件(30)；所述第一圆台(10)连接风机塔筒呈上宽下窄结构；所述第二圆台(20)连接所述浮箱(12)，且呈上窄下宽结构；所述圆柱杆件(30)的两端分别连接第一圆台(10)和第二圆台(20)。7.根据权利要求3所述的风机基础，其特征在于，还包括加固结构以及连接臂(13)；所述连接臂(13)一端连接所述支撑桩(4)，另一端连接所述立柱(11)组件；所述加固结构设于所述立柱(11)组件之间；用于加固风机基础。8.根据权利要求7所述的风机基础，其特征在于，所述加固结构为桁架(14)和/或横梁；所述连接臂(13)以支撑桩(4)为转动中心且支撑桩(4)设于所述第一风机(2)和第二风机(3)的来风上游，呈v型分布。9.根据权利要求7所述的风机基础，其特征在于，还包括艏搖转动轴承(15)，所述艏搖转动轴承(15)设于所述支撑桩(4)的上端；以实现依风向绕所述支撑桩(4)转动实现从风功能。10.根据权利要求9所述的风机基础，其特征在于，所述艏搖转动轴承(15)的顶端还设有轴承承接襯套，所述轴承承接襯套为实现所述艏搖转动轴承(15)嵌入的圆管元件。

技术总结
本发明公开了一种浮式双风机结构，所述浮式双风机包括两组风机，两组所述风机的风轮半径为R；两组所述风机的风轮重叠，其中重叠区域的风轮半径为r；所述0＜r≤0.9R；两组风机包括第一风机和第二风机；初始状态下；所述第一风机和第二风机的初始位置相同、转速相同，转向相反。初始状态下，所述第一风机和第二风机的其中一片叶片摆放在水平位置。本发明通过风机风轮重叠的设置，使得承托风机的基础的尺度能大幅減小，以实现风机基础的轻量化设计。本发明在减小浮式基础尺度、节约出更多的用海空间的同时，风场的更大装机容量将得以实现。亦即相较于不重叠风轮的设置，风机风轮重叠的设置能在同样的风场面积下有更高的风能辅获。能在同样的风场面积下有更高的风能辅获。能在同样的风场面积下有更高的风能辅获。


技术研发人员：李星群 刘建成 尹瑞娟
受保护的技术使用者：招商局海洋装备研究院有限公司
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/6/7