一种用于海上风电单桩基础冲刷防护的扰流固土装置

本发明属于海上风电基础防护，具体而言，涉及一种用于海上风电单桩基础冲刷防护的扰流固土装置。

背景技术：

1、海上风电是一种清洁低碳、可再生的能源形式，具有风能资源稳定、年利用小时数高等显著优势。发展海上风电对于推动能源结构转型、实现“双碳”目标、促进海洋经济高质量发展具有重要意义。近年来，我国海上风电产业发展迅速，装机规模持续扩大。在众多基础结构形式中，单桩基础凭借其结构形式简单、施工便捷、建造成本相对较低、对海床地质条件适应性强等特点，成为近海风电场的首选基础方案，其应用占比超过海上风电基础总量的80%，是支撑中小型海上风电机组的主流形式。

2、然而，海上单桩基础所处的海洋环境十分复杂，长期承受波浪、潮流等水动力作用。冲刷主要是由于桩体对水流的阻挡导致桩周流速加快，剪切应力增加，从而引起海床泥沙的移动和输运。如何有效抑制或减轻桩周局部冲刷，是海上风电场运维安全中亟待解决的关键技术问题。目前，防冲刷技术呈现多元化的发展趋势，在防冲刷结构设计中更注重模块化和便捷维护。因此，研发一种无需外部能源供给、能够利用海流能量同步实现扰流减速与排水固土的自驱动型防护装置，对于提升海上风电单桩基础的抗冲刷能力和长期服役可靠性具有重要的工程应用价值。

技术实现思路

1、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

2、一种用于海上风电单桩基础冲刷防护的扰流固土装置，包括：

3、多个转动扰流机构，沿单桩基础的外周等间隔安装于海床上，各所述转动扰流机构均具有可转动扰流部，所述转动扰流机构的下部伸入海底土层中，所述转动扰流机构在受到外部水力冲击时转动，以拨动海床土体；

4、多个齿轮传动机构，多个所述齿轮传动机构与多个转动扰流机构一一对应设置，所述齿轮传动机构分别设置于对应的所述转动扰流机构的上侧，各所述齿轮传动机构与对应的所述转动扰流机构传动连接，并在所述转动扰流机构转动时被驱动运转；

5、多个排水固土机构，多个所述排水固土机构与多个所述齿轮传动机构一一对应设置，所述排水固土机构的上部分别与对应的所述齿轮传动机构相连，下部伸入海底土层中，所述排水固土机构设有排水口，所述排水口朝向对应的所述转动扰流机构设置，以驱动所述转动扰流机构转动并加速扰流固土作业。

6、进一步地，所述转动扰流机构包括：多个可转动式扰流板、中心转轴、固定基座和第一固定杆；

7、所述第一固定杆的下端固定在单桩基础周围土体中；

8、所述固定基座固定在所述第一固定杆的上端，且所述固定基座的下表面与海床土体接触；

9、所述中心转轴设置于所述固定基座的上端，所述中心转轴的下端通过转动轴承与所述固定基座转动连接，所述中心转轴与所述齿轮传动机构传动连接；

10、多个所述可转动式扰流板等间隔安装于所述中心转轴的外周面上，所述可转动式扰流板随所述中心转轴同步转动时，将高于所述固定基座表面的土体拨移至冲刷坑内，以对受冲刷区域进行填埋修复。

11、进一步地，多个所述可转动式扰流板包括至少6个，且各所述可转动式扰流板的板面与所述中心转轴的轴线平行；所述可转动式扰流板随所述中心转轴同步顺时针或逆时针旋转。

12、进一步地，所述齿轮传动机构包括：第一传动齿轮、第二传动齿轮、齿轮圈、内齿轮、第一连接杆、第二连接杆、第二固定杆、第三固定杆和第四固定杆；

13、所述第一传动齿轮与所述中心转轴的上端固定连接，所述第二传动齿轮位于所述第一传动齿轮的一侧，且所述第一传动齿轮与所述第二传动齿轮啮合；所述第二固定杆的一端与所述单桩基础固定连接，所述第二固定杆的另一端与所述第二传动齿轮转动连接；

