一种多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置

1.本发明涉及海上风电单桩基础防护技术领域，尤其是一种多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置。


背景技术：

2.近年来，海上风力发电得到了越来越多的关注，根据《新兴能源产业发展规划》，到2020年全国风电规划装机以达1.5亿千瓦，其中海上风电3000万千瓦，随着相关鼓励政策的提出和技术瓶颈的突破，海上风电发电将成为一个极具前景的行业。
3.在实际运营中，海上风电单桩基础极易因受到船舶的撞击而受损，如此，一方面，因其结构强度被大幅度削减，从而影响到海上风机的运行安全性，情况严重时，甚至会发生倾倒事故；另一方面，如果来犯船舶类型为油轮时，除了为造成海上风电单桩基础受损，油轮因受到刚性冲击力作用而破损，进而导致所运输石油泄漏现象的发生。
4.中国发明专利cn203420256u公开了一种用于自升式平台桩腿的护舷，所述护舷从内至外依次由内橡胶圆筒、内钢圆筒、蝶形弹性元件、外钢圆筒、外橡胶圆筒套装并相连接构成；其中，所述内橡胶圆筒内圆表面沿轴向均等设有若干圈突出内圆表面的橡胶环ⅰ，内橡胶圆筒外圆表面沿轴向均等设有若干圈突出外圆表面的橡胶环ⅱ；所述内钢圆筒内圆表面沿轴向均等设有若干圈与所述内橡胶圆筒外圆表面设有的橡胶环相对应的环槽ⅰ，所述外钢圆筒外圆表面沿轴向均等设有若干圈环槽ⅱ；所述外橡胶圆筒内圆表面沿轴向均等设有若干圈与所述外钢圆筒外圆表面设有的环槽相对应的橡胶环ⅲ。实际应用中，护舷在360
°
范围内均对桩腿起到良好的缓冲保护作用，降低了冲击反力，有效地避免了自升式平台桩腿因受到船舶冲撞而受损问题的出现。然而，上述技术方案亦伴随有以下问题：1）护舷的相对高度位置固定，并不能随着潮汐而进行适应性位置调整，因此导致需护舷沿着平台桩腿轴向进行超长铺设以更好地迎接船舶冲撞，从而势必大大提升了护舷的施工困难度以及施工成本；2）护舷直接套设于平台桩腿的外围，且周向旋转自由度受到限制。如此，仅能依靠护舷的弹性形变来吸收来自于船舶的冲撞动能，而且经过实际观察可知，护舷各区域受到撞击的机率差异极大，即意味着易受到撞击的区域相对固定（一般位于临近主航道位置），极易出现护舷部分区域受损严重，而其他区域未受到冲撞的现象，以上两方面因素综合最终导致护舷的实际应用寿命远远低于设计寿命，需要频繁地对护舷进行维护或换新操作。因此，亟待技术人员解决上述问题。


技术实现要素：

5.故，本发明课题组鉴于上述现有的问题以及缺陷，乃搜集相关资料，经由多方的评估及考量，并经过课题组人员不断探讨以及设计改进，最终导致该多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置的出现。
6.为了解决上述技术问题，本发明涉及一种多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置，其包括环形漂浮体和正多边形消能环。正多边形消能环叠放于环形漂浮体上，且两者均
采取间隙配合方式套设于海上风电单桩基础的外围。应用状态下，环形漂浮体悬浮于海水中，而用来直接承受来自于船舶撞击力的正多边形消能环因受到来自有于环形漂浮体的托顶力作用而漂浮于海面上。正多边形消能环包括有承力架和网状缓冲单元。承力架包括有基础环形体和支撑臂。基础环形体环绕海上风电单桩基础进行布置。支撑臂固定于基础环形体的外侧壁上，且其中心轴线的反向延伸线与基础环形体的中心轴线相交。支撑臂的数目设为多个，且围绕基础环形体的中心轴线进行周向均布。网状缓冲单元用来直接承受来自于船舶的冲撞力，其由多个支撑臂所协同拉展、且负担。当基础环形体因间接地受到船舶冲撞力作用而围绕海上风电单桩基础执行周向旋转运动时，与船舷始终相顶触的网状缓冲单元亦发生跟随性周向旋转运动，且发生自适应性弹性变形。
7.作为本发明技术方案的进一步改进，网状缓冲单元优选由多片围绕基础环形体中心轴线进行周向均布的缓冲网构成。每个缓冲网均由两相邻支撑臂所协同负担。
