一种能降低载荷的半潜浮式风机系统的制作方法

1.本实用新型属于可再生能源利用领域，涉及漂浮式风机系统。


背景技术：

2.当今化石能源急剧短缺，环境污染、气候变化等问题愈加严重。为解决上述问题，各国政府积极推进可再生能源技术的发展。作为最具商业前景的可再生能源之一，大力开发风电资源已成为解决我国能源短缺以及环境污染等问题的重要途径。与陆上风能相比，海上风能资源更为丰富和稳定，节约土地资源，是未来中国风电发展的主要方向，也符合我国发展能源节约型和环境友好型社会的战略需求。
3.近年来，海上风电的开发正逐步从近海走向深远海，在这个过程中，国内外学者和科研单位提出了许多漂浮式风机基础的概念设计方案，包括spar式、半潜式、tlp以及驳船式风机基础，其中半潜式漂浮式风机基础因其适用水深较广，运输安装方便，可扩展性较高，得到了较高的关注。目前，半潜式平台的立柱和浮筒多为圆形截面，如braceless、oc4-deepcwind、oo-star等。相应的，半潜浮式风机平台多采用悬链线形式的多点分布式系泊方式。但是采用圆形或矩形截面的立柱所受的波浪力和水流力较大，此外偏心设计方案相较于中心布置方案平台基础的材料用量较少，但是平台在不同方位角的环境载荷作用下的运动响应和稳性存在较大差别，平台的横稳性相较于纵稳性往往较小，当来浪方向为90
°
时，平台的稳性较差。


技术实现要素：

4.为了降低平台所受环境载荷，本实用新型提出如下技术方案：一种能降低载荷的半潜浮式风机系统，包括工作桥、立柱、垂荡板、浮筒、转塔系泊装置和风机，立柱安装在上方的工作桥和下方的垂荡板间，浮筒与垂荡板连接，并在浮筒上成型浮筒空腔以安装转塔系泊装置，风机安装在工作桥上。
5.作为技术方案的补充，工作桥包括横桥板和纵桥板，纵桥板的一桥板端部与横桥板的中部水平连接，两个横桥板的桥板端部和另一纵桥板的桥板端部向下各连接一个立柱，三个立柱向下各连接一个垂荡板。
6.作为技术方案的补充，对应所述两个横桥板的桥板端部的两个垂荡板是横桥垂荡板，对应所述另一纵桥板的桥板端部的垂荡板是纵桥垂荡板，横桥垂荡板、纵桥垂荡板间通过连接在各垂荡板上的浮筒连接，且在浮筒连接的位置成型浮筒空腔，转塔系泊装置安装在所述浮筒空腔中，使浮筒相对系泊于海底的转塔系泊装置可转动。
7.作为技术方案的补充，风机包括叶片、机舱、轮毂和塔筒，机舱通过轮毂与叶片连接，风机下部与塔筒相连，塔筒底部通过法兰与半潜浮式平台相连，塔筒的安装位置位于横桥板的中间，并且与横桥板下方的转塔系泊装置相对。
8.作为技术方案的补充，立柱包括前部圆形柱部和后部的尖状柱部，立柱的形状通过对圆柱使用两个矩形平面与圆柱面相切而成型。
9.作为技术方案的补充，纵桥板的一桥板端部与横桥板的中间位置水平且垂直连接，横桥垂荡板连接的浮筒平行于位于其上方的横桥板，纵桥垂荡板连接的浮筒平行于位于其上方的纵桥板，且浮筒空腔成型在两个横桥垂荡板的中间位置。
10.作为技术方案的补充，两个横桥垂荡板连接的浮筒及纵桥垂荡板连接的浮筒水平且垂直连接在两个横桥垂荡板的中间位置，且不同的浮筒间通过平面式连接使得两浮筒的侧面夹角为非直角。
11.作为技术方案的补充，浮筒间连接形成的连接部的外形呈正六边体，并且在正六边体的中心开设竖向贯穿的浮筒空腔。
12.作为技术方案的补充，转塔系泊装置包括多排滚珠轴承和位于滚珠轴承内圈中的转轴，转轴通过锚链系泊于海底，轴承外圈的外周与垂荡桥固定，使浮式平台能绕转塔式系泊装置的中心轴线自由转动。
