带有可滑动套筒的Spar型基础海上浮式风力发电机的制作方法

本发明涉及海上风力发电技术领域，尤其涉及一种带有可滑动套筒的spar型基础海上风力发电机。

背景技术：

目前，我国海上风力发电场，主要分布在沿海地带的滩海或潮间带，距离海岸线大约10公里，水深一般不大于20米，主要采用固定式基础风力机。此类应用于浅水海域的固定式基础风力机大多采用桩基式结构或混凝土式基座，多为刚性连接。根据海上风能资源普查结果显示，我国水深5～25米、海平面高度50米以上的风能开发量约为2亿千瓦；水深50米、海平面高度70米以上的风能开发量约5亿千瓦。显然，随水深和海平面高度的增加，风场风速越大，稳定性越好，风能资源越丰富。但同时风机结构所承受的环境载荷也在不断增大，对于固定式基础，由于海底泥面处弯矩大幅增加，为了保证结构足够的强度和刚度，设计中只能通过不断加大结构尺度，由此造成固定式基础的建造、安装和施工费用大幅提高，经济性降低。而传统的漂浮式风力机结构一般应用于水深100米以上的海域，主要有spar型、半潜型和张力腿型基础三种。而对于这样的30m～100m的中浅水水深海域，目前还未出现相对应基础形式的风机结构。由于我国大陆架地貌平坦，当水深达到100m，离岸距离将达到50km及以上，铺设电缆及相关配套设施成本急剧加大。因此考虑到我国大陆架的实际海域地貌，开发一种适应于中浅水海域的新型风电基础形式，是解决我国能源长期短缺、环境污染等问题的关键途径，是优化我国能源结构的重要举措，符合我国发展海上新能源的战略需求。

传统的spar型基础通常采用单柱式圆筒型立柱结构作为浮体，采用锚链或张紧式尼龙缆进行系泊，基础底部设置压载舱降低重心位置，使结构整体重心位于浮心以下，保证风力机具有足够的稳性。spar型基础风力机吃水较大，垂荡性能良好，但由于横向尺度小、水线面面积不足，结构整体的横摇和纵摇回复力矩较小，从而导致风机结构摇晃运动较大，作业安全性不足。

本发明基于传统spar型基础浮式风机，缩减立柱垂向尺寸，通过在基础立柱外加装套筒结构，增加结构整体排水量，减小吃水，为结构提供六自由度运动阻尼，提高结构整体稳性。套筒为环形结构设置于基础立柱外，分为内、外圈两层，内圈层套筒紧贴立柱表面通过法兰、螺栓等结构固定连接，外圈层套筒为倒u型环状结构设置于基础外，外圈层内设置电控系统，内圈层内设置导轨与电车并通过连接轴与外圈层连接，通过电控导轨系统可控制外部套筒结构垂向滑动。采用此种基础形式的浮式风机结构，运动性能和阻尼特性明显优于传统spar型浮式风机，同时通过控制套筒结构上下运动，可调整风力机运动姿态和吃水，使风机基础适用于不同作业水深和海况条件，拓宽了浮式风力机结构的适用水深，降低了中浅水水深范围内的海上风电开发成本，充分保证了浮式风机结构的作业安全。

发明目的

本发明的目的在于开发一种浮式风机结构，以解决此水深范围内固定式基础结构尺寸大、性价比低的问题，通过加装套筒结构，大大减小了风机基础运动幅值，提高了结构整体稳性，拓宽了适用水深，充分保障了风力机的正常发电作业。技术方案如下：

一种带有可滑动套筒的spar型基础海上浮式风力发电机，包括上部风机1、圆筒形基础立柱2、内圈层套筒4、外圈层套筒5及底部压载舱6，所述基础立柱2下方设置倒u型环状盖板3。

所述内圈层套筒4包括与立柱紧密连接的水密隔板41，套筒外加装梯形保护舱42，保护舱42内设置牵引电车44，牵引电车44通过横向连接轴45与外圈层控制舱51固定连接，牵引电车44可沿舱内导轨46上下运动，通过控制电车在导轨上的上下运动带动整个外圈层套筒5上下滑动。

所述外圈层套筒5内设置有控制舱51、结构浮力舱52和环状配重舱53，在外圈层控制舱内水密设置有电轨控制系统，电轨控制系统包括控制器511和密封隔板512。

优选地，内、外圈层套筒及底部压载舱6之间间隔一定距离，相互封装形成半封闭的环状月池结构。

所述底部压载舱6设置于基础立柱2底部，自上至下分为软舱61和硬舱63，两者通过浮置弹簧层柔性连接，所述浮置弹簧层包括设置于软舱61内的弹簧垫块62。

弹簧垫块62包括钢制顶块621，顶块上部固定连接压杆622，压杆分别与中心轴线上的一级弹簧625和两侧的二级弹簧624连接，二级弹簧624顶部设置橡胶垫块626。

所述外圈层套筒5顶部和底部设置一定厚度的环状边锋结构7。

本发明为一种带有可上下滑动套筒的spar型基础海上浮式风力发电机装置，为一种多浮体组合浮式风力发电装置。本发明基于传统spar型基础浮式风机，缩减立柱垂向尺寸，通过在基础立柱外加装套筒结构，减小吃水，为结构提供六自由度运动阻尼，提高结构整体稳性。套筒为环形结构设置于基础立柱外，分为内、外圈两层，内圈层紧贴立柱表面通过法兰、螺栓等结构紧固连接，而外圈层装置通过电控导轨系统沿基础垂向方向上下滑动。

