一种张拉整体式海上风力发电支撑结构

1.本发明属于海上风电技术领域，尤其涉及一种张拉整体式海上风力发电支撑结构。


背景技术：

2.风能作为一种清洁可再生能源，受到世界各国越来越多的重视。其中海上具有丰富的风能资源，是当前新能源开发利用的主要方向。现阶段我国海上风电开发主要集中于浅水区域，风力发电机组基础结构多采用固定式。海上风电开发受到海域风能资源、海水深度等条件限制，固定式海上风电发展受限，从成本和技术上，浮式基础更适合深远海洋区域开发。
3.如何降低成本是浮式风电技术最为关注的问题，浮式基础的建设成本是整个漂浮式风电机组成本的重要组成部分。国内外设计人员尝试采用价格较为低廉的混凝土等材料来降低成本，比如，挪威的hywind tampen、法国的floatgen等浮式风电项目使用混凝土作为主体材料。同时研究人员也尝试优化漂浮式基础结构形式，提高漂浮式平台的空间利用率来实现降本增效。比如，专利(专利号cn202111615806.8)公开了一种组合式风电机组和海上风电系统。该组合式风电机组的漂浮式平台包括五个平衡柱，采用水平轴风力机和垂直轴风力机两种风力发电机的组合形式，减少漂浮式平台上的空间浪费，提高漂浮式平台的空间利用率。研究者们也对塔筒形式做出改进，比如，专利(专利号cn200910148339.5)公开了一种整体桁架式海上风电机组支撑结构，该发明采用整体桁架式结构作为支撑结构，适用任何海底条件且适用水深范围大。这些技术从结构和材料层面为浮式风电的降本增效提供了很好的解决方案。
4.传统的浮式基础由一个漂浮的浮体支撑风电机组、塔筒等重量，通过锚泊系统固定在海底。随着风电机组的大型化，塔筒越来越高，刚度越来越柔，塔筒成本随着高度的增加呈指数增加；塔筒高度增加时振幅增大、频率变低，易与风电机组发生共振。塔筒在服役过程中处于压力-弯矩-扭矩复合受力状态，塔筒如采用悬臂构件，结构选型形式不够合理，不能充分发挥材料特性。针对现有技术存在的问题，本发明基于张拉整体的思想，提出一种空间支撑体系，代替了传统的塔筒设计，巧妙的以拉力和压力的形式传递系统所受的外力到浮式基础，改善受力性能和振动问题，从而降低成本造价。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种张拉整体式海上风力发电支撑结构，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种张拉整体式海上风力发电支撑结构，包括锚泊系统、浮式基础和安装在所述浮式基础上的支撑机构，所述浮式基础通过所述锚泊系统与海底固定；所述支撑机构包括固定安装在所述浮式基础顶部的若干根斜立柱，任一所述斜立柱的顶部安装有两根斜拉索，两根所述斜拉索的底端分别与相邻两根所述斜立柱底端
的所述浮式基础固定连接；相邻两根所述斜立柱之间固定安装有水平拉索，所述水平拉索、所述斜拉索均设置于所述斜立柱的同一连接处，所述水平拉索、所述斜拉索上均施加有张紧力，所述水平拉索、所述斜拉索和所述斜立柱共同构成空间的索-斜立柱支撑体系；若干根所述斜立柱之间设置有刚性支撑，若干根所述斜立柱均与所述刚性支撑固定连接，所述刚性支撑设置于所述斜立柱的中下部。
7.优选的，所述浮式基础为三棱柱结构，所述斜立柱的数量设置有三根，且三根所述斜立柱分别设置于所述浮式基础顶端的三个拐角处，所述刚性支撑为刚性三角支撑。
8.优选的，所述斜立柱朝向所述浮式基础顶面的对边倾斜设置，三根所述斜立柱呈空间对称分布；任意两根所述斜立柱的顶端固定安装有悬挑支撑平台，所述悬挑支撑平台用于安装风电机组，且两所述风电机组朝向一致。
9.优选的，所述悬挑支撑平台沿水平方向设置，所述悬挑支撑平台与所述斜立柱之间的夹角为钝角。
