具有浮动基座的风力涡轮机的制作方法

1.本发明涉及如在随附权利要求1的前序部分中限定的一种浮动式风力涡轮机。


背景技术：

2.现有技术中海基风力涡轮机多年来已为人所知。这些风力涡轮机可以分为两种类型，即具有被放置于海床上的基座的涡轮机以及在水中浮动且仅通过系泊装置附接到海床的涡轮机。后一种涡轮机可以相对于海床移动远至系泊装置所允许的地方。第一台全尺寸浮动式风力涡轮机迟于2009年被布设。
3.由于陆基风力涡轮机对环境的影响，近年来针对陆基风力涡轮机的批判增加，海基风力涡轮机作为替代方案正变得越发引人关注。
4.然而，海基风力涡轮机在安装和维护这两者上都比陆基涡轮机更昂贵。多年来，已经进行了很多尝试来将海基风力涡轮机设计得更便宜但仍可靠且耐用。
5.无论是陆上还是海上都存在两种主要类型的风力发电机，上风向(up-wind，逆风)发电机和下风向(down-wind，顺风)发电机。上风向发电机使机舱前方的涡轮叶片面向风，而下风向发电机的叶片位于机舱后方并且背朝风。上风向发电机到目前为止是最常见的，但在特定场景中也会使用下风向发电机。
6.在极强的风中，风力涡轮发电机的涡轮叶片会在巨大的力作用下屈曲。在下风向涡轮机的情况下，叶片远离塔筒(mast，桅杆、柱)进行屈曲，这阻止了叶片撞到塔筒上。上风向发电机需要被设计为使得叶片被定位在距塔筒合适的距离处，并且叶片也必须被制造为不可屈曲的(这会花更多钱)。另外，当下风向发电机的叶片弯曲时，塔筒上的应力会减少，因为风能在叶片弯曲时有损耗。最终，下风向发电机不需要机尾(或电动偏航机构)来使机尾对准风，因为叶片执行了这一任务。
7.与等同的上风向构造相比，下风向发电机使叶片的质量和成本降低。
8.另一方面，下风向发电机通常噪声较大，并且叶片承受的力比上风向发电机的叶片承受的力多。下风向发电机的另一个严重的缺点是塔筒后方的背风区，在叶片每次经过塔筒后方时会引起电力下降。
9.设计和建造浮动式下风向涡轮机比上风向涡轮机明显更加简单。必须通过旋转机舱来持续控制上风向涡轮机，以使转子保持迎风，因为作用在涡轮机上的风会试图使整个浮动基座旋转并将转子带离转子的迎风定向。
10.由于上述原因，上风向发电机比下风向发电机更重且更复杂。另一方面，上风向发电机在性能上具有明显优点。因此，长期以来上风向发电机都是陆基风力涡轮机的优选类型发电机，而上风向发电机的批量生产使得上风向发电机比下风向发电机更便宜也更容易获得。结果是对于浮动式安装而言，更轻且更方便的下风向发电机事实上变得比上风向发电机昂贵得多。下风向发电机必须是定制的，而且难以想象在不久的将来对这种发电机的批量生产。不可能单纯地拿来上风向发电机并将其改装为像下风向发电机一样运行，因为推力轴承会处于转子的错误的一侧。改变推力轴承的位置将涉及对发电机进行完全的再设
计。
11.尽管现有技术中已知了很多式样的浮动式风力涡轮机，但是已知的浮动式涡轮机设计几乎都是下风向涡轮机。浮动式风力涡轮机产业仍然很小，并且将要花费很多年才能使布设数量达到使下风向发电机的批量生产可行的体量。
12.在浮动式风力涡轮机的大量选择中有下述：
13.us10259542示出了一种在其角部处具有中空柱形式的浮力本体的浮动结构。风力发电机塔被布置为与每个角部等距。并未声明该风力发电机塔是上风向发电机或下风向发电机，但其可能是下风向发电机。如果该风力发电机塔是上风向的，在风作用在风力发电机上时很难使浮动结构免于旋转。至少该风力发电机塔必须具有偏航机构来使机舱持续迎风旋转。另外，发电机被布置在单独的、自支撑的塔的顶部。该塔必须坚固以经受作用在转子上的风所施加的巨大应力，这意味着塔及其与基座的附接件将会是沉重的。
14.cn108385708a示出了一种具有多台风力发电机的浮动结构。该浮动结构被系泊在单独的中心点处。由于浮动结构承受风时会旋转，因此发电机必须是下风向发电机。就us10259542而言，发电机位于自支撑的塔的顶部，因此结构沉重。
