一种混合型漂浮式风机基础的制作方法

本实用新型涉及海上风力发电技术领域，具体涉及一种混合型漂浮式风机基础。

背景技术：

随着人类对风力资源的开发，海上风电的发展也从近海走向了远海，出现了多种海上漂浮式风机基础形式。其中主要的基础形式有四种，分别为半潜式、驳船式、spar(单柱式)、和tlp(张力腿式)。

半潜型漂浮式风机基础以美国的半潜型漂浮式风机基础windfloat为例，该基础是由三个立柱组成的半潜结构，立柱之间通过横撑连接并通过斜撑加强，结构形式上属于板梁结构与管结构的混合。

驳船型漂浮式风机基础以ideol公司设计的带阻尼池的驳船型漂浮式风机基础为例，该型基础由回字型的浮筒和三点系泊系统组成，在回型基础的一个侧边安装风机塔架，其他三个边均为浮筒结构，风机运行过程中的姿态可通过浮筒结构内部的压载及系泊锚链系统来控制。

spar形式以英国的hywind项目为例，该项目的漂浮式基础由一个装满压载的钢桶组成。它在水面下方延伸约80米，并通过三点系泊连接到海底。

张力腿式以pelastartlp项目为例，整个基础由浮体部分、张力腱系统两大部分组成。浮体上部与风机塔筒连接，下部伸出若干悬臂浮箱结构提供浮力并与张力腱实现连接。张力腱连接到海底，提供抗倾覆的恢复力。张力腿式基础是利用绷紧状态下的张力筋腱产生的拉力与平台的剩余浮力相抗衡。

为了保证漂浮式风机机组的正常运行，基础的作用体现在：1、提供稳性，使得风机在风浪流载荷的联合作用下不会倾覆；2、风机不能漂离预定位置太远，因为一个风场内有很多风机，这样会互相影响。另外，风机需要批量化生产，对基础经济性的要求也要高于传统的海洋平台。从这三点来考虑，现有的这几种基础形式都存在一定的不足。

半潜式和驳船式基础的优点是适应水深范围广，建造运输方便，安装定位灵活性高，通用性强。但是为了保证风机在较大的风载和波浪载荷作用下稳定运转，通常尺寸巨大，以抵抗较大的倾覆力矩。以6mw级别的风机机组为例，通常这两种形式的基础，钢材和混凝土的用量在6000-8000吨左右。另外，为了使风机不会漂离既定工作位置，这两种基础形式都需要采用系泊系统进行定位，通常需要6-12根系泊缆，同样增加了成本。

spar基础最大的优点是稳性好，由于其长度很长，可以保证平台重心位于排水部分的浮心以下。以hywind项目为例，立柱总长超过200m，水下部分有80m，但这也使的spar通常只能在100m以上水深的海域工作。中国近海的水深通常只有30-70m左右，spar形式的基础并不适合。spar形式的基础还有一个缺点就是抗偏航力矩的能力较弱，这是由于其外形是圆柱形，在轴向旋转时水的阻力很小。而风机经常需要偏航调整姿态，这使得风机和基础之间的耦合运动和控制变得比较复杂。spar同样需要系泊系统进行定位，而且由于其适用的水深较深，因此系泊缆的长度更长张开的面积也更大，增加了风场内风机布置的困难。

tlp基础的重量轻而且运动响应性能好。但是其抗倾覆的能力完全由张力腱提供，因此抗极限载荷的能力不够好。而且如果其中一根张力腱发生断裂，会对风机的稳定性造成很严重的影响，这也不利于其在风电市场的推广应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种水动力性能和经济性好，通用性高的混合型漂浮式风机基础。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种混合型漂浮式风机基础，其，包含：塔架；支撑平台，其连接于所述塔架的底部；若干根首尾连接的周向支撑梁，其环绕于所述支撑平台的外侧；若干根倾斜支撑梁，其第一端连接所述塔架，第二端连接于所述的周向支撑梁的首尾连接处；若干根径向支撑梁，所述径向支撑梁的第一端连接所述的周向支撑梁的首尾连接处，第二端连接所述的支撑平台；若干个浮筒，其设于所述周向支撑梁的首尾连接处的上方，并与所述的周向支撑梁的首尾连接处通过连接件柔性连接。