8.作为本发明技术方案的更进一步改进，缓冲网优选为钢丝绳网或尼龙绳网。
9.作为本发明技术方案的更进一步改进，当网状缓冲单元受到船舶冲撞力作用时，支撑臂可以沿其轴向产生伸缩形变。
10.作为本发明技术方案的更进一步改进，承力架由弹性模量不小于10*4pa的工程塑料一体注塑而成，且支撑臂直接由基础环形体的外侧壁继续向外延伸而成。
11.作为本发明技术方案的更进一步改进，正多边形消能环还包括有稳形单元。稳形单元被网状缓冲单元所环绕，且其由多个橡胶条构成。每个橡胶条均同时连接于两相邻的支撑臂之间。
12.作为本发明技术方案的更进一步改进，正多边形消能环还包括有减震单元。减震单元被稳形单元所环绕，且其由多个减震子单元构成。每个减震子单元均由夹设于两相邻支撑臂之间，且被两相邻支撑臂所协同负担。
13.作为本发明技术方案的更进一步改进，减震子单元包括有内侧安装板、中间弹性压缩部以及外侧安装板。内侧安装板、外侧安装板均成型于两相邻支撑臂之间，且相互平行而置。中间弹性压缩部可通过自身弹性形变以间接地吸收冲击动能，其被组装于内侧安装板和外侧安装板之间。
14.作为本发明技术方案的更进一步改进，减震子单元优选由多个沿着内侧安装板长度方向进行排布、且夹设于内侧安装板和外侧安装板之间的柱状弹簧构成。
15.作为本发明技术方案的更进一步改进，减震子单元还包括有橡胶缓冲座。橡胶缓冲座用来承接经由橡胶条传递而来的冲击能动，其可拆卸地固定于外侧安装板的外侧壁上。
16.当然，作为上述技术方案的另一种改型设计，基础环形体由刚性材料制得。承力架还包括有环形橡胶衬垫。环形橡胶衬垫贴附、且固定于基础环形体的内侧壁上。支撑臂为与基础环形体组装为一体的缓冲气缸或缓冲液压缸。
17.在实际应用中，多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置至少取得了以下几方面的有益效果：1）正多边形消能环环绕海上风电单桩基础进行布置，其用来直接吸收来自于船舶的撞击力，而用来托顶正多边形消能环的环形漂浮体在水浮力的作用下悬浮于海水中。在实际应用中，正多边形消能环可根据不同时段海水水位的不同自适应性地进行相对高度位
置调整，以确保其始终正对位于预来犯船舶。如此，在不明显增加制造成本以及建造困难度的前提下，实现了对海上风电单桩基础的全方位防护，以确保其具有迎接来自于不同方向船舶的意外碰撞的能力；2）当正多边形消能环受到船舶撞击力作用时，其可绕自中心轴线自由地发生周向旋转运动，即意味着部分撞击动能转化为正多边形消能环的旋转动能，而剩余的撞击动能被正多边形消能环通过自身发生弹性形变的方式所吸收，从而在确保对海上风电单桩基础的全方位、可靠防护的前提下，进而可尽可能地降低防撞装置受到撞击时所受到的撞击强度，确保正多边形消能环具有较长的使用寿命；3）当正多边形消能环因受到撞击力作用可自由地执行周向旋动时，网状缓冲单元亦发生跟随性周向旋转运动，且发生自适应性弹性变形以直接吸收来自于船舶的冲撞动能，且在此进程进程中，网状缓冲单元始终与船舷相顶触。如此，从而有效地优化了正多边形消能环受到碰撞时的受力形态，避免其局部因受到不均衡撞击力作用而过快损坏现象的发生；4）即便网状缓冲单元因受到过限船舶冲撞力作用而受损时，利于工人方便、快捷地对其执行换新操作，从而有效地降低多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置的后期维护成本，具有极大的行业推广价值。
18.附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
20.图1是本发明中多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第一种实施方式实际应用状态示意图。
21.图2是图1的正视图。
22.图3是本发明多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第一种实施方式中正多边形消能环的立体示意图。
23.图4是本发明中多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第二种实施方式实际应用状态示意图。