15.ep2789848b1示出了一种上风向发电机。由该引用文件的发明解决的问题是将浮动结构牢固地系泊。为了实现这一目的，部署了一种精密且可能拉得很紧的系泊系统。系泊力会需要非常稳固的浮动结构，该浮动结构因此会变得沉重且昂贵。就前述的方案而言，发电机处于自支撑的塔的顶部，因此结构会沉重。
16.us20170190391a1示出了一种具有浮动结构的下风向双叶片发电机，该浮动结构被系泊于发电机的上风向侧上的单独点处。在这一方案中，发电机被布置在由后牵索支撑的塔筒的顶部处。这确保了较轻的构造，但必须注意后牵索不能干扰转子。
17.us9976540示出了一种在上风侧和下风侧都被支撑的风力发电机。这需要定制的发电机。这样的浮动结构类似于us20170190391a1。
18.us20190211804a1示出了一种具有两台下风向涡轮机的浮动基座。y形的塔筒由后牵索支撑。
19.us20170218919a1示出了一种浮动基座，该浮动基座具有布置于三个角部的各角部处的三台或更多台上风向涡轮机。单独的系泊点被定位成距离发电机中两台发电机比距离第三台发电机近，使得风将浮动件转动直至转子是上风向的。转子布置在自支撑的塔的顶部，这需要沉重且牢固的结构。
20.wo2019234490a1示出了一种具有下风向发电机的浮动基座。该方案与us20170190391a1非常相似。
21.ep3388664a1示出了一种具有两台上风向发电机的浮动基座。基座系泊于风力发电机上风向的单独的点处。对准意味着例如液压缸被布置成将单独的系泊点相对于基座偏移，以补偿与风向之间的未对准。尽管这样的对准意味着可以确保转子与风更好地对准，但却不可避免地增加了复杂度和重量。此外，风力发电机布置在自支撑的塔上，该塔必须牢固且因此是沉重的。
22.cn108316336a示出了一种具有用于风力发电机的自支撑的塔的浮动基座。基座在水平面上是对称的，因此如果要使用上风向发电机，该基座必须被紧紧系泊。发电机也必须具有偏航机构。自支撑的塔造成结构沉重且牢固。


技术实现要素：

23.因此，本发明的目标在于提供一种浮动式风力涡轮机，该浮动式风力涡轮机即使使用上风向发电机也是重量轻且构造简单的。通过这种重量轻且简单的构造，主要使用市面上容易获取的或可以在大范围的钢结构制造商处生产的部件，可以对风力涡轮机进行批量生产。部件可以在不需要特殊器材的情况下本地组装。
24.这通过随附权利要求1中所限定的特征来实现。
附图说明
25.图1以等距图示出了本发明的浮动式风力涡轮机，
26.图2以侧面立视图示出了图1的风力涡轮机，
27.图3示出了在水体中浮动的图1的风力涡轮机，
28.图4以分解图示出了基座的基部部分，
29.图5示出了在制造过程中涡轮机的桁架结构，以及
30.图6示出了本发明的替代实施方式。
具体实施方式
31.图1以等距图示出了本发明的风力涡轮机的示例性实施方式。涡轮机包括浮动基座1、支撑结构2和发电机3。基座1一般包括：轧制的钢制管状区段，轧制的钢制管状区段与其顶端处的角塔(turret，转塔、台座、转台)4形成大体a形形状；两个第一区段5、6，两个第一区段以约45
°
的分离角从角塔延伸；两个另外的区段7、8，两个另外的区段以平行方式从第一区段5、6的每个第一区段的自由端延伸；以及横向管状区段9，该横向管状区段将两个另外的区段7、8连接。
32.基座1是气密的并且会有足够浮力来支撑该支撑结构2和发电机3。基座1的内部可以被划分为多个隔舱，以允许调整浮力。
33.角塔4容纳有转环(未示出)，系泊线10附接至该转环。系泊线10在相反端部附接到锚固件(未示出)。锚固件可以具有适合于长时间系泊的任何类型，例如吸力锚固件、地桩、拖曳锚固件、蕈形锚固件、螺旋钻或固定负载。线10以垂曲线的样式在锚固件和角塔4之间延伸。这允许基座相对于海床在水平和竖向方向上略微移动。这种类型系泊的系泊力会低于张紧式系泊。
34.支撑结构2包括两根桁架梁11、12。每根梁11、12在横向区段9所附接的地方附近附接到基座1的另外的区段7、8。桁架梁11、12延伸到发电机3，该发电机固定附接到梁11、12。梁11、12可以在其上端部附接至彼此，但也可以通过发电机3彼此联接。