13.作为技术方案的补充，立柱或垂荡板或浮筒的内部设置隔板，通过隔板在各自内部划分一定数量的舱室，水线面附近的舱室的高度低于非此位置处的舱室的高度，立柱前部圆形柱部舱室或垂荡板或浮筒内部布置压载舱，立柱后部的尖状柱部的内部布置劲肋板。
14.有益效果：本实用新型风机安装横桥板的中间形成偏心浮式平台，相较于四立柱的对称浮式平台能够减少立柱，降低了用钢量，从而降低成本。同时，降低了现有平台载荷，且通过翼形截面的立柱可有效减小水动力荷载而进一步降低载荷。相较于现有对称浮式平台，本实用新型采取了非对称平台结构，进一步通过转塔式系泊装置和偏航系统配合，使得半潜浮式风机系统具有风标效应，使平台始终在平台稳性较好的方位角下运行，能够保证平台稳性并降低载荷，从而降低平台的运动响应。
附图说明
15.图1是本实用新型提供的一种与转塔式系泊装置相结合的新型半潜浮式风机系统的结构示意图。
16.图2是转塔式系泊装置示意图。
17.图3是新型半潜浮式风机系统立柱的结构示意图。
18.1.叶片，2.机舱，3.轮毂，4.塔筒，5.水面线，6.工作桥，7.立柱， 8.垂荡板，9.浮筒，10.转塔式系泊装置，11.锚链，12.海床，13.滚珠式轴承，14.转轴，15.导缆孔。
具体实施方式
19.以下根据图1～图3，具体说明本实用新型的较佳实施例。
20.如图1所示，一种能降低载荷的半潜浮式风机系统，该系统包含风机和半潜浮式平台。风机包含叶片1、机舱2、轮毂3和塔筒4，机舱2通过轮毂3与叶片1连接，风机下部与塔筒4相连，塔筒4底部通过法兰与半潜浮式平台相连，半潜浮式平台包括工作桥6、立柱 7、垂荡板8和浮筒9，其中三根立柱7上部通过工作桥6连接，立柱7下部固定连接圆形垂荡板8，用于降低半潜漂浮式平台在垂荡方向的运动加速度，风机固定在两个相互垂直的工作桥6的横桥板和纵桥板的连接处。立柱7、垂荡板8和浮筒9内部均设置隔板，划分一定数量的舱室，水线面5附近的舱室划分高度较小，因为水线面附近的舱室最容易发生损坏，舱室破损后平台
的稳性也变差。舱室内部合理布置一些压载，如水压载、混凝土压载等，压载的布置对偏心布置的浮式平台的稳定性有非常重要的作用。
21.相较于现有对称式四立柱浮式平台，本实用新型采用偏心三立柱半潜浮式平台，减少立柱数量可以降低载荷，同时也降低用钢量，降低了成本。本实用新型立柱7间通过工作桥6和底部的矩形浮筒9进行连接，三个立柱7和底部矩形浮筒9内部均设置舱室，保证浮式平台的破舱稳性。工作桥6和浮筒9布置成“t”字形，风机位于工作桥 6的横桥板和纵桥板的连接处，机舱2通过轮毂3与叶片1连接，下部与塔筒4相连，塔筒4底部通过法兰与半潜浮式平台相连，工作桥 6连接处增设角钢可满足支撑上部风机的强度需求。
22.所述的半潜浮式平台的立柱7截面为翼型截面，翼型可以减小平台所受的海浪、海流等环境载荷，立柱7截面的翼型设计仅能降低某一方位角的环境载荷，采用一般的多点分布式系泊方式，立柱7截面无法针对环境载荷的方位角进行调整，当环境载荷方位角发生改变时平台可能出现较大的运动响应，因而本实用新型采用单点系泊解决该问题。
23.横桥垂荡板8、纵桥垂荡板8间通过连接在各垂荡板8上的浮筒 9相连，且在浮筒9连接的位置即浮筒连接部形成空腔，转塔系泊装置安装在所述浮筒空腔中，使漂浮式风机平台相对系泊于海底的转塔系泊装置可转动。单点系泊是转塔式系泊装置10位于浮筒连接部的浮筒空腔中，由转塔式系泊装置10和下部锚链11组成，转塔式系泊装置10包括滚珠式轴承13和中间的转轴14，其中滚珠式轴承13的外环连接浮筒9，转轴14通过多排滚珠实现和半潜浮式平台的相对转动，转轴14下部通过三根锚链11固定于海床12上，通过转塔式系泊装置10和偏航系统配合使得半潜浮式风机系统具有风标效应。
