一种用于海上风电基础的抗冰装置及海上风电基础的制作方法

1.本实用新型涉及海上风电技术领域，具体涉及一种用于海上风电基础的抗冰装置及海上风电基础。


背景技术：

2.海上风能是一种分布广泛的清洁能源，海上风电发展能够有效促进能源结构转型，实现经济的清洁和可持续发展。然而在部分海域，冬季海水会出现不同程度的冰冻，海冰在风电基础前可能会产生挤压、压屈、剪切、弯曲等破坏形式，由此引起的冰载荷会对风机基础和风机产生冰激震动，危害风机基础的结构性能和风机的安全运行，因此需要针对海上风电基础设计有效的抗冰装置。
3.目前海上风电领域常用的抗冰装置是在风机基础潮差范围内加装锥体结构，海冰与锥体在相互作用的时候能够将海冰的破坏模式由挤压破坏改变为弯曲破坏模式，由于海冰的弯曲强度小于其抗压强度，因此锥体结构可降低海冰作用在基础结构上的载荷。然而监测发现，海冰弯曲破碎时也会产生冰激振动，进而作用在锥体结构上对风电基础造成不利影响，其原因主要是海冰发生弯曲破碎时每个破碎过程都彼此相似，弯曲破坏模式下的冰载荷周期与风机基础的自振周期接近，从而引起风机基础的强迫振动，使得海上风电基础的抗冰能力较差。


技术实现要素：

4.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的海上风电基础抗冰装置无法减小海冰弯曲破坏时产生的冰载荷，且弯曲破坏时每个破碎过程彼此相似，使得冰载荷周期与风机基础的自振周期接近，容易引起风机基础的强迫振动的缺陷，从而提供一种能够有效降低海冰弯曲破坏引起的载荷，避免风机基础结构的强迫振动，提高海上风电基础的抗冰能力的抗冰装置及海上风电基础。
5.为了解决上述问题，在第一方面，本实用新型提供了一种用于海上风电基础的抗冰装置，所述抗冰装置包括锥体结构和设置在所述锥体结构上的破冰结构，所述破冰结构包括条形破冰板和环形破冰板，所述条形破冰板包括形状和/或尺寸不同的多个条形破冰板，多个所述条形破冰板沿所述锥体结构的周向间隔排布设置在所述锥体结构的外周壁上；所述环形破冰板环绕固定在所述锥体结构外周壁上，且连接在多个所述条形破冰板之间，所述环形破冰板的外周面被构造为中间外凸的锥面结构。
6.可选地，所述条形破冰板包括形状和/或尺寸不同的第一条形破冰板和第二条形破冰板；第一条形破冰板和第二条形破冰板分别为多个，多个所述第一条形破冰板和第二条形破冰板沿所述锥体结构的周向交错排布在所述锥体结构的外周壁上；所述环形破冰板连接在多个所述第一条形破冰板和第二条形破冰板之间。
7.可选地，多个所述条形破冰板沿所述锥体结构的周向均匀间隔分布。
8.可选地，所述环形破冰板的截面呈v型或三角形状。
9.可选地，所述锥体结构包括上圆锥体和下圆锥体，所述上圆锥体和下圆锥体分别具有大口径端和小口径端，所述上圆锥体和下圆锥体的大口径端相对接配合；所述上圆锥体和下圆锥体上分别设置有一个所述环形破冰板和多个所述第一条形破冰板和第二条形破冰板。
10.可选地，设定所述上圆锥体的高度为h1，下圆锥体的高度为h2；设定位于所述上圆锥体上的第一条形破冰板的高度为h3，位于所述下圆锥体上的第一条形破冰板的高度为h4，其中，h3＝h1，h4＝h2；设定位于所述上圆锥体上的第二条形破冰板的高度为h5，位于所述下圆锥体上的第二条形破冰板的高度为h6，其中h5＜h1，h6＜h2。
11.可选地，所述第一条形破冰板和第二条形破冰板均自上圆锥体或下圆锥体的小口径端的边缘位置向靠近大口径端的方向延伸。
12.可选地，以所述上圆锥体和下圆锥体的大口径端相对接的位置所在的平面为参考面，位于上圆锥体上的环形破冰板与所述参考面的距离为h1，其中，h1＝2/3h1，位于下圆锥体上的环形破冰板与所述参考面的距离为h2，其中，h2＝2/3h2。
13.可选地，h5＝0.8h1，h6＝0.8h2。
14.可选地，h1＞h2。
15.可选地，所述上圆锥体和下圆锥体的锥角相同，且设定所述上圆锥体和下圆锥体的锥角为α；设定所述第一条形破冰板的倾角为β1，其中，α《β1《α+5
°
；设定所述第二条形破冰板的倾角为β2，其中，β2《β1，且β