35.在本发明的范围内也能够想到的是使用管道区段替代桁架梁。如下面将阐述的，支撑结构基本上仅承受压缩力。因此，用于支撑结构2的管道区段不需要具有与浮动基座1的管状区段一样的直径和壁厚。
36.支撑结构2还可以包括一组后牵索，例如四条后牵索13、14、15、16。后牵索13、14、15、16从靠近桁架梁11、12上端的地方延伸到另外的管状区段7、8的每个端部。
37.为了使发电机转子不会干扰后牵索13、14、15、16，桁架梁11、12以一角度朝向角塔4倾斜。
38.发电机3包括固定附接到梁11、12上端的机舱17。优选具有三个叶片的转子18可旋转地附接到机舱。机舱和转子两者是标准量产的单元。
39.图2以侧面立视图示出了涡轮机。如在该视图中可以看到的，上风向后牵索13、16实际上在竖向平面内延伸，且转子18也布置在竖向平面内，而桁架梁11、12与竖向平面形成约15
°
的角。下风向后牵索14、15与竖向平面形成约25
°
的角。基座1被设计为基本上水平浮动。
40.图3示出了在海上浮动并且承受波浪的涡轮机。允许波浪漫过基座1的管状区段。由于管状区段的直径相对小，预期来自波浪和水流的力将是小的。这降低了系泊力。
41.桁架梁可以具有与用于起重机臂架的设计相同的设计。众所周知，起重机臂架重量轻但强度大。
42.图4以分解图示出了基座1的实质部分。角塔4基本上包括柱形部分19，该柱形部分具有焊接于柱形部分的侧面的短管状连接件20、21。柱形部分在下端部(未示出)是开放的以接收转环(未示出)，并且在柱形部分的上端部是闭合的。柱形部分19可以具有比连接件20、21大的直径，但该柱形部分优选地由与基座1的剩余管状部分相同的管制成。
43.第一区段5、6与另外的区段7、8是统一轧制的具有相同直径的钢管。因此，这些区段可以由被切割成合适长度的连续长度的管形成。
44.为了将第一区段5、6与另外的区段7、8连接，连接件22、23各自由两个短管件形成，两个短管件以一定角切割并焊接在一起，以用于使第一区段5、6与另外的区段7、8联结的角从彼此延伸。
45.区段5、6、7、8优选通过螺栓连接到连接件。这方便于将部件运输到可以使用简单工具对基座1进行组装的组装地点。然而也可以将部件焊接在一起或使用焊接和螺栓的组合。
46.横向区段9在图4中未示出。该区段是可选的，如果没有证明必须的，可以省去该区段。横向区段9将增强基座1的刚性和浮力。短连接件可以被焊接到另外的区段7、8，以允许横向区段9与另外的区段7、8的螺栓连接。
47.管区段优选被制成气密的，例如通过在区段内部靠近管区段各端部焊接隔板(未示出)。如果期望将区段划分为另外的隔舱，可以在管内部焊接另外的隔板。如果期望能够调整浮力，可以在管区段上的合适位置处制造用于阀门的洞(未示出)，以允许空气和/或水流进或流出管区段中的隔舱。
48.管区段5-8应当在组装前被压力测试。
49.图5示出了桁架梁11、12的一部分。这些梁优选沿其长度具有相同的截面，使得桁架梁可以由完全相同的桁架区段制造。每个桁架区段优选通过焊接机器人在流水生产线作业中被焊接。桁架区段优选通过螺栓连接到完整的梁。如上所述，可以使用管道区段来代替桁架区段。
50.尽管示出了用于桁架梁的通过多个倾斜杆25互连的具有四个角部杆24的方形截面，但是桁架梁可以具有任何合适的截面，例如三角形。
51.桁架梁优选地螺接到基座、彼此螺接并且螺接到机舱。
52.涡轮机的组装可以如下进行：
53.管区段和桁架梁被制成足够短以便于通过传统船只和卡车运输，优选在iso集装
箱中运输。
54.在通常是风力涡轮机可以被转移到安装船只或驳船的港口的组装地点，通过将管区段螺接在一起来组装各部分。转环安装在角塔的柱形部分19内。组装可以在岸上完成并且随后将完整的风力涡轮机运到船只或驳船上，或者可以在船只或驳船的甲板上完成组装。在后一种情形下，在船只或驳船驶向安装地点时可以至少部分地完成组装。