24.转塔系泊装置位于半潜浮式风机平台浮筒9的连接位置处即浮筒9连接部，浮筒9连接部的形成是各垂荡板8连接的浮筒9聚集或者融合形成的，这种融合优选为一体成型，浮筒9连接部外形为六边形，不同的浮筒9间通过平面式连接使得两浮筒9的侧面夹角为非直角，满足转塔系泊装置对浮筒9连接处强度的需要，可有效避免直角连接导致的应力集中现象。转塔系泊装置包含多排滚珠轴承和中间的转轴14两部分，转轴14部分通过锚链11系泊于海底，轴承外环则与半潜浮式平台相连，带动半潜浮式平台一起绕转塔式系泊装置10 的中心轴线自由转动。
25.如图2所示，在一种方案中，转塔式系泊装置10位于浮筒9连接部，包括滚珠式轴承13和转轴14。滚珠式轴承13的外壁和六边形的浮筒9连接部开设的浮筒空腔的内圆柱面相接固定，转轴14的两端为大直径截面，将转轴14固定在六边形的浮筒9连接部中心，转轴14两端的内平面和浮筒9的上下表面留有一定的间隙，保证转轴14和滚珠式轴承13的相对自由转动，转轴14下部布置三个导缆孔15，用于锚链11上端和半潜浮式平台的连接，下部则固定在海床 12上。风机下方的六边形浮筒9尺寸视转塔式系泊装置10的直径和高度而定，便于转塔式系泊装置10的安装固定，同时满足浮式风机系统的强度要求，此外转塔式系泊装置10的直径和高度具体视风机容量及海况条件所决定。而轴承13的外环与半潜漂浮式平台形成一个整体结构，实现连接系泊系统的转轴14和立柱7的相对转动，最终通过转塔式系泊装置10和偏航系统配合使得半潜浮式风机系统具有风标效应。
26.如图3所示，平台立柱7的截面采用翼型设计，主要包括圆柱形部分和后部两个矩形平面围成的尖状部分，两个矩形平面与圆柱面相切，后部尖状部分内不设置压载舱，仅通过增设加劲肋板的方式保证风机基础整体的强度要求，此外在相同立柱截面积的情况下，
通过调整圆面的直径、矩形平面和圆柱面相切的位置等参数改变立柱截面形式，并经过频域水动力分析，主要关注和对比不同参数对应平台纵荡方向的一阶波浪力，选取在波浪主要频率范围内，对应平台纵荡方向一阶波浪力幅值最小的立柱截面型式，在相同波浪条件下，该立柱截面对应的平台纵荡响应最小，在浅水或中等水深条件下能够有效减小系泊半径。同时立柱内部的圆弧面替代一部分内部舱室隔板，钢材用量没有过多增大，结构简单，均为圆柱面或矩形平面。翼型立柱截面与转塔式系泊系统相结合，有效减小平台所受的风、浪、流等环境载荷和运动响应。
27.本实用新型将翼型截面设计与转塔式系泊装置10相结合，在减小平台所受环境载荷的同时，使得该新型半潜浮式风机系统具有风标效应，可以在风、浪、流等环境载荷作用下绕转塔式系泊装置10的中轴线自由转动，同时上部风机偏航控制，在提高风能捕获效率的同时使得下部半潜浮式平台在全寿命中受到的环境载荷最小，同时使得平台始终在平台稳性较好的方位角下运行。此外国内目前的漂浮式风电规划主要集中于中等水深，减小平台受到的环境载荷，可以有效控制平台的运动响应，从而改善浅水系泊系统强非线性的问题，为目前我国规划的中等水深下的半潜浮式风机平台推广提供参考。
28.本实用新型适用于我国浅水及中等水深海域，该浮式风机基础为三立柱7偏心设计，立柱7截面为翼型设计，减小平台所受的环境载荷，同时风机系统采用转塔式系泊装置10，能够自主调整方位角，与浮式风机立柱7的截面设计、上部风机偏航控制相结合，使得平台始终在环境载荷最小的方位角下运行。