1-β2＜5
°
。
16.在第二方面，本实用新型还提供了一种海上风电基础，包括风机基础和固定设置在所述风机基础上的上述抗冰装置。
17.可选地，所述风机基础呈筒状，抗冰装置的锥体结构套设并固定在所述风机基础上，所述锥体结构与风机基础之间预留有灌浆间隙，所述灌浆间隙的上下两端分别通过环形压板进行封闭。
18.可选地，设定所述风机基础的直径为d,所述条形破冰板的厚度为w，其中w》0.001d。
19.本实用新型具有以下优点：
20.本实用新型提供的抗冰装置，通过在锥体结构外侧加装的多种形状和/或尺寸的破冰板，使得海冰与锥体结构作用发生弯曲破坏时，破冰板能够对海冰施加一个被动的作用力，从而能够减弱海冰弯曲破坏时产生的冰载荷。此外，不同形状和/或尺寸的破冰板能够使得海冰弯曲破坏时受力不均匀，进而使得弯曲破坏时海冰的每个破碎过程彼此不同，改变在破冰装置不同位置处海冰的破碎过程和破碎周期，从而能够有效避免风机基础结构的强迫振动，提高海上风电基础的抗冰能力。因此，能够有效的解决现有技术中的海上风电基础抗冰装置无法减小海冰弯曲破坏时产生的冰载荷，且弯曲破坏时每个破碎过程彼此相似，使得冰载荷周期与风机基础的自振周期接近，容易引起风机基础的强迫振动的问题。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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。
22.图1示出了实施例中海上风电基础的主视图；
23.图2示出了实施例中海上风电基础的轴侧图；
24.图3示出了实施例中海上风电基础的俯视图。
25.附图标记说明：
26.1、锥体结构；11、上圆锥体；12、下圆锥体；13、环形连接边；10、参考面；
27.2、条形破冰板；21、第一条形破冰板；22、第二条形破冰板；20、最大边；
28.3、环形破冰板；
29.4、风机基础；5、环形压板。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
31.在本实用新型的描述中，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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
34.实施例一
35.如图1至图3所示，本实施例提供了一种用于海上风电基础的抗冰装置，所述抗冰装置包括锥体结构1和设置在所述锥体结构1上的破冰结构，破冰结构设置在所述锥体结构1的外壁上，用于破碎冲击海上风电基础的海冰。
36.具体地，所述破冰结构包括条形破冰板2和环形破冰板3，所述条形破冰板2包括形状和/或尺寸不同的多个条形破冰板2，多个所述条形破冰板2沿所述锥体结构1的周向间隔排布设置在所述锥体结构1的外周壁上。需要说明的是，多个所述条形破冰板2中至少具有两种形状和/或尺寸不同的条形破冰板2，即至少具有两种规格的条形破冰板2。所述环形破冰板3环绕固定在所述锥体结构1外周壁上，且连接在多个所述条形破冰板2之间，所述环形破冰板3的外周面被构造为中间外凸的v型锥面结构。
37.在上述方案中，通过在锥体结构1外侧加装的多种形状和/或尺寸的破冰板，使得海冰与锥体结构1作用发生弯曲破坏时，破冰板能够对海冰施加一个被动的作用力，从而能
够减弱海冰弯曲破坏时产生的冰载荷。此外，不同形状和/或尺寸的破冰板能够使得海冰弯曲破坏时受力不均匀，进而使得弯曲破坏时海冰的每个破碎过程彼此不同，改变在破冰装置不同位置处海冰的破碎过程和破碎周期，从而能够有效避免风机基础4结构的强迫振动，提高海上风电基础的抗冰能力。因此，能够有效的解决现有技术中的海上风电基础抗冰装置无法减小海冰弯曲破坏时产生的冰载荷，且弯曲破坏时每个破碎过程彼此相似，使得冰载荷周期与风机基础4的自振周期接近，容易引起风机基础4的强迫振动的问题。