55.当管区段5-8被螺接在一起后，桁架区段11、12被组装并连接到基座1。
56.缆线13-16随后在其下端部处连接到基座并在其上端部处连接到(或者接近)桁架梁的上端部。缆线可以替代地连接到机舱。缆线被张紧到预定的张力。缆线确保了桁架梁始终被保持在压缩状态，因为缆线基本上承受了所有的力矩。
57.机舱和转子的安装也可以在基座浮动时进行。
58.用于供电和信号的线缆将连接到机舱17并且通过桁架梁11、12被馈电。用于电力线缆的联接件可以方便地安装在桁架梁11、12中的一个桁架梁的下端部，使得可能已经安装在安装地点的供电线可以轻松地在安装后连接到风力涡轮机。
59.已经部署的系泊线在安装后联接到角塔4。
60.通过将风力涡轮机从甲板升起并入水来部署风力涡轮机，或者通过使风力涡轮机所在的驳船压载水排放，直到风力涡轮机浮动来部署该风力涡轮机。
61.当部署风力涡轮机时，测试该风力涡轮机的功能，并使风力涡轮机被升起以产生电能。
62.钢管区段和桁架梁由选定的钢种制造，该钢种在海洋油气行业中因耐受恶劣条件和盐水而闻名多年。当达到检查和维护这些结构的时机时，风力涡轮机可以被带到船舶甲板上并且在甲板上被维护或者被带回岸上。也可以将风力涡轮机拖曳到岸上。
63.机舱的维护可以通过攀爬桁架梁11、12内的梯子(未示出)来完成。也可以在桁架梁11、12的内部安装升降梯，来将人员和部件带到机舱。
64.如果需要更换转子叶片，可以通过在风力涡轮机浮动时或者通过将涡轮机带到船舶的甲板上来将叶片从风力涡轮机上吊起(正如当今大部分海基风力涡轮机的一般惯例那样)。
65.图6示出了本发明的替代实施方式。该实施方式与图1至图5的实施方式十分相似，但作出了一些改变。
66.基座1'并非具有五个管状区段，该基座只具有从角塔4'以一定分离角延伸的两个区段5'和6'。支撑结构2'也是由管状区段制成，而非由桁架梁制成。管状区段11'和12'从基座1'的相应侧延伸到发电机3。与图9中所示的形成基座的一部分的区段9不同，图6的实施方式在远离基座1'的位置处具有在支撑结构区段11'和12'之间延伸的横向区段9'。两根倾斜的管状支柱30、31从管状区段11'和12'分别延伸到横向区段9'。
67.接下来角塔4'的高度被延长。这使得基座能够被压载到相对于水面更低的位置。如图6中所示，基座区段5'和6'完全位于水下，而角塔4'伸出水面。这样由角塔和支撑结构区段11'和12'的截面面积所组成的水平面面积很小。水平面面积小产生了提高的稳定性并且使得浮动结构受波浪作用的影响更小。
68.的确可以将图1至图5的实施方式和图6的实施方式的特征结合起来，例如在图6的实施方式中使用桁架梁，或使图1至图5的角塔4延长来使得基座能被压载到水面以下的位
置。
69.利用上述设计，可以通过使用标准部件或至少在标准化生产范围内的部件来制造风力涡轮机。也减少了部件的数量。这可观地降低了制造成本和时间。
70.与已知设计相比，作为成本中重要部分的材料用量(钢材重量)也被降低。这也减少了对环境的冲击。
71.生产可以在几乎任何存在工程产业的地方完成。这便于靠近部署地点进行生产，对于整体环境冲击有重要作用。
72.风力涡轮机设计是可伸缩的并且仅受可用的机舱和转子的尺寸的限制。
73.由于角塔，基座1会随着水流和波浪转动，使得角塔将会面向到来的水流和波浪。由于水流、波浪和风一般来自大致相同的方向，所以风几乎始终为转子近似上风向。在一些情景中，风的方向会轻微有别于水流和波浪的方向，但这一差别极少超过几度。这总体上对于整体性能没有什么重要作用。因此，偏航机构或其它用来使转子保持迎风的激活装置已经被免去。

技术特征：