10.优选的，所述浮式基础包括三个浮筒，三个所述浮筒呈三角形布置，相邻两所述浮筒通过连接梁进行固定；固定安装在同一所述浮筒上的两个所述斜拉索呈等腰三角形布置，且所述斜拉索与所述斜立柱顶部的连接点位于同一高度。
11.优选的，由所述斜立柱上部端点构成的三角形与由所述斜立柱底部端点构成的三角形的相对转角θ为55
°
～65
°
。
12.优选的，所述水平拉索、所述斜拉索的表面均进行防腐处理。
13.优选的，所述斜立柱的底部通过法兰与所述浮式基础固定连接，所述斜立柱的中下部与所述刚性支撑通过螺栓连接或焊接连接，所述刚性支撑的材质为圆钢管、型钢、桁架中的一种。
14.优选的，所述风电机组的叶片处于最低点时距离海平面的距离不小于所需的安全距离；两所述风电机组的叶片之间设置有间隙，所述间隙的长度不小于所述风电机组的叶片的直径长度。
15.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
16.1、本发明由斜立柱和拉索构成内力自平衡体系，代替传统的塔筒；抗拉强度高的拉索承受拉力，斜立柱承受压力，传力途径明确，受力合理，整个结构体系具有良好的承载能力，提高了材料的利用率，节省材料，降低自重。
17.2、本发明由斜立柱与拉索实现了张拉整体结构，呈空间受力状态，所有杆件协同受力；风机运行期间受到的外力，传递给其中一根斜立柱，除了该斜立柱向下传递荷载，也通过水平拉索将部分荷载传递至其他斜立柱，巧妙的将系统所受的外力均匀传递到浮式基础上，提高了装置的结构稳定性。
18.3、本发明由刚性的斜立柱和柔性的张拉索构成，具有刚柔并济的特性，能够减小结构在风浪作用下的运动响应，改善结构动力特性，应对海上复杂气候环境运动响应，为上部风电机组提供更为稳定的工作环境。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
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。
20.图1为本发明张拉整体式海上风力发电支撑结构的等轴测视图；
21.图2为本发明张拉整体式海上风力发电支撑结构的俯视图；
22.图3为本发明张拉整体式海上风力发电支撑结构的前视图；
23.图4为本发明中支撑机构的等轴测视图；
24.图5为本发明中支撑机构的俯视图；
25.图6为本发明中支撑机构的前视图；
26.图7为本发明张拉整体式海上风力发电支撑结构的计算示意图；
27.其中，1、斜立柱；2、斜拉索；3、水平拉索；4、刚性三角支撑；5、法兰；6、浮式基础；7、风电机组；8、锚泊系统。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
29.如图1-7所示，本发明提供一种张拉整体式海上风力发电支撑结构，以三柱九索的张拉整体为例，它包括锚泊系统8、浮式基础6和安装在浮式基础6上的支撑机构，浮式基础6为三棱柱结构，浮式基础6通过锚泊系统8与海底固定；支撑机构包括固定安装在浮式基础6顶部的三根斜立柱1，且三根斜立柱1分别设置于浮式基础6顶端的三个拐角处，任一斜立柱1的顶部安装有两根斜拉索2，两根斜拉索2的底端分别与相邻两根斜立柱1底端的浮式基础6固定连接；相邻两根斜立柱1之间固定安装有水平拉索3，水平拉索3、斜拉索2均设置于斜立柱1的同一连接处，水平拉索3、斜拉索2上均施加有张紧力，水平拉索3、斜拉索2和斜立柱1共同构成空间的索-斜立柱支撑体系，从而达到结构整体的稳定性；三根斜立柱1之间设置有刚性支撑，刚性支撑为刚性三角支撑4，三根斜立柱1与刚性支撑采用螺栓或焊接的方式固定连接，刚性支撑设置于斜立柱1的中下部。