24.图5是本发明多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第二种实施方式中正多边形消能环的立体示意图。
25.图6是本发明中多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第三种实施方式实际应用状态示意图。
26.图7是本发明多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第三种实施方式中正多边形消能环的立体示意图。
27.图8是本发明中多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第四种实施方式实际应用状态示意图。
28.图9是本发明多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第四种实施方式中正多边形
消能环的立体示意图。
29.1-环形漂浮体；2-正多边形消能环；21-承力架；211-基础环形体；212-支撑臂；2121-缓冲气缸；22-网状缓冲单元；221-缓冲网；23-稳形单元；231-橡胶条；24-减震单元；241-减震子单元；2411-内侧安装板；2412-中间弹性压缩部；24121-柱状弹簧；2413-外侧安装板；2414-橡胶缓冲座；25-环形橡胶衬垫。
30.具体实施方式
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”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发明和简化描述，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发明的限制。
32.在实际应用场景中，防撞装置围绕海上风电单桩基础进行布置，以对海上风电单桩基础形成周向防护，避免其直接受到船舶的碰撞。
33.下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明，图1、图2分别示出了本发明中多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第一种实施方式实际应用状态示意图及其正视图，可知，其主要由环形漂浮体1和正多边形消能环2两部分构成。其中，环形漂浮体1由密度不大于0.5g/cm
³
的轻质材料制成（可根据实际应用场景的不同选取低密度塑料或蜂窝状合金材料）。正多边形消能环2叠放于环形漂浮体上，且两者均采取间隙配合方式套设于海上风电单桩基础的外围。应用状态下，环形漂浮体1悬浮于海水中，而用来直接承受来自于船舶撞击力的正多边形消能环2因受到来自有于环形漂浮体1的托顶力作用而漂浮于海面上。
34.如图3中所示，正多边形消能环2主要由承力架21和网状缓冲单元22构成。承力架21包括有基础环形体211和支撑臂212。承力架21由弹性模量不小于10*4pa的工程塑料一体注塑而成，而支撑臂212直接由基础环形体211的外侧壁继续向外延伸而成。支撑臂212的数目设为多个，围绕基础环形体211的中心轴线进行周向均布，且其中心轴线的反向延伸线与基础环形体211的中心轴线相交。基础环形体211环绕海上风电单桩基础进行布置。网状缓冲单元22用来直接承受来自于船舶的冲撞力，其优选由多片围绕基础环形体211中心轴线进行周向均布的缓冲网221构成。每个缓冲网221均由两相邻支撑臂212所协同负担。
35.在实际应用中，正多边形消能环2环绕海上风电单桩基础进行布置，其用来直接吸收来自于船舶的撞击力，而用来托顶正多边形消能环2的环形漂浮体1在水浮力的作用下悬浮于海水中。在实际应用中，正多边形消能环2可根据不同时段海水水位的不同自适应性地进行相对高度位置调整，以确保其始终正对位于预来犯船舶。当防撞装置受到船舶冲撞时，网状缓冲单元22作为第一道撞击防线以直接承受来自于船舶冲撞力的作用，且在因受到外力作用而被拉延进程中始终与船舷保持于顶触状态，以吸收来自于船舶的冲撞击动能；与此同时，正多边形消能环2作为第二道撞击防线以间接地承受来自于船舶冲撞力的作用，在此进程中，其绕海上风电单桩基础持续地执行周向旋转运动，以吸收部分撞击动能，且基础环形体211发生弹性变形，以吸收剩余的撞击动能。