较佳地，所述的风机基础还包含：2～3根张力腱，所述支撑平台的底部通过所述的张力腱与海底相连。

较佳地，所述的支撑平台的内部设有隔舱，所述的支撑平台的底部灌注有混凝土或压载水。

较佳地，所述的浮筒的内部设有压载水舱。

较佳地，所述的浮筒的直径为7～12m，所述浮筒的高度比所述风机基础安装海域的最高和最低天文潮的潮差高5～8m。

较佳地，所述的连接件为钢缆。

较佳地，所述的周向支撑梁和所述的径向支撑梁均水平设置。

较佳地，所述的周向支撑梁、所述的倾斜支撑梁及所述的径向支撑梁分别设置3～6根。

较佳地，所述的周向支撑梁、所述的倾斜支撑梁及所述的径向支撑梁分别设置有4根。

较佳地，所述的周向支撑梁等长、所述的径向支撑梁等长、所述的倾斜支撑梁等长；所述的倾斜支撑梁与所述塔架的轴向中心线等夹角分布。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型吸取了多种漂浮式基础的优点，取长补短，水动力性能和经济性好，通用性高；在发电机机组级别确定的情况下，可以同时设计出满足要求的基础尺寸；针对不同风场的海域和风况，只需要改变浮筒的尺寸、钢缆的规格和张力腱的长度数量即可，这样有利于降低成本而且可以缩短交付时间。

(2)基础的抗倾覆力矩主要由支撑平台外围的浮筒的浮力提供，这点类似于半潜式平台，但是浮筒和支撑平台之间通过钢缆柔性连接；四根倾斜支撑梁保证了结构的强度，因此可采用较小截面尺寸、较大长度的支撑梁以提供足够的抗倾覆力矩，同时可以减轻基础重量。

(3)基础底部通过2-3根张力腱与海底相连，以限制风机的水平位移，这点类似于张力腿式平台，但张力腱并不提供抗倾覆力矩，因此即使发生一根张力腱断裂，也不会影响风机整体的稳性，修复处理也更为简单。

(3)浮筒的高度可以保证在水位改变时，浮筒仍然可以提供足够的抗倾覆力矩；往浮筒内部加入压载水可以改变浮筒提供的浮力，并且浮筒仍然能够提供足够的抗倾覆力矩。

(4)和塔架相连的倾斜支撑梁既加强了塔架的抗弯强度，又可以有效的防止涡激振动的发生。

附图说明

图1为本实用新型的混合型漂浮式风机基础的结构示意图。

图2为本实用新型的混合型漂浮式风机基础在水位改变时的使用状态示意图。

图3为塔架和支撑平台的连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，本实用新型的混合型漂浮式风机基础包含：塔架11，塔架11上方连接有风轮9及机舱10；支撑平台1，其连接于所述塔架11底部；若干根首尾连接的周向支撑梁4，其设于所述支撑平台1外侧，环绕所述支撑平台1并且水平设置；若干根倾斜支撑梁2，其第一端连接所述塔架11，第二端连接于所述的周向支撑梁4的首尾连接处；若干根水平设置的径向支撑梁3，所述径向支撑梁3的第一端连接所述的周向支撑梁4的首尾连接处，第二端连接所述的支撑平台1；若干个浮筒5，其设于所述周向支撑梁4的首尾连接处的上方，并与所述的周向支撑梁4的首尾连接处通过连接件柔性连接；2～3根张力腱8，所述支撑平台1的底部通过所述的张力腱8连接于打入海底13的桩，实现与海底13的连接。连接浮筒5与周向支撑梁4的首尾连接处的连接件为钢缆6。

本实用新型中，“混合型”是指风机基础具有半潜式及张力腿式等风机基础的结构特点，但又与典型的风机基础形式在结构上有所不同。

所述的支撑平台1为柱形，直径为8～12m。塔架11底部柱形支撑平台1是上部风机塔架11结构的基础支撑平台。图3为塔架11和支撑平台1的连接示意图。支撑平台1内部可设置隔舱，隔舱内既能安装必要的工程辅助设备，也可作为压载水舱用于调整平台的浮力。支撑平台1底部可灌注混凝土，即在支撑平台1底部设置混凝土压载7，用于调整平台的浮心，保证基础支撑平台1具有较好的稳性。

本实用新型的风机基础在支撑平台1和塔架11的外围，安装了多根水平设置或倾斜设置的支撑梁。支撑梁由钢质筒形结构组成，互相之间采用焊接连接，支撑梁和塔架以及支撑梁和支撑平台1之间可采用焊接连接或者锚栓连接。倾斜支撑梁2、径向支撑梁3及周向支撑梁4需安装3套以上(通常为3-6套)。

图1中，支撑梁设有4套。以支撑平台1为中心，采用4根等长的周向支撑梁4首尾连接为矩形结构，首尾连接处与倾斜支撑梁2连接，倾斜支撑梁2另一端连接于塔架11。倾斜支撑梁2等长并且与所述塔架11的轴向中心线等夹角分布，即每根倾斜支撑梁2与塔架11的轴向中心线的夹角相等。和塔架11相连的倾斜支撑梁2既加强了塔架11的抗弯强度，又可以有效的防止涡激振动的发生。等长的径向支撑梁3的第一端连接所述的周向支撑梁4的首尾连接处，第二端连接所述的支撑平台1。图1的支撑梁的布置方式形成对称结构并且支撑梁之间形成多个三角形，确保了支撑梁的强度。