30.进一步的，为保证结构整体更加稳定，斜立柱1朝向浮式基础6顶面的对边倾斜设置，三根斜立柱1呈空间对称分布；利用交错设置的三根斜立柱1，可以在刚性支撑的下方再次构成三角形结构，从而使三根斜立柱1在斜拉索2、水平拉索3的作用下相互支撑，并配合刚性三角支撑4的使用，从而使结构整体更加稳定；同时在任意两根斜立柱1的顶端固定安装有悬挑支撑平台，悬挑支撑平台用于安装风电机组7，且两组风电机组7朝向一致；且悬挑支撑平台沿水平方向设置，悬挑支撑平台与斜立柱1之间的夹角为钝角。由于两组风电机组7朝向一致，因此风电机组7在风带动下的阻力基本一致，从而避免或减小作用在结构整体上的作用力，保证结构整体的稳定性。
31.进一步的，浮式基础6包括三个浮筒，三个浮筒呈三角形布置，相邻两浮筒通过连接梁进行固定；固定安装在同一浮筒上的两个斜拉索2呈等腰三角形布置，且斜拉索2与斜立柱1顶部的连接点位于同一高度。
32.如图4-6所示，图中所有节点的字母ai、bi(i＝1、2、3)等点的坐标是决定张拉整体
形状的主要参数，如节点a
1-a2之间的长度，可根据浮式基础的几何参数取值。
33.进一步的，由斜立柱1上部端点构成的三角形与由斜立柱1底部端点构成的三角形的相对转角θ为55
°
～65
°
。
34.如图7所示，对于由三个斜立柱1的张拉整体支撑结构，斜立柱1的长度l
斜立柱
可根据支撑结构高度h、斜立柱1顶部三个端点ci(i＝1，2，3)形成的三角形边长l
上
(图7中顶部细虚线)、斜立柱1底部三个端点ai形成的三角形边长l
下
(图7中底部细虚线)以及上下两个三角形的相对转角θ(图7中双点划线)确定，斜立柱1的长度l
斜立柱
可用下式计算：
[0035][0036]
进一步的，为延长拉索的使用寿命，对水平拉索3、斜拉索2的表面均进行防腐处理。
[0037]
进一步的，斜立柱1的底部通过法兰5与浮式基础6固定连接，斜立柱1的中下部与刚性支撑通过螺栓连接或焊接连接，刚性支撑的材质为圆钢管、型钢、桁架中的一种。
[0038]
进一步的，为避免风电机组7在运行过程中受到干扰，风电机组7的叶片处于最低点时距离海平面的距离不小于所需的安全距离；两风电机组7的叶片之间设置有间隙，间隙的长度不小于风电机组7的叶片的直径长度。
[0039]
本发明张拉整体式海上风力发电支撑结构的安装方法，包括以下步骤：
[0040]
步骤1：在斜立柱1顶部端点处安装悬挑支撑平台，悬挑支撑平台与斜立柱1呈现曲棍球球杆形状；
[0041]
步骤2：在浮式基础6上安装三个斜立柱1，并使三个斜立柱1顶端的端点沿同一方向旋转设置，使斜立柱1的中间位置距离满足刚性三角支撑4的长度，便于刚性三角支撑4的安装；
[0042]
步骤3：在斜立柱1中间位置焊接或者螺栓连接刚性三角支撑4，刚性三角支撑4可以是圆钢管、型钢、桁架等刚性构件中的一种；
[0043]
步骤4：在三个斜立柱1顶部端点下方安装水平拉索3和斜拉索2，水平拉索3呈三角形分布，斜拉索2的底端分别与浮式基础6的两个相邻浮筒铰接连接，对水平拉索3和斜拉索2施加初始预应力，保证结构初具有一定的刚度，能够承受结构自重以及两个风力发电机的自重荷载；
[0044]
步骤5：在悬挑支撑平台安装风电机组7，根据设计要求，再次张拉水平拉索3和斜拉索2，保证拉索中预应力值达到设计值。
[0045]