38.在上述实施例中，破冰结构不仅采用了多个形状和/或尺寸不同的条形破冰板2，还在锥体结构1的外周设置了环形破冰板3，通过设置的环形破冰板3一方面可以起到加固所述条形破冰板2的作用，另一方面环形破冰板3其外周面采用中间外凸的锥面形状的设计能够改变海冰的弯曲破坏过程，进一步提高破冰装置的破冰能力。
39.在一些实施例中，所述环形破冰板3的截面呈v型，所述v型的环形破冰板3两端固定在所述锥体结构1上。或者，在另一些实施例中，所述环形破冰板3的截面呈三角形状，所述环形破冰板3的内侧面贴合固定在所述锥体结构1的外周壁上。
40.在一些实施例中，所述条形破冰板2包括形状和/或尺寸不同的第一条形破冰板21和第二条形破冰板22，可以理解的是，本实施例中的所述条形破冰板2采用两种规格的破冰板。当然在其他可替代方案中，所述条形破冰板2也可以采用三种、四种、五种等多种规格的破冰板，本实施例对此不作限定。第一条形破冰板21和第二条形破冰板22分别为多个，多个所述第一条形破冰板21和第二条形破冰板22沿所述锥体结构1的周向交错排布在所述锥体结构1的外周壁上。所述环形破冰板3连接在多个所述第一条形破冰板21和第二条形破冰板22之间。
41.在本实施例中，第二条形破冰板22的长度小于第一条形破冰板21的长度。优选地，所述第一条形破冰板21的高度与锥体结构1的高度保持一致，所述第二条形破冰板22的高度小于锥体结构1的高度。
42.在一些较为优选的实施例中，多个所述条形破冰板2沿所述锥体结构1的周向均匀间隔分布。第一条形破冰板21的数量和第二条形破冰板22的数量相同，且均匀间隔地交替排布在所述锥体结构1的外周。
43.在一些实施例中，第一条形破冰板21和第二条形破冰板22和环形破冰板3可以分别通过焊接的方式连接在锥体结构1上，连接方式简单方便，固定效果牢靠稳固。
44.本实施例中，条形破冰板2和环形破冰板3结构简单，容易加工。同时条形破冰板2和环形破冰板3通过焊接的方式与锥体结构1相连，连接方式简单方便，环形破冰板3的存在还能有效增加条形破冰板2的结构强度。
45.在一些实施例中，所述锥体结构1包括上圆锥体11和下圆锥体12，所述上圆锥体11和下圆锥体12分别具有大口径端和小口径端。所述上圆锥体11和下圆锥体12的大口径端相对接配合。所述上圆锥体11上设置有一个所述环形破冰板3和多个所述第一条形破冰板21和第二条形破冰板22，所述下圆锥体12设置有一个所述环形破冰板3和多个所述第一条形破冰板21和第二条形破冰板22。当然，在其他变形实施方式中，上圆锥体11和下圆锥体12上也可以分别设置两个以上的环形破冰板3。
46.需要说明的是在实际应用时，可根据实际情况来设置第一条形破冰板21和第二条形破冰板22以及环形破冰板3的数量。
47.本实施例通过在海上风电基础的抗冰锥体结构1上加装两种形状的条形破冰板2和一种环形破冰板3，减弱海冰弯曲破坏时产生的冰载荷，同时改变装置不同位置处海冰的破碎过程和破碎周期，有效避免结构的强迫振动，增强海上风电基础的抗冰能力。
48.可选地，设定所述上圆锥体11的高度为h1，下圆锥体12的高度为h2。本实施例中上圆锥体11的高度h1和下圆锥体12的高度h2通过以下公式确定：
49.h1＝what+0.1b+
△h50.h2＝wlat-0.9b
‑△h51.在上述公式中：what和wlat分别为冬季天文潮的最高潮位和最低潮位；b为冰厚；
△
h为施工和测量误差。
52.在一些实施例中，h1＞h2。即，上圆锥体11的高度大于下圆锥体12的高度。
53.进一步地，设定位于所述上圆锥体11上的第一条形破冰板21的高度为h3，其中h3＝h1，位于所述下圆锥体12上的第一条形破冰板21的高度为h4，其中h4＝h2。设定位于所述上圆锥体11上的第二条形破冰板22的高度为h5，其中h5＜h1，位于所述下圆锥体12上的第二条形破冰板22的高度为h6，其中h6＜h2。可以理解的是，第二条形破冰板22的长度小于第一条形破冰板21。优选地，h5＝0.8h1，h6＝0.8h2。
