一种单叶双曲面结构漂浮式基础及海上漂浮式风力机系统

摘要

本发明公开了一种单叶双曲面结构漂浮式基础及海上漂浮式风力机系统，包括基础主体以及阻尼器，基础主体整体呈单叶双曲面结构，包括上圆盘平台、中圆盘平台、下圆盘平台、基础支撑、弧形斜撑和倾斜浮筒，上圆盘平台、中圆盘平台和下圆盘平台由上至下依次间隔设置，上圆盘平台与中圆盘平台的中心处通过基础支撑连接，且上圆盘平台的外周与中圆盘平台的外周通过弧形斜撑连接，基础支撑和弧形斜撑之间设有阻尼器，中圆盘平台的外周与下圆盘平台的外周之间沿周向间隔设置有多个倾斜浮筒。本发明能够有效避免风力机系统纵摇、横摇、垂荡运动响应的增强，有效提高其稳定性，且无需增加基础尺寸和系泊系统长度，经济性好。

说明书

技术领域

本发明涉及海上风力机的技术领域，尤其是指一种单叶双曲面结构漂浮式基础及海上漂浮式风力机系统。

背景技术

当今能源危机日益加剧，风能作为清洁可再生能源，成为新能源开发的热点。根据全球风资源分布，海上风资源丰富，风力机作为风能利用的主要形式之一具有巨大的开发前景。海上风力发电机分为固定式风力机和漂浮式风力机，固定式风力机受到水深和地质条件的影响，在深远海风资源利用受到限制，因此，漂浮式风力机的出现为深远海风资源开发利用提供了解决方案。

我国现有漂浮式风力机发展较晚，已有样机采用三浮筒半潜形式的漂浮式基础设计，但只适用于近海风资源稳定地区。我国海域属于中等水深，经常伴有台风影响，造成漂浮式风力机会受到风浪流等多因素影响，产生纵摇、横摇、垂荡，增加其变桨和偏航系统疲劳损伤增加，对控制系统的稳定性提出了更高要求，为保证其稳定性，往往需要增加基础尺寸和系泊系统长度，造成经济成本增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种单叶双曲面结构漂浮式基础及海上漂浮式风力机系统，通过采用单叶双曲面结构的漂浮式基础，能够有效避免风力机系统纵摇、横摇、垂荡运动响应的增强，有效提高其稳定性，且无需增加基础尺寸和系泊系统长度，经济性好。

本发明的第一个目的在于提供一种单叶双曲面结构漂浮式基础。

本发明的第二个目的在于提供一种海上漂浮式风力机系统。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种单叶双曲面结构漂浮式基础，包括基础主体以及设于基础主体内部的阻尼器，所述基础主体整体呈单叶双曲面结构，包括上圆盘平台、中圆盘平台、下圆盘平台、基础支撑、弧形斜撑和倾斜浮筒，所述上圆盘平台、中圆盘平台和下圆盘平台由上至下依次间隔设置，所述上圆盘平台与中圆盘平台的中心处通过基础支撑连接，且上圆盘平台的外周与中圆盘平台的外周通过弧形斜撑连接，上圆盘平台、中圆盘平台和弧形斜撑之间构成封闭的腔体，用于作为浮体提供主要浮力，所述基础支撑和弧形斜撑之间设有阻尼器，所述中圆