一种适用于单立柱三桩式海上风电基础的多面体型抗冰装置

摘要

本发明属于海上风电基础的抗冰装置技术领域，公开了一种适用于单立柱三桩式海上风电基础的多面体型抗冰装置，风电基础上安装一组多面体结构的抗冰装置，该抗冰装置包括多面体倒抗冰锥体，设置在基础与抗冰锥之间的连接部件、锥体的上下平面、以及锥面钢板加强装置。采用抗冰锥后，海冰与结构作用时由挤压破坏转化为弯曲破坏，从而有效地减小海上风电基础所受的极值静冰力及结构冰激振动，保证风电结构安全运行。同时多边形锥体采取平面钢板拼接结构，便于生产制造和安装，相较于传统圆锥型锥体制造成本更低，在实现抗冰功能的同时又兼顾海上风电结构的经济性，在多面体抗冰锥相邻两接触平面之间设有连接加强装置，增强抗冰锥结构的稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于海上风电基础的抗冰装置技术领域，涉及一种适用于单立柱三桩式海上风电基础的多面体型抗冰装置。

背景技术

随着能源危机问题的不断凸显，利用海上风能发电已经成为趋势，不少寒区海域也开启了海上风电场开发的新篇章。目前制约海上风电发展的因素包括三方面：技术水平不高、电价低、建设成本高，其中影响风电发展的根本原因就是成本高，经济性差。由于海上风电场是无人平台，且风电场是由若干风电机组构成，所以单个风电机组的安全性、经济性对整个风电场的发展至关重要。而由于风电基础结构的成本在整个风电机组开发成本中占据20％至30％，目前对海上风电研究的关键和难点在于基础结构，如何设计选择满足海域的适用性、结构的安全性以及经济性是基础结构研究的最终目标。有研究表明单立柱三桩基础结构的稳定好，适用水深范围较广，且结构较轻，经济性好，在寒区海上风电场有很大发展空间。本发明针对该基础形式进行抗冰设计。

寒区海域冬季海面会生冰，海冰荷载作用会加剧风电结构的振动，增大结构的疲劳损伤，减少风电结构的使用寿命。对寒区风电基础而言，在设计抗冰装置的同时必须考虑结构的经济性。借鉴海洋石油平台的抗冰锥体结构对风电基础进行抗冰设计，海洋石油平台一般采用正锥体与倒锥体相结合的方式，锥体高度要覆盖整个冰蚀区，锥体角度控制在40°到65°之间。

目前，寒区风电基础的抗冰装置设计不成熟，大多抗冰设计源于海洋石油平台，结构形式组合正倒锥结构形式，这类结构经济性较差，本专利提出针对海上风电基础结构的多面型抗冰装置，在满足抗冰功能的同时又兼顾结构经济性，该抗冰装置是促进寒区海上风电发展的有效措施。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，针对现有的海上风电基础结构，本发明的目的在于为单立柱三桩式海上风电基础提供一种轻质量多面体型的抗冰装置。

由于海上风电基础的桩径相对海洋石油导管架平台要大，考虑到结构整体的质量、经济性，所以对海上风电结构不采用正倒锥组合的形式，而是采用单一空心锥体形式，在锥体壳内侧设肋板及加强筋。海上石油平台通常需要人员常驻平台，完成平台检修、维护以及检测的工作，而风电结构是无人值守平台，为了满足风电结构的安装、停靠船以及服役阶段的运行维护，通常会设工作平台，所以对海上风电基础需在锥体上部设计一个工作平台。