54.可选地，所述第一条形破冰板21和第二条形破冰板22均自上圆锥体11或下圆锥体12的小口径端的边缘位置向靠近大口径端的方向延伸。在本实施例中，第一条形破冰板21自上圆锥体11或下圆锥体12小口径端的边缘延伸至大口径端的边缘处，从而使得第一条形破冰板21的高度能够满足与上圆锥体11或下圆锥体12的高度相同的需求。第二条形破冰板22则短于所述第一条形破冰板21，第二条形破冰板22与上圆锥体11或下圆锥体12大口径端预留有一定的间隔距离。
55.可选地，以所述上圆锥体11和下圆锥体12的大口径端相对接的位置所在的平面为参考面10，位于上圆锥体11上的环形破冰板3与所述参考面10的距离为h1，其中，h1＝2/3h1，位于下圆锥体12上的环形破冰板3与所述参考面10的距离为h2，其中，h2＝2/3h2。
56.可选地，所述上圆锥体11和下圆锥体12的锥角相同，且设定所述上圆锥体11和下圆锥体12的锥角为α。上圆锥体11和下圆锥体12的锥角α在50
°
～65
°
范围内。设定所述第一条形破冰板21的倾角为β1，其中，α《β1《α+5
°
。设定所述第二条形破冰板22的倾角为β2，其中，β2《β1，且β
1-β2＜5
°
，即第二条形破冰板22的倾角小于第一条形破冰板21的倾角，且两者的倾角之差在5
°
之内。
57.在本实施例中，所述上圆锥体11和下圆锥体12的小口径端边沿固定设置有圆筒状的环形连接边13，第一条形破冰板21和第二条形破冰板22均为类似于钝角三角形状的条形板状结构，其中，第一条形破冰板21和第二条形破冰板22的两短边分别固定连接在所述环形连接边13和锥体结构1的外壁上，第一条形破冰板21的最大边20与水平面之间的夹角作为倾角β1，第二条形破冰板22的最大边20与水平面之间的夹角作为倾角β2。
58.本实施例提供的抗冰装置，通过在海上风电基础的抗冰锥体结构1上加装了两种型号的条形破冰板2和一种环形破冰板3，使得海冰与锥体结构1作用发生弯曲破坏时，破冰板会对海冰施加一个被动的作用力，减弱海冰弯曲破坏时产生的冰载荷，同时由于不同规格形状的破冰板的存在，海冰弯曲时受力不均匀，改变了装置不同位置处海冰的破碎过程和破碎周期，能够有效避免风电基础结构的强迫振动，增强海上风电基础的抗冰能力。
59.实施例二
60.如图1至图3所示，本实施例提供了一种海上风电基础，包括风机基础4和固定设置在所述风机基础4上的上述实施例一中的抗冰装置。
61.可选地，所述风机基础4呈筒状，抗冰装置的锥体结构1套设并固定在所述风机基础4上，所述锥体结构1与风机基础4之间预留有灌浆间隙，所述灌浆间隙的上下两端分别通过环形压板5进行封闭。通过在灌浆间隙中灌浆来连接锥体结构1与风机基础4，灌浆间隙上下两侧通过环形压板5进行封闭，减少海水对内部灌浆的冲刷。
62.可选地，设定所述风机基础4的直径为d,所述条形破冰板2的厚度为w，其中w》0.001d。
63.下面结合具体实施方案对本技术的方案进行进一步说明。
64.针对某一受海冰影响的海域，根据h1＝what+0.1b+
△
h，h2＝wlat-0.9b
‑△
h两个公式计算上圆锥体11和下圆锥体12的高度h1和h2，查阅当地海洋水文参数，得到what＝3.48m，wlat＝-2.82m，b＝0.3m，取
△
h＝0.5m，可知h1＝4m,h2＝-3.5m。上圆锥体11和下圆锥体12的锥角α为60
°
。
65.风机基础4的直径为5.5m，设计锥体结构1的内径为5.7m，锥体结构1与风机基础4同轴设置，二者之间形成宽度为0.1m的环形灌浆空间，对该空间进行灌浆施工，锥体结构1与风机基础4，灌浆间隙的上下两侧通过环形压板5进行封闭。在上圆锥体11和下圆锥体12上分别加装八个第一条形破冰板21、八个第二条形破冰板22，一个环形破冰板3。八个第一条形破冰板21、八个第二条形破冰板22在锥体结构1的外周壁上交错均匀分布，破冰板宽度w＝10cm。第一条形破冰板21的倾角β1为65
°
，且高度与锥体结构1高度相同。第二条形破冰板22的倾角为63
°
，且高度为锥体结构1高度的0.8倍。环形破冰板3位于2/3锥体高度处。
66.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

技术特征：
