具有多类型桩腿的超大型自升式风电安装船及其设计方法

摘要

本发明公开了一种自升式船舶桩腿设计方案，特别是一种超大型自升式风电安装船多类型桩腿设计方案。现阶段设计和建造的风电安装船项目全部为单一类型桩腿，由于单一桩腿类型的风电安装船存在着各自的缺点：单一壳体式桩腿类型的风电安装船载重能力和工作水深不强；单一桁架式桩腿类型的风电安装船建造工艺复杂而且成本高。本发明通过优化超大型风电安装船的载荷分布，合理安排风电安装船的载荷，提出超大型风电安装船采用多类型桩腿的设计方案，充分结合壳体式和桁架式桩腿两者的优点，提升了超大型风电安装船的载重能力和工作水深，同时在建造工艺和成本方面也显示出了优越性。

说明书

技术领域

本发明涉及海工平台和大型船舶的建造领域，特别是一种具有多类型桩腿的超大型自升式风电安装船及其设计方法。

背景技术

随着全球经济的全面发展，能源问题已成为一个世界性的问题，开发、利用新型能源替代产品已成为世界各国相关领域专家的研究方向。风能是一种蕴藏丰富、分布广泛、清洁而可再生的能源，也是最重要的能源替代品之一。随着陆地风电场的运营和海洋技术的发展，海上风力发电逐渐开始形成，发展形势急剧升温。特别是近两三年来，随着各国政府的不断重视，海上风电事业得到全面发展。在这个大背景下，作为海上风电事业发展的基础设备，风电安装船成为现代船舶制造行业的一个新的发展方向。风电安装船 (Wind Turbine Installation Vessel，简称WTIV)，又称为海上风电场工程船、风车安装船，是集运输、起重、升降和航行功能于一身的专用海上风机安装工程船。超大型自升式风电安装船属于第二代海上风机安装工程船。

桩腿为支持在海底并利用升降装置升降船体的壳体式或桁架式结构。因此自升式风电安装船桩腿结构型式归纳起来就有两种：壳体式和桁架式。壳体式优点是结构简单，制造容易，强度主要通过采用超高超厚强度板来实现，相对桁架式结构占船体面积小，但其受风浪作用面积大；桁架式桩腿受风浪作用面积小，可提高船体稳定性，减少平台重量、提高船体的有效载荷，但建造工艺复杂，造价较高。超大型自升式风电安装船一般具有4、6或者8跟桩腿。从已有和在建的超大型风电安装项目来看，所有超大型风电安装船采用的都是单一类型的桩腿，而且现阶段主要采用的是壳体式桩腿，极少数采用了桁架式类型。

超大型风电安装船的载荷分布是桩腿设计的主要考虑因素之一，根据不同的载荷分布，选用合理的桩腿类型是设计人员的一项主要工作。单一壳体式桩腿风电安装船虽然结构简单，制造容易，但是极大地限制了超大型风电安装船的装载能力和工作水深，因此主要应用于中小型风电安装船；单一桁架式桩腿风电安装船则适应了超大型风电安装船大的装载能力和深的工作水深的要求，但是建造工艺复杂，造价较高。桩腿的设计和建造仍然是制约超大型风电安装船发展的关键因素之一。

发明内容

本发明的目的是要克服以上不足，跳出现阶段设计和建造超大型风电安装船项目具有单一类型桩腿的思维定势，提供一种基于载荷分布的超大型自升式风电安装船多类型桩腿设计方案，设计出充分结合壳体式桩腿和桁架式桩腿的优势的具有多类型桩腿的超大型自升式风电安装船。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种具有多类型桩腿的超大型自升式风电安装船，包括船体，船体上安放着船载货物和直升机平台，船体与桁架式桩腿通过齿轮齿条式升降系统连接，桁架式桩腿的下部固定连接有桁架式桩腿桩靴，桁架式桩腿上配有吊机旋转台，吊机旋转台与吊机固定连接，船体和壳体式桩腿通过液压插销式升降系统连接，船体和壳体式桩腿通过固桩区稳固，壳体式桩腿的下部固定连接有壳体式桩腿桩靴。

一种多类型桩腿的超大型自升式风电安装船的设计方法，主要包括优化船体载荷分布、设计多类型桩腿升降系统、安排多类型桩腿在船体上的分布，这三个步骤具体为：

A、优化超大型风电安装船的载荷分布，强调载荷分布相对集中和载荷分布均匀相结合的原则：将主要载荷集中分布到靠近桁架式桩腿和壳体式桩腿的区域，船尾部桩腿载重略高于船头部载重，船体中间部分载荷略高于两头；保证整船的载荷分布比较均匀，即载荷相差不要太大；

B、根据载荷分布相对集中和载荷分布均匀相结合的原则，设计多类型桩腿升降系统，采用2种主要的桩腿类型：桁架式桩腿和壳体式桩腿，结合壳体式桩腿结构简单、制造容易和桁架式桩腿可提高船体稳定性，减少平台重量、提高船体的有效载荷的优点；

