一种工字半潜型漂浮式海上风机系统的制作方法

本技术涉及海上风机，特别是涉及一种工字半潜型漂浮式海上风机系统。

背景技术：

1、随着海上风电逐步向深远海发展，深远海风电场通常采用漂浮式风机基础的方案，通过锚泊系统将风机基础固定于海床，成本造价低，广泛适应于各种地质条件。

2、漂浮式风机基础主要划分为spar、semi、tlp和barge这四种基本型式，其中，“semi”又称半潜型风机基础，具有适用水深范围广、综合性能优、技术成熟度高等特点。现有半潜型漂浮式风机基础设计有等边三角形浮箱+三立柱或四立柱的形式，当风电机组竖立设置在三角形的中心立柱上时，中心立柱对浮体稳性和静水恢复刚度产生的作用微小，而当风电机组竖立设置在三角形的角点立柱上时，此角点立柱兼具了调节水动力性能和支撑风电机组的双重作用，不利整体系统的优化设计，导致立柱顶部节点设计、靠船设计、系泊设计和动态海缆设计的难度增大。

3、另外，现有半潜型漂浮式风机基础通常采用箱梁或圆管支撑结构连接各个立柱，巨大的风机荷载通过这些连接结构进一步传递给立柱，对立柱的承载能力要求更高。

4、综上所述，现有半潜型漂浮式风机基础在极端海洋环境下的稳性储备不足，水动力荷载偏高，运动偏转角度偏大，结构承载能力不强，难以实现兼顾运动性能、支撑能力以及便于整体系统协同设计的目的。因此，亟需提出一种受力传力更好、低成本、高稳性和便于协同设计的漂浮式风机基础概念。

技术实现思路

1、本实用新型要解决的技术问题是：现有半潜型漂浮式风机基础在极端海洋环境下的稳性储备不足，水动力荷载偏高，运动偏转角度偏大，结构承载能力不强，难以实现兼顾运动性能、支撑能力以及便于整体系统协同设计的目的。

2、为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种工字半潜型漂浮式海上风机系统：

3、工字半潜型漂浮式海上风机系统包括浮式风机基础、塔筒、风电机组和锚泊系统，所述塔筒固定设置在所述浮式风机基础上，所述风电机组安装于所述塔筒的上部，所述锚泊系统与所述浮式风机基础连接；

4、所述浮式风机基础包括工字形浮箱、中心立柱、至少三个外侧立柱、拱形支撑结构和连接圆管，所述中心立柱设置在所述工字形浮箱的一个交点处，所述塔筒与所述中心立柱固定连接；至少三个外侧立柱分别设置在所述工字形浮箱的端点处，且所述外侧立柱远离所述拱形支撑结构构成自由端；

5、所述工字形浮箱包括平行间隔设置的第一段浮箱和第二段浮箱，以及固定连接于所述第一段浮箱与所述第二段浮箱之间的中间浮箱，所述拱形支撑结构固定连接于所述第一段浮箱/所述第二段浮箱与所述中心立柱之间，以及所述中间浮箱与所述中心立柱之间，且所述拱形支撑结构相对于所述工字形浮箱的上侧方向拱起布置；所述连接圆管分别设置在所述工字形浮箱的左右两侧。

6、进一步的，所述第一段浮箱的长度大于所述第二段浮箱的长度，所述中心立柱设置在所述第一段浮箱与所述中间浮箱的交点处，或者，所述中心立柱设置在所述第二段浮箱与所述中间浮箱的交点处。

7、进一步的，所述拱形支撑结构包括水平撑段和斜撑段，所述水平撑段平行于所述工字形浮箱的上侧面布置，所述水平撑段与所述中心立柱的顶部固定连接，所述斜撑段固定连接于所述水平撑段和所述工字形浮箱的上侧面之间。当中心立柱设置在所述第二段浮箱与所述中间浮箱的交点处时，也可取消第二段浮箱上的斜撑段，直接将水平撑段连接到外侧立柱上。

8、进一步的，所述中心立柱包括中心顶部立柱和中心下部立柱，所述中心下部立柱的直径小于所述中心顶部立柱的直径，所述中心下部立柱的上端插接于所述中心顶部立柱的内部，所述中心下部立柱插接安装于所述工字形浮箱的一个交点内部。

9、进一步的，所述外侧立柱包括外侧上部立柱和外侧底部立柱，所述外侧底部立柱的直径大于所述外侧上部立柱的直径，所述外侧底部立柱与所述工字形浮箱固定连接，所述外侧上部立柱具有向上延伸凸出水面的伸出部分。