为了实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种适用于单立柱三桩式海上风电基础的多面体抗冰装置，该抗冰装置包括锥面加强结构、锥面钢板和肋板，其中，锥面钢板包括侧面钢板、封顶钢板和封底钢板；封顶钢板和封底钢板沿风机单立柱基础的外周径向设置，侧面钢板数为5块以上，便于安装与拆卸，单一锥面钢板结构损坏时可仅更换该块钢板，延长锥体的使用寿命。每块侧面钢板为倒置的等腰梯形，与封顶钢板所成锥角为60°，锥面钢板围绕风机单立柱基础外周布置形成中空密闭的倒椎体结构；在到椎体结构内部，每块侧面钢板的对称轴位置与相对的风机单立柱基础外表面之间竖直设置肋板，肋板为直角梯形，其下、上底边分别与封顶钢板和封底钢板固定连接；相邻两块侧面钢板之间设置锥面加强结构，所述锥面加强结构包括2块以上的三角形钢板，三角形钢板的顶角固定于两块侧面钢板的夹角处，所有三角形钢板水平平行放置且沿竖直方向均匀布置固定于两块侧面钢板之间；该抗冰装置设置在水面处，锥体高度覆盖整个冰蚀区，即保证海面低潮位与锥体底端平齐，海面高潮位与锥体顶端平齐。

进一步地，所述封顶钢板和封底钢板分别由若干相同部分组成，每个部分沿肋板的连接处固定，组成完整的封顶钢板。

进一步地，该抗冰装置的各个部件之间的固定连接皆为焊接固定。

本发明的有益效果：

1、由于海冰的弯曲强度约为压缩强度的1/3，在海洋风电平台单立柱基础的水面附近外侧安装有专用抗冰锥，海冰与结构的作用机理由与直立结构的挤压破坏转化为与锥体结构的弯曲破坏，从而可以有效的减小冰力极值及结构冰激振动，保证风电结构的安全运行。

2、本发明适用于单立柱三桩式海上风电基础结构，实施简单，锥体为由平面钢板焊接成的空心多面棱台体，减轻锥体自身重量。

3、两锥面接缝处焊接锥面加强装置，加强锥面接缝处处对海冰的破坏力同时增强锥体稳定性。

附图说明

图1为本发明中抗冰装置结构俯视图

图2为本发明的抗冰装置结构主视图

图3为本发明的加强结构示意图

图4为本发明的上封顶钢板示意图

图5为本发明的下封底钢板示意图

图6为本发明的锥面钢板焊接示意图

图7为本发明的锥面钢板间加强焊接示意图

图中：1锥面加强结构；2锥面钢板；3肋板；4风机单立柱基础。

具体实施方式

本发明所提供的抗冰装置是针对单立柱三桩式海上风电基础的抗冰装置，其中的主要装置如图1所示。

该抗冰锥试用于直径为4m的单立柱三桩风电基础。平均潮位水平面与锥体接触点距单立柱三桩式基础垂直距离为0.8m。低潮位与锥体底端平齐，与平均潮位潮差0.8m。高潮位与锥体顶端平齐，与平均潮位潮差1.5m。锥体由6块等腰梯形钢板焊接而成，上底长4.23m，下底长2.7m，高2.65m。锥面与单立柱三桩式基础由直角梯形肋板通过焊接方式连接。肋板上部与高潮位平齐，下部与低潮位平齐，上底长1.66m，下底长0.34m，高2.3m。上封顶由6块与锥体形状配合的钢板焊接而成，与锥面焊接边长2.14m，封顶钢板焊接边长1.71m，与单立柱三桩式基础焊接边为直径4m的60°圆弧。下封底由3块与锥面配合的钢板焊接而成，与锥面焊接边长为2.76m，半边长为1.38m，封底钢板焊接边长0.39m，与单立柱三桩式基础焊接边为直径4m的120°圆弧。

将抗冰锥的外型设计为正六棱台，锥面与水平面所成锥角为60°

将六块连接肋板焊接与单立柱三桩式海洋风电基础上，各肋板垂直于水平面，两相邻肋板间夹角为60°将六块梯形锥面分别焊接至六块肋板上，如图6所示。

将六块梯形锥面钢板两两焊接形成多面体锥体，并在两锥面接缝处焊接加强结构，如图7所示。

将3块如图5所示钢板焊接至锥体，形成下封底。将6块如图4所示钢板焊接至锥体顶部，形成上封顶。