29.在另一实施例中，一种基于单点系泊的半潜浮式平台，包括工作桥6、立柱7、垂荡板8和浮筒9，工作桥6包括横桥板和纵桥板，纵桥板的一桥板端部与横桥板的中部水平连接，即两个桥板在水平平面上连接。在优选方案中，纵桥板的一桥板端部与横桥板的中间位置水平且垂直连接，两个横桥板的桥板端部和另一纵桥板的桥板端部在空间中位于由此三个桥板端部构造成的三角形的三个顶点位置上，该三角形并非是形成的实体三角形，而是表明三个桥板端部的位置关系。两个横桥板的桥板端部和另一纵桥板的桥板端部向下连接立柱7，立柱7包括前部圆柱部分和后部的尖状柱部分，在一种方案中，立柱 7的形状通过对圆柱使用两个矩形平面与圆柱面相切而成型。当然获取的立柱7可以通过上述成型方式为一体件。立柱7向下连接垂荡板 8，对应所述两个横桥板的桥板端部的两个垂荡板8是横桥垂荡板8，对应所述另一纵桥板的桥板端部的垂荡板8是纵桥垂荡板8，横桥垂荡板8、纵桥垂荡板8间通过连接在各垂荡板8上的浮筒9连接，且在浮筒9连接的位置成型浮筒空腔，转塔系泊装置安装在所述浮筒空腔中，使浮筒9相对系泊于海底的转塔系泊装置可转动。
30.在一种方案中，将垂荡板8连接的浮筒9的具体形成浮筒空腔的方案说明：横桥垂荡板8连接的浮筒9平行于位于其上方的横桥板，纵桥垂荡板8连接的浮筒9平行于位于其上方的纵桥板，且浮筒空腔成型在两个横桥垂荡板8的中间位置。作为优选方案所述构造成的三角形为正三角形。作为优选方案两个横桥垂荡板8连接的浮筒9及纵桥垂荡板8连接的浮筒9水平且垂直连接在两个横桥垂荡板8的中间位置，且不同的浮筒9间通过平面式连接使得两浮筒9的侧面夹角为非直角。作为优选方案浮筒9间连接形成的浮筒9连接部的外形呈正六边体，并且在正六边体的中心开设竖向贯穿的浮筒空腔。该方案将浮筒9设置为与工作桥6对应形状和位置，并避免浮筒9垂直连接能够进一步降低载荷。
31.在一种实施例中，基于单点系泊的半潜浮式偏心式风机系统包括风机和任一项所
述的平台，风机塔筒4的安装位置位于横桥板的中间，并且与横桥板下方的转塔系泊装置相对。
32.本实用新型将翼型截面设计与转塔式系泊装置10相结合，在减小平台所受环境载荷的同时，使得该新型半潜浮式风机系统具有风标效应，可以在风、浪、流等环境载荷作用下绕转塔式系泊装置10的中轴线自由转动，同时上部风机为偏航控制，可以在提高风能捕获效率的同时，使得下部半潜浮式平台在全寿命中受到的环境载荷最小，同时使得平台始终在平台稳性较好的方位角下运行，这些将有利于半潜浮式平台的整体强度和稳性，简化设计流程和工作量，同时半潜浮式平台受到的浪、流载荷较小，半潜浮式平台的运动响应也会减小，从而改善浅水系泊系统强非线性的问题，即锚链11的系泊张力随着平台运动，在某一偏移量前锚链11张力较小，但在超过某一偏移量时系泊张力出现急剧的增大，为目前我国规划的中等水深下的半潜浮式风机平台推广提供参考。
33.此外平台的立柱7截面不同于圆形或矩形截面，翼型截面的设计主要包括圆形部分和后部两个矩形平面围成的尖状部分，两个矩形平面与圆柱面相切，后部尖状部分内不设置压载舱，仅通过增设加劲肋板的方式保证风机基础整体的强度要求，此外矩形平面和圆柱面切线的位置根据平台的水动力性能具体确定，在相同立柱7截面积的情况下，立柱7内部的圆弧面替代一部分内部舱室隔板，钢材用量没有过多增大，结构简单，均为圆柱面或矩形平面，同时与转塔式系泊装置 10相结合，减小平台所受的风、浪、流等环境载荷。
34.以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。