请继续参阅图1，所述的浮筒5设于周向支撑梁4的首尾连接处的上方，即浮筒5通过钢缆6连接于周向支撑梁4外端的四个角处。浮筒5的上部露出海平面12，下部安装有连接钢缆6的钩锁。一些实施例中，所述的浮筒5的内部设有压载水舱。按照设计要求，浮筒5内部可以完全不加入压载水或者注入部分压载水，主要用于为支撑平台1提供抗倾覆力矩及部分浮力。

风机基础底部通过2-3根张力腱8与海底13相连，张力腱8本身不提供恢复力，仅仅用于限制风机的水平位移，因此不需要分开布置，采用多根的原因仅仅是为了保证设计余量。

实施例1

实施例1的混合型漂浮式风机基础的塔架11底部采用柱形支撑平台1，平台可为圆形或多边形截面，直径为8～12m，支撑平台1底部采用混凝土或压载水灌注，平台的吃水最少为25m。

支撑平台1附属的倾斜支撑梁2和水平支撑梁(径向支撑梁3和周向支撑梁4)安装有4套。周向支撑梁4首尾连接为矩形结构。支撑梁为圆柱或圆台形。径向支撑梁3的长度为40～80m，圆截面直径为1.5～4m。支撑梁通过焊接连接，支撑梁内侧通过焊接或螺栓与基础支撑平台1或塔架11连接。

周向支撑梁4的外端四个角的垂直方向上，安置有钢质的浮筒5。浮筒5可采用柱形、球形、锥形等，结构截面可采用圆形或多边形等形状，直径为7～12m。浮筒5的高度要比当地最高和最低天文潮的差高5～8m，上部预留3～5m的干弦高度，底部通过钩锁等装置连接于钢缆6一端。钢缆6用于浮筒5与支撑梁之间的连接，可采用多根钢缆6进行组合，实现500t以上的承载力。该型漂浮式风机基础的总排水量约为3500-5500吨。

本实用新型的漂浮式基础相对现有的漂浮式基础结构而言，主要特征有以下几点：

(1)基础的抗倾覆力矩主要由基础平台即支撑平台1外围的浮筒5的浮力提供，这点类似于半潜式平台，但是浮筒5和基础平台之间通过钢缆6柔性连接。四根倾斜支撑梁2保证了结构的强度，因此可采用较小截面尺寸、较大长度的支撑梁以提供足够的抗倾覆力矩，同时可以减轻基础重量。

(2)基础底部通过2-3根张力腱8与海底相连，以限制风机的水平位移，这点类似于张力腿式平台，但张力腱8并不提供抗倾覆力矩。因此即使发生一根张力腱8断裂，也不会影响风机整体的稳性，修复处理也更为简单。

(3)浮筒5的高度可以保证在水位改变时，浮筒5仍然可以提供足够的抗倾覆力矩。如图2所示，图2的(a)中的海平面12升高到如图2的(b)所示，浮筒5具有一定高度，当海平面12升高，浮筒5没入水中的深度增加，往浮筒5内部加入压载水，以调整浮筒5提供的浮力，同时可保证浮筒5仍然能够提供足够的抗倾覆力矩。

(4)四根和塔架11相连的倾斜支撑梁2既加强了塔架11的抗弯强度，又可以有效的防止涡激振动的发生。

基于以上特性可知本实用新型具有非常好的通用性，因为抗倾覆力矩取决于水线面的二阶矩，而浮力取决于排水体积和压载的平衡。因此在风机机组没有大幅改变的情况下，只需要调整浮筒5的尺寸和内部压载水的量，而不需要改变基础尺寸就可以适用于多种环境状况。例如：如果需要更大的浮力而不需要增加抗倾覆力矩，只需要增加浮筒5水下部分的高度或者减少浮筒5内部的压载水即可；如果需要更大的抗倾覆力矩，而不需要增加浮力，只要增加浮筒5的直径并相应的减少水下部分的高度或者增加浮筒5内部的压载水。

因此在发电机机组级别确定的情况下，即可以同时设计出满足要求的基础尺寸。针对不同风场的海域和风况。只需要改变浮筒5的尺寸、钢缆6的规格和张力腱8的长度数量即可。这样同样有利于降低成本而且可以缩短交付时间。

以功率为7mw以上的海上风机为例，为支撑800t的塔架和风轮重量，抵抗3*10⁸nm的倾覆力矩，本实用新型设计的支撑平台排水量约为4500t，相对半潜式或者驳船式漂浮式基础方案，排水量可降低40％以上，相应的建造成本显著降低。此外，本实用新型吸取了多种漂浮式基础的优点，取长补短，为漂浮式风机基础的设计提供了新的设计理念，可推动漂浮式基础在海上风电工程领域的应用推广。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。