以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种张拉整体式海上风力发电支撑结构，其特征在于，包括锚泊系统(8)、浮式基础(6)和安装在所述浮式基础(6)上的支撑机构，所述浮式基础(6)通过所述锚泊系统(8)与海底固定；所述支撑机构包括固定安装在所述浮式基础(6)顶部的若干根斜立柱(1)，任一所述斜立柱(1)的顶部安装有两根斜拉索(2)，两根所述斜拉索(2)的底端分别与相邻两根所述斜立柱(1)底端的所述浮式基础(6)固定连接；相邻两根所述斜立柱(1)之间固定安装有水平拉索(3)，所述水平拉索(3)、所述斜拉索(2)均设置于所述斜立柱(1)的同一连接处，所述水平拉索(3)、所述斜拉索(2)上均施加有张紧力，所述水平拉索(3)、所述斜拉索(2)和所述斜立柱(1)共同构成空间的索-斜立柱支撑体系；若干根所述斜立柱(1)之间设置有刚性支撑，若干根所述斜立柱(1)均与所述刚性支撑固定连接，所述刚性支撑设置于所述斜立柱(1)的中下部。2.根据权利要求1所述的张拉整体式海上风力发电支撑结构，其特征在于，所述浮式基础(6)为三棱柱结构，所述斜立柱(1)的数量设置有三根，且三根所述斜立柱(1)分别设置于所述浮式基础(6)顶端的三个拐角处，所述刚性支撑为刚性三角支撑(4)。3.根据权利要求2所述的张拉整体式海上风力发电支撑结构，其特征在于，所述斜立柱(1)朝向所述浮式基础(6)顶面的对边倾斜设置，三根所述斜立柱(1)呈空间对称分布；任意两根所述斜立柱(1)的顶端固定安装有悬挑支撑平台，所述悬挑支撑平台用于安装风电机组(7)，且两所述风电机组(7)朝向一致。4.根据权利要求3所述的张拉整体式海上风力发电支撑结构，其特征在于，所述悬挑支撑平台沿水平方向设置，所述悬挑支撑平台与所述斜立柱(1)之间的夹角为钝角。5.根据权利要求2所述的张拉整体式海上风力发电支撑结构，其特征在于，所述浮式基础(6)包括三个浮筒，三个所述浮筒呈三角形布置，相邻两所述浮筒通过连接梁进行固定；固定安装在同一所述浮筒上的两个所述斜拉索(2)呈等腰三角形布置，且所述斜拉索(2)与所述斜立柱(1)顶部的连接点位于同一高度。6.根据权利要求3所述的张拉整体式海上风力发电支撑结构，其特征在于，由所述斜立柱(1)上部端点构成的三角形与由所述斜立柱(1)底部端点构成的三角形的相对转角为55
°
～65
°
。7.根据权利要求1所述的张拉整体式海上风力发电支撑结构，其特征在于，所述水平拉索(3)、所述斜拉索(2)的表面均进行防腐处理。8.根据权利要求1-7任一项所述的张拉整体式海上风力发电支撑结构，其特征在于，所述斜立柱(1)的底部通过法兰(5)与所述浮式基础(6)固定连接，所述斜立柱(1)的中下部与所述刚性支撑通过螺栓连接或焊接连接，所述刚性支撑的材质为圆钢管、型钢、桁架中的一种。9.根据权利要求3所述的张拉整体式海上风力发电支撑结构，其特征在于，所述风电机组(7)的叶片处于最低点时距离海平面的距离不小于所需的安全距离；两所述风电机组(7)的叶片之间设置有间隙，所述间隙的长度不小于所述风电机组(7)的叶片的直径长度。

技术总结
本发明公开一种张拉整体式海上风力发电支撑结构，涉及海上风电技术领域；本发明包括斜立柱、预应力拉索、刚性支撑、浮式基础和锚泊系统，通过斜立柱和拉索构成一个稳定的自平衡空间支撑结构，斜立柱向外倾斜，斜立柱上部与预应力拉索连接，斜立柱底端与浮式基础连接，斜立柱中间部位采用刚性支撑连接，浮式基础通过锚泊系统与海底固定。本发明无需传统设计中的塔筒，通过斜立柱的支撑，保证所有的拉索处于受拉状态，传力明确，受力合理，利用拉索具有较高的抗拉强度，充分发挥了材料的特性，降低用钢量；本发明中的张拉整体支撑体系，刚柔并济，有效改善海上风电结构的振动问题；本发明具有受力合理、稳定性好、承载力高、经济效益优良的特点。良的特点。良的特点。


技术研发人员：张建华 汪帅争 孙科 赖跃琦 张艺巍 李志川 祁雷 李宁 唐朝
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/6/4