36.在实际应用中，多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置至少取得了以下几方面的
有益效果：1）在不明显增加制造成本以及建造困难度的前提下，实现了对海上风电单桩基础的全方位防护，以确保其具有迎接来自于不同方向船舶的意外碰撞的能力；2）当正多边形消能环2受到船舶撞击力作用时，其可绕自中心轴线自由地发生周向旋转运动，即意味着部分撞击动能转化为正多边形消能环2的旋转动能，而剩余的撞击动能被正多边形消能环2通过自身发生弹性形变的方式所吸收（当网状缓冲单元22受到船舶冲撞力作用时，因支撑臂212工程塑料材质属性导致其可产生轴向压缩形变，抑或其中两支撑臂212因受拉而发生对向收拢形变），从而在确保对海上风电单桩基础的全方位、可靠防护的前提下，进而可尽可能地降低防撞装置受到撞击时所受到的撞击强度，确保正多边形消能环2具有较长的使用寿命；3）当正多边形消能环2因受到撞击力作用可自由地执行周向旋动时，网状缓冲单元22亦发生跟随性周向旋转运动，且发生自适应性弹性变形以直接吸收来自于船舶的冲撞动能，且在此进程进程中，网状缓冲单元22始终与船舷相顶触。如此，从而有效地优化了正多边形消能环2受到碰撞时的受力形态，避免其局部因受到不均衡撞击力作用而过快损坏现象的发生；在此还需要说明的是，即便网状缓冲单元22因受到过限船舶冲撞力作用而受损时，利于工人方便、快捷地对其执行换新操作，从而有效地降低多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置的后期维护成本，具有极大的行业推广价值。
37.在海上风电单桩基础防撞装置实际施工过程中，施工人员可以根据海上风电单桩附近海区预通行船舶吨位的不同择优选取钢丝绳网或尼龙绳网作为缓冲网221。
38.图4、图5分别示出了本发明中多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第二种实施方式实际应用状态示意图及其立体图，可知，其相较于上述第一种实施方式的区别点在于，在一些撞击动能较大的场合，正多边形消能环2还增设有稳形单元23。稳形单元23被网状缓冲单元22所环绕，且其由多个橡胶条231构成。每个橡胶条231均同时连接于两相邻的支撑臂212之间。如此，当防撞装置受到船舶冲撞时，网状缓冲单元22作为第一道撞击防线以直接承受来自于船舶冲撞力的作用，且在因受到外力作用而被拉延进程中始终与船舷保持于顶触状态，以吸收来自于船舶的冲撞击动能；而正多边形消能环2作为第二道撞击防线以间接地承受来自于船舶冲撞力的作用，在此进程中，其绕海上风电单桩基础持续地执行周向旋转运动，以吸收部分撞击动能，且基础环形体211发生轴向弹性变形（当网状缓冲单元22受到船舶冲撞力作用时，因支撑臂212工程塑料材质属性导致其可产生轴向压缩形变，抑或其中两支撑臂212因受拉而发生对向收拢形变），以吸收剩余的撞击动能；而当缓冲网221因受到船舶撞击力过大而断裂时，橡胶条231的存在可以有效地避免支撑臂212因受到撞击力作用而具有外张过大现象的发生（外张角度过大时，支撑臂212极易发生根部断裂现象），确保承力架21在被撞击进程中始终保持有优秀的吸收撞击动能的能力。另外，在此还需要说明一点，在橡胶条231因受到拉力作用而发生弹性延展的进程中亦可吸收一部分撞击动能。
39.图6、图7分别示出了本发明中多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第三种实施方式实际应用状态示意图及其立体示意图，可知，其相较于上述第二种实施方式的区别点在于：在一些撞击动能更大的场合，正多边形消能环2还额外增设有减震单元24。减震单元24被稳形单元所环绕，且其由多个减震子单元241构成。每个减震子单元241均由夹设于两