C、根据载荷分布原则和采用的桩腿类型，安排多类型桩腿在船体上的分布：所述桁架式桩腿安排在靠近船尾处，壳体式桩腿安排在靠近船头处；桁架式桩腿采用的升降系统为齿轮齿条型，而所述壳体式桩腿采用的是液压插销式升降系统。

本发明的进一步改进在于：船体长度范围为110m-140m，宽度范围为35m-50m。

本发明的进一步改进在于：桁架式桩腿的根数为2根，2根桁架式桩腿的长度相等，桁架式桩腿的长度为70m-90m。

本发明的进一步改进在于：壳体式桩腿的根数为2根，2根壳体式桩腿的长度相等，壳体式桩腿长度与桁架式桩腿的长度相差不超过1m。

本发明的进一步改进在于：吊机旋转台安装在其中一根桁架式桩腿上。

本发明的进一步改进在于：壳体式桩腿可采用的类型为方箱壳体式桩腿和圆柱形壳体式桩腿：当单根桩腿最大工作承受载荷范围为2500t-4000t，是采用方箱壳体式桩腿；当单根桩腿最大工作承受载荷范围为3500t-5500t，是采用圆柱形壳体式桩腿。

  本发明与现有技术相比具有以下优点：

  本发明提出的超大型风电安装船多类型桩腿设计方案，结合了壳体式和桁架式两种类型桩腿的优点：在工作能力方面，相对于单一壳体式桩腿类型风电安装船，大大的提高了超大型风电安装船的载重能力和工作水深；在制作工艺和成本方面，比单一桁架式桩腿类型的风电安装船降低了工艺的复杂程度和成本。

附图说明

图1是超大型风电安装船多类型桩腿设计方案的主视图；

图2是超大型风电安装船多类型桩腿设计方案的俯视图；

附图标号：1—船体，2—吊机旋转台，3—吊机，4—桁架式桩腿，5—船载货物，6—壳体式桩腿，7—固桩区，8—直升机平台，9—壳体式桩腿桩靴，10—桁架式桩腿桩靴。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1和图2本发明示出了直升机平台的翻转式吊装方法的一种具体实施方式，一种具有多类型桩腿的超大型自升式风电安装船，包括船体1，船体1安放着船载货物5和直升机平台8，船体1与桁架式桩腿4通过齿轮齿条式升降系统连接，桁架式桩腿4的下部固定连接有桁架式桩腿桩靴10，桁架式桩腿4上配有吊机旋转台2，吊机旋转台2与吊机3固定连接，船体1和壳体式桩腿6通过液压插销式升降系统连接，船体1和壳体式桩腿6通过固桩区7稳固，壳体式桩腿6的下部固定连接有壳体式桩腿桩靴9。

一种多类型桩腿的超大型自升式风电安装船的设计方法，主要包括优化船体载荷分布、设计多类型桩腿升降系统、安排多类型桩腿在船体上的分布，这三个步骤具体为：

A、优化超大型风电安装船的载荷分布，强调载荷分布相对集中和载荷分布均匀相结合的原则：将主要载荷集中分布到靠近桁架式桩腿4和壳体式桩腿6的区域，船尾部桩腿载重略高于船头部载重，船体中间部分载荷略高于两头；保证整船的载荷分布比较均匀，即载荷相差不要太大；

B、根据载荷分布相对集中和载荷分布均匀相结合的原则，设计多类型桩腿升降系统，采用2种主要的桩腿类型：桁架式桩腿4和壳体式桩腿6，结合壳体式桩腿6结构简单、制造容易和桁架式桩腿4可提高船体稳定性，减少平台重量、提高船体1的有效载荷的优点；

C、根据载荷分布原则和采用的桩腿类型，安排多类型桩腿在船体上的分布：桁架式桩腿4安排在靠近船尾处，壳体式桩腿6安排在靠近船头处；桁架式桩腿4采用的升降系统为齿轮齿条型，而壳体式桩腿6采用的是液压插销式升降系统。

本发明中涉及到的船体1的长度范围为110m-140m，宽度范围为35m-50m；桁架式桩腿4的根数为2根，2根桁架式桩腿4的长度相等，桁架式桩腿4的长度为70m-90m；壳体式桩腿6的根数为2根，2根壳体式桩腿6的长度相等，壳体式桩腿6长度与桁架式桩腿4的长度相差不超过1m；吊机旋转台2安装在其中一根所述桁架式桩腿4上；壳体式桩腿6可采用的类型为方箱壳体式桩腿和圆柱形壳体式桩腿：当单根桩腿最大工作承受载荷范围为2500t-4000t，是采用方箱壳体式桩腿；当单根桩腿最大工作承受载荷范围为3500t-5500t，是采用圆柱形壳体式桩腿。

 本发明提出的超大型风电安装船多类型桩腿设计方案，结合了壳体式和桁架式两种类型桩腿的优点：在工作能力方面，相对于单一壳体式桩腿类型风电安装船，大大的提高了超大型风电安装船的载重能力和工作水深；在制作工艺和成本方面，比单一桁架式桩腿类型的风电安装船降低了工艺的复杂程度和成本。