1、本发明的新型浮式风机可应用于30-100m的中浅水水深海域，适用于我国特殊的大陆架海域地貌，可替代大尺度固定式基础风机的工程应用，有效缩减建造成本，填补此水深范围内的技术空白，具备良好的应用前景。

2、相比于传统的spar型基础风力机，本发明风机结构缩减了垂向方向上的尺度，通过加装套筒结构增大了横向尺度，在不使用系泊系统情况下能够保障结构具有足够的稳性，同时通过电控导轨系统控制外套筒垂向滑动，实时调整风力机运动姿态和吃水，弥补了spar型基础风机横摇、纵摇运动性能不佳的劣势，使风机基础适用于不同作业水深和海况条件。

3、立柱连接处下方的一圈环状升沉盖板可以有效抑制基础结构水线面处的波浪爬升和垂荡运动，同时也在一定程度上提高了立柱连接处的水密性能。

4、在基础立柱底部设置压载舱可以降低结构重心，提高结构整体稳性；同时对压载舱进行软、硬舱的分舱设置，并在两者连接处设置浮置弹簧层可以增加基础垂荡运动阻尼，在垂向方向上起到缓冲的效果。

5、底部压载舱为圆筒形柱体结构，本发明通过在压载舱表面设置等间距钢制螺旋侧条，可以有效抑制底部水流的涡激作用，同时为了减弱软、硬舱连接处间隙的涡旋效果，在其上下位置设置两圈橡胶凸块。

6、内、外圈层套筒及底部压载舱之间间隔一定距离，相互封装形成一个半封闭的环状月池结构，为基础增加了垂荡、横摇及纵摇方向上的阻尼作用，同时由于套筒的上下滑动可实时控制月池结构尺寸，控制阻尼作用效果。

7、立柱外加装双层套筒装置，有效保护了风机基础立柱的作业安全，提高了结构整体强度，同时也极大提高了结构极端海况下作业稳性。

8、外圈层套筒采用倒u型结构设计，一方面可以减少用钢量，缩减建造成本，另一方面u型槽内同样形成一个半封闭月池结构，为基础提供附加运动阻尼。

9、外圈层套筒顶部和底部设置一定厚度的环状边锋结构，可有效抑制套筒柱体表面的涡激运动，同时也能起到一定的消波效果。

10、本发明设计的升沉盖板、双层套筒及底部压载舱结构为可拆卸装置，可根据风机实际作业需求在尺度上进行相应改装，整体结构装卸方便，可在码头、港口分段建造、组装，然后整体湿拖至目标风场。

附图说明

图1为风机的外部结构图；

图2为风机主剖视图；

图3为风机俯视图；

图4为压载舱外部结构图；

图5为图1的ⅰ部放大图；

图6为图1的ⅱ部放大图

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

该发明为一种带有可滑动套筒的spar型基础海上浮式风力发电机装置，为一种多浮体组合浮式风力发电装置。可有效解决30-100米水深固定式基础尺寸大、性价比低的问题，通过加装套筒结构，可大大减小风机基础六自由度运动幅值，提高结构整体稳性，为风力机结构安全发电提供安全保障。

如图1所示，本发明主体结构包括上部风机1、圆筒形基础立柱2、内圈层套筒4、外圈层套筒5及底部压载舱6，所述基础立柱2下方设置倒u型环状盖板3，所述外圈层套筒5顶部和底部设置一定厚度的环状边锋结构7。

如图2所示，所述上部风机结构1包括风机叶片11、桨毂12和机舱13；所述基础立柱2分为水线以上和水线以下两部分，两者接触面通过紧固螺栓31连接，并在连接部位下方通过法兰32连接用以防止波浪爬升的倒u型环状盖板3，高度值约为风力机作业海域五十年一遇海况最大波高值，最大外圈直径为两个波长距离；所述内圈层套筒4包括与立柱紧密连接的水密隔板41，套筒外加装梯形保护舱42，舱内设置牵引电车44，电车与横向连接轴45连接并接通至外圈层控制舱，牵引电车44可沿舱内导轨46上下运动，牵引电车上下设置限位器43，舱底设置缓冲器47。

图2中，所述外圈层套筒5为倒u型环状结构，其内设置有控制舱51、结构浮力舱52和环状配重舱53，在外圈层控制舱51内水密设置有控制器511、密封隔板512等；外圈层套筒可通过连接轴与内圈层套筒连接；中间舱室为结构浮力舱52，下部舱室为环状配重舱53，可根据作业海域水深情况调整压载；内、外圈层套筒及底部压载舱之间间隔一定距离，相互封装形成一个半封闭的环状月池结构，为基础增加了垂荡、横摇及纵摇方向上的阻尼作用，同时由于套筒的上下滑动可调整月池结构尺寸，控制阻尼作用效果。所述底部压载舱6设置于基础立柱2底部，自上至下分为软舱61和硬舱63，两者通过浮置弹簧层柔性连接，所述浮置弹簧层通过紧固螺栓627封装于软舱61内，由一圈弹簧垫块62组成。

如图4所示，所述压载舱表面设置等间距钢制螺旋侧条64，并在浮置弹簧层附近设置两圈橡胶凸块65。

如图5所示，所述弹簧垫块包括钢制顶块621，顶块上部固定连接压杆622，压杆分别与中心轴线上的一级弹簧625和两侧的二级弹簧624连接，二级弹簧624顶部设置橡胶垫块626，当基础底部受到向上的波浪力作用时，顶块推动压杆挤压弹簧，一级弹簧、二级弹簧和橡胶垫块可以起到有效的缓冲效果。

如图6所示，所述外圈层套筒5顶部和底部设置一定厚度的环状边锋结构7，边锋的截面形状可为矩形71、半圆形72、梯形73和三角形74。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。