相邻支撑臂212之间，且被两相邻支撑臂212所协同负担。减震子单元241包括有内侧安装板2411、中间弹性压缩部2412以及外侧安装板2413。内侧安装板2411、外侧安装板2413均成型于两相邻支撑臂212之间，且相互平行而置。中间弹性压缩部2412可通过自身弹性形变以间接地吸收冲击动能，其被组装于内侧安装板2411和外侧安装板2413之间。如此，当防撞装置受到船舶冲撞时，网状缓冲单元22作为第一道撞击防线以直接承受来自于船舶冲撞力的作用，且在因受到外力作用而被拉延进程中始终与船舷保持于顶触状态，以吸收来自于船舶的冲撞击动能；而正多边形消能环2作为第二道撞击防线以间接地承受来自于船舶冲撞力的作用，在此进程中，其绕海上风电单桩基础持续地执行周向旋转运动，以吸收部分撞击动能，且基础环形体211发生轴向弹性变形（当网状缓冲单元22受到船舶冲撞力作用时，因支撑臂212工程塑料材质属性导致其可产生轴向压缩形变，抑或其中两支撑臂212因受拉而发生对向收拢形变），以吸收部分撞击动能；而当缓冲网221因受到船舶撞击力过大而断裂时，橡胶条231的存在可以有效地避免支撑臂212因受到撞击力作用而具有外张过大现象的发生（外张角度过大时，支撑臂212极易发生根部断裂现象），确保承力架21在被撞击进程中始终保持有优秀的吸收撞击动能的能力。剩余的撞击动能经由橡胶条231而传导至中间弹性压缩部2412，在此进程中，弹性压缩部2412因受到挤压力作用而发生自适应性弹性压缩形变。
40.已知，根据设计常识，弹性压缩部2412可以采取多种设计结构以吸收撞击动能，不过在此推荐一种设计结构简单，易于制造实施，且后期无需人工干预即可自动复位的实施方案，具体如下：如图7中所示，减震子单元241优选由多个沿着内侧安装板2411长度方向进行排布、且夹设于内侧安装板2411和外侧安装板2413之间的柱状弹簧24121构成。如此，当弹性压缩部2412受到撞击动能作用时，各柱状弹簧24121发生自适应性弹性压缩形变，以吸收部分撞击动能；而当肇事船舶驶离后，各柱状弹簧24121的压缩势能得以释放，以自动地发生复原形变，从而有效地降低了对海上风电单桩基础防撞装置执行维护操作的困难度。
41.另外，由图7中还可以看出，在外侧安装板2413的外侧壁还可拆卸地固定有橡胶缓冲座2414。在实际应用中，当撞击动能经由橡胶条231而传导至中间弹性压缩部2412，橡胶缓冲座2414首先受到冲击而发生弹性形变，以吸收一部分撞击动能，而剩余撞击动能继续传导至减震子单元241，如此，从而有效地减小了减震子单元241所预受到的撞击动能值，进而确保弹性压缩部2412具有更为优秀的耐撞击能力。
42.图8、图9分别示出了本发明中多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置第四种实施方式实际应用状态示意图及其立体示意图，可知，其相较于上述第一种实施方式的区别点在于：基础环形体211由刚性材料制得（例如耐腐蚀合金钢等）。出于避免海上风电单桩基础直接受到刚性撞击力作用，在基础环形体211的内侧壁还贴附、固定有环形橡胶衬垫25。相应地，支撑臂212为与基础环形体211组装为一体的缓冲气缸2121。如此，在实际应用中，当防撞装置受到船舶冲撞时，网状缓冲单元22作为第一道撞击防线以直接承受来自于船舶冲撞力的作用，且在因受到外力作用而被拉延进程中始终与船舷保持于顶触状态，以吸收来自于船舶的冲撞击动能；与此同时，正多边形消能环2作为第二道撞击防线以间接地承受来自于船舶冲撞力的作用，在此进程中，其绕海上风电单桩基础持续地执行周向旋转运动，以吸收部分撞击动能，且缓冲气缸2121的活塞杆因受到压缩力作用而发生内缩运动以吸收剩余的撞击动能，与此同时，缓冲气缸2121内腔中的空气因受压而储蓄大量压力势能。而当肇
事船舶驶离后，压力势能即时得到释放，缓冲气缸2121的活塞杆在反向推力作用下而自动复位，以为迎接下次船舶撞击作好准备。
43.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。