14、所述第一连接杆设置于所述第二传动齿轮远离所述第二固定杆的一侧，且所述第一连接杆第一端与所述第二传动齿轮的表面固定连接，所述第一连接杆的第二端与所述内齿轮转动连接；

15、所述齿轮圈的两侧分别与所述第三固定杆和所述第四固定杆的上端固定连接，所述第三固定杆和所述第四固定杆的下端深入海底土层中，所述齿轮圈与所述内齿轮啮合；

16、所述第二连接杆设置于所述内齿轮远离所述第一连接杆的一端，且所述第二连接杆的第一端与所述内齿轮的表面固定连接，所述第二连接杆的第二端与所述排水固土机构转动连接。

17、进一步地，所述第一传动齿轮与所述第二传动齿轮垂直接触并啮合，且所述第一传动齿轮与所述第二传动齿轮的尺寸相同；所述内齿轮与所述齿轮圈平行接触并啮合，且所述内齿轮在所述齿轮圈内部进行啮合转动。

18、进一步地，所述排水固土机构包括：抽水管、抽排水桶、竖向连接杆、水平承压板、第一止水阀和第二止水阀；

19、所述抽水管的下端至少部分伸入海底土体，所述抽水管的侧壁上开设有圆形吸水孔，所述抽水管的上端为出水口，所述抽排水桶设置于所述抽水管的上端，并与所述出水口连通，所述抽排水桶的下端的侧壁上开设有排水口，且所述排水口正对所述可转动式扰流板；

20、所述竖向连接杆的上端与所述第二连接杆转动连接，所述水平承压板与所述竖向连接杆的下端固定连接，所述水平承压板活动设置于所述抽排水桶的内部，所述水平承压板的外径等于所述抽排水桶的内径，所述第一止水阀设置于所述出水口处，并与所述出水口活动连接，所述第二止水阀设置于所述排水口处，并与所述排水口活动连接。

21、进一步地，所述第一止水阀的直径大于所述出水口的直径，所述第二止水阀的直径大于所述排水口的直径；所述水平承压板的最低位置高于所述排水口的最上端，所述水平承压板的最高位置低于所述抽排水桶的最上端。

22、进一步地，所述圆形吸水孔处设置有拦沙网，所述拦沙网的网眼直径小于海床泥沙颗粒的直径。

23、本发明的有益效果：

24、（1）充分利用海洋水流动能，实现能源自给与协同增效

25、本发明通过转动扰流机构将海底水流的冲击动能转化为中心转轴的旋转机械能，驱动齿轮传动机构与排水固土机构联动运行，无需外部供能。同时，排水固土机构的排水口正对转动扰流机构，排出的水流可进一步冲击扰流板，辅助加速其转动，形成正反馈循环，显著提升整体扰流固土效率，体现了绿色环保与能源高效利用的双重优势。

26、（2）集“扰流减速、排水固结、冲刷修复”于一体，防护效果全面

27、本发明不仅通过可转动式扰流板降低桩周海流流速、减弱冲刷动力，还通过排水固土机构主动抽取海床土体中的孔隙水，加速土体固结，增强土体抗冲刷能力。此外，扰流板的转动可将高于基座底面的土体拨移至冲刷坑内，实现对已形成冲刷坑的被动填埋修复，形成“防、固、修”三位一体的综合防护体系。

28、（3）结构设计精巧，联动可靠，适用于长期海洋环境

29、本发明中齿轮传动机构通过锥齿轮啮合与内齿轮-齿轮圈行星传动方式，将水平旋转运动转化为竖向往复运动，传动结构紧凑、运行平稳。各固定杆件深入海底土层提供稳定支撑，抽水管设置拦沙网有效防止泥沙吸入，止水阀单向启闭确保排水过程有序进行，整体装置耐水压、抗泥沙，具备良好的长期工作可靠性与维护便捷性。

30、（4）模块化布设，适应性强，不影响风机基础安全

31、转动扰流机构等间隔安装于单桩基础外周海床上，各装置独立工作，可通过调整布设数量、间距及扰流板数量（如6个或更多）灵活适配不同水深、流速和地质条件，装置固定杆件环绕布置于基础周围，不与单桩主体发生刚性连接，避免对基础结构产生额外附加应力，施工安装简便，易于后期检修与更换。