1.一种用于海上风电基础的抗冰装置，其特征在于，所述抗冰装置包括锥体结构和设置在所述锥体结构上的破冰结构，所述破冰结构包括：条形破冰板，包括形状和/或尺寸不同的多个条形破冰板，多个所述条形破冰板沿所述锥体结构的周向间隔排布设置在所述锥体结构的外周壁上；环形破冰板，环绕固定在所述锥体结构外周壁上，且连接在多个所述条形破冰板之间，所述环形破冰板的外周面被构造为中间外凸的锥面结构。2.根据权利要求1所述的用于海上风电基础的抗冰装置，其特征在于，所述条形破冰板包括形状和/或尺寸不同的第一条形破冰板和第二条形破冰板；第一条形破冰板和第二条形破冰板分别为多个，多个所述第一条形破冰板和第二条形破冰板沿所述锥体结构的周向交错排布在所述锥体结构的外周壁上；所述环形破冰板连接在多个所述第一条形破冰板和第二条形破冰板之间。3.根据权利要求1或2所述的用于海上风电基础的抗冰装置，其特征在于，多个所述条形破冰板沿所述锥体结构的周向均匀间隔分布；和/或，所述环形破冰板的截面呈v型或三角形状。4.根据权利要求2所述的用于海上风电基础的抗冰装置，其特征在于，所述锥体结构包括上圆锥体和下圆锥体，所述上圆锥体和下圆锥体分别具有大口径端和小口径端，所述上圆锥体和下圆锥体的大口径端相对接配合；所述上圆锥体和下圆锥体上分别设置有一个所述环形破冰板和多个所述第一条形破冰板和第二条形破冰板。5.根据权利要求4所述的用于海上风电基础的抗冰装置，其特征在于，设定所述上圆锥体的高度为h1，下圆锥体的高度为h2；设定位于所述上圆锥体上的第一条形破冰板的高度为h3，位于所述下圆锥体上的第一条形破冰板的高度为h4，其中，h3＝h1，h4＝h2；设定位于所述上圆锥体上的第二条形破冰板的高度为h5，位于所述下圆锥体上的第二条形破冰板的高度为h6，其中h5＜h1，h6＜h2。6.根据权利要求5所述的用于海上风电基础的抗冰装置，其特征在于，所述第一条形破冰板和第二条形破冰板均自上圆锥体或下圆锥体的小口径端的边缘位置向靠近大口径端的方向延伸。7.根据权利要求5所述的用于海上风电基础的抗冰装置，其特征在于，以所述上圆锥体和下圆锥体的大口径端相对接的位置所在的平面为参考面，位于上圆锥体上的环形破冰板与所述参考面的距离为h1，其中，h1＝2/3h1，位于下圆锥体上的环形破冰板与所述参考面的距离为h2，其中，h2＝2/3h2；和/或，h5＝0.8h1，h6＝0.8h2；和/或，h1＞h2。8.根据权利要求4-7任一项所述的用于海上风电基础的抗冰装置，其特征在于，所述上圆锥体和下圆锥体的锥角相同，且设定所述上圆锥体和下圆锥体的锥角为α；设定所述第一条形破冰板的倾角为β1，其中，α<β1<α+5
°
；设定所述第二条形破冰板的倾角为β2，其中，β2<β1，且β
1-β2＜5
°
。9.一种海上风电基础，其特征在于，包括风机基础和固定设置在所述风机基础上的上
述权利要求1-8任一项所述的用于海上风电基础的抗冰装置。10.根据权利要求9所述的海上风电基础，其特征在于，所述风机基础呈筒状，抗冰装置的锥体结构套设并固定在所述风机基础上，所述锥体结构与风机基础之间预留有灌浆间隙，所述灌浆间隙的上下两端分别通过环形压板进行封闭；和/或，设定所述风机基础的直径为d,所述条形破冰板的厚度为w，其中w>0.001d。

技术总结
本实用新型涉及海上风电技术领域，具体涉及一种用于海上风电基础的抗冰装置及海上风电基础，抗冰装置包括锥体结构和设置在锥体结构上的破冰结构，破冰结构包括：条形破冰板，包括形状和/或尺寸不同的多个条形破冰板，多个条形破冰板沿锥体结构的周向间隔排布设置在锥体结构的外周壁上；环形破冰板，环绕固定在锥体结构外周壁上，且连接在多个条形破冰板之间，环形破冰板的外周面被构造为中间外凸的锥面结构。通过在锥体结构上加装至少两种规格形状的条形破冰板和环形破冰板，能够有效的减弱海冰弯曲破坏时产生的冰载荷，同时改变装置不同位置处海冰的破碎过程和破碎周期，有效避免结构的强迫振动，增强海上风电基础的抗冰能力。力。力。


技术研发人员：张子良
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/7/23