10、进一步的，所述外侧上部立柱为单柱结构，所述外侧上部立柱沿竖直方向延伸布置或者沿朝外倾斜的方向延伸布置，所述外侧上部立柱为上粗下细的变直径锥台结构。

11、进一步的，所述外侧上部立柱为并列组合的多柱结构，所述外侧上部立柱沿竖直方向延伸布置或者沿朝外倾斜的方向延伸布置，所述外侧上部立柱的上部多柱数量大于所述外侧上部立柱的下部多柱数量。

12、进一步的，两个所述连接圆管关于所述工字形浮箱的中间浮箱左右对称，所述连接圆管插接于所述第一段浮箱和所述第二段浮箱的内部，或者，所述连接圆管插接于所述外侧底部立柱的内部。

13、进一步的，所述工字形浮箱为其宽度大于高度的扁平型浮箱，所述工字形浮箱采用混凝土结构、钢结构或钢-混凝土结构制成，所述工字形浮箱的内部、所述中心立柱的内部、所述外侧立柱的内部还设有可变式压载舱、空舱或设备舱。

14、进一步的，所述工字形浮箱的底面还设置有升沉板或固定式压载体，所述升沉板或固定式压载体的形状为沿所述工字形浮箱的外轮廓延伸布置的等腰梯形；

15、所述升沉板为片板结构，或者，所述固定式压载体为扁平壳体结构，其内部填充有铁矿砂、混凝土、石块、沙子或矿石材料，再或者，所述固定式压载体为扁平实心结构，其密度大于所述可变式压载舱的密度。

16、本实用新型的一种工字半潜型漂浮式海上风机系统与现有技术相比，其有益效果在于：该工字半潜型漂浮式海上风机系统采用了浮式风机基础、塔筒、风电机组和锚泊系统的设计形式，塔筒固定设置在浮式风机基础上，风电机组安装于塔筒的上部，锚泊系统与浮式风机基础连接，其中，浮式风机基础包括工字形浮箱、中心立柱、至少三个外侧立柱、拱形支撑结构和连接圆管。

17、通过工字形浮箱、中心立柱、至少三个外侧立柱、拱形支撑结构和连接圆管组成了空间几何构型简单、受力传力明确、承载能力强的基础架构，工字形浮箱主要用于提供巨大的浮力，在大容量风电机组和极端海洋环境条件下，工字形浮箱可减少钢材用量并减小波浪力。同时可在工字形浮箱的内部设置可变压载舱，通过向可变压载舱中填充水或密度更高的压载物产生巨大重力作用并降低重心。

18、该浮式风机基础与传统的三角形半潜风机基础不同，在工字形浮箱的交点处设置用于支撑风电机组的中心立柱，在工字形浮箱的外侧端点设置至少三个外侧立柱，使得中心立柱远离静水面中心(也称“漂心”)，又与外侧立柱分开，不仅可以提高浮式风机基础的稳性，还能通过调节工字形边长、中心立柱直径和外侧立柱直径，增大且更灵活地调节浮体各个方向的静水恢复刚度，优化偏转自由运动周期，减小浮体的极限偏转角度。

19、而且，外侧立柱远离拱形支撑结构构成自由端，不会承受上部风机和塔筒传递来的巨大风机荷载，便于立柱轻量化设计。外侧上部立柱可设计成外倾斜变直径锥台的单柱结构或外倾斜并列组合的多柱结构，能进一步增大静水恢复刚度，提高浮体稳性，改善运动性能。中心立柱与外侧立柱各自分开，具有相对独立的结构功能，便于系泊、动态电缆、靠船系统协同设计，同时中心立柱的位置更有利于码头或船坞内安装风电机组，降低了对船机设备资源的要求。

20、通过在工字形浮箱上设计三边分布的拱形支撑结构，将中心立柱与工字形浮箱组成整体，形成了一个支撑能力强的结构系统，拱形支撑结构更有利于上部风机荷载的传递，减小应力集中，提高承载能力，同时还能够提高支撑结构的抗疲劳能力。连接圆管分别设置在工字形浮箱的左右两侧，有利于提高工字形浮箱在外侧立柱间分裂力作用下的承载能力。

21、另外，沿工字形浮箱和外侧立柱的底面可设置向外延伸的固定式压载体，固定式压载体是扁平状的高密度结构，可起到压载增重的作用，使整个浮式风机基础的重心得到有效降低。或者，采用加强薄板的升沉板结构，能够显著增大浮体的附加质量和运动阻尼。