1.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机具有浮动基座(1)、支撑结构(2)和发电机(3)，所述发电机(3)包括机舱(17)和转子(18)；所述发电机(3)为上风向发电机，其中所述浮动基座(1)由统一直径的钢制的管状区段(5、6、7、8)组装，所述管状区段(5、6、7、8)形成框架，所述框架在所述框架的一个角部处具有系泊角塔(4)，所述框架大致位于一个平面内；所述支撑结构(2)具有基本上横向于所述浮动基座(1)的所述平面延伸的至少两个梁(11、12)，所述梁在第一端部处连接到所述基座的框架的相应的相对侧，并且所述梁在第二端部处连接到所述机舱(17)，所述支撑结构(2)与所述浮动基座(1)一起形成三角形，其中所述机舱(17)以固定的方式安装在所述三角形的顶端处。2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述支撑结构(2)还包括张紧的后牵索(13、14、15、16)，所述后牵索支撑所述梁(11、12)并确保所述梁(11、12)基本上仅承受压缩力。3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述支撑结构梁(11、12)是由桁架工作区段组装的。4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述支撑结构梁(11、12)是由管道区段组装的。5.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述基座具有大致的a形形状，其中所述角塔(4)位于所述a形形状的顶端处，以及所述梁(11、12)被附接成靠近在所述a形形状的两个腿状部(7、8)之间延伸的横向区段(9)的各端部。6.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述浮动基座(1)包括通过螺栓连接件而彼此连接的笔直的管状区段(5、6、7、8)。7.根据权利要求1至5中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述浮动基座包括通过焊接而彼此连接的笔直的管状区段(5、6、7、8)。8.根据权利要求6或7所述的风力涡轮机，其中，所述连接件包括由与所述管状区段(5、6、7、8)相同类型的管状钢材制成的连接件(20、21、22、23)。9.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述管状区段(5、6、7、8)中的每个管状区段具有提供浮力的至少一个气密隔舱。10.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中，所述桁架梁(11、12)是由相同的桁架区段组装的，所述桁架区段通过机器人焊接制造并且通过螺栓连接件而彼此连接。11.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述角塔(4')具有足够的高度伸出水平面，而所述基座(1')的剩余部分处于水面以下。12.根据权利要求1至4中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述支撑结构大致为a形形状，其中横向区段(9')在离所述浮动基座(1')一距离处在所述至少两个梁(11'、12')之间延伸。

技术总结
一种风力涡轮机，具有浮动基座(1)、支撑结构(2)和发电机(3)。发电机(3)为上风向发电机。浮动基座(1)由统一直径的钢制的管状区段(5、6、7、8)组装，管状区段形成在一个角部处具有系泊角塔(4)的框架。支撑结构(2)具有基本上横向于浮动基座(1)延伸的至少两个梁(11、12)。梁在第一端部处连接到所述基座的框架的相应的相对侧，并且梁在第二端部处连接到所述机舱(17)。支撑结构(2)与浮动基座(1)形成三角形，其中机舱(17)以固定的方式安装在顶端。支撑结构(2)包括张紧的后牵索(13、14、15、16)，所述后牵索支撑梁(11、12)并确保梁基本上仅承受压缩力。力。力。


技术研发人员：盖尔
受保护的技术使用者：布鲁内尔弗洛丁公司
技术研发日：2021.09.17
技术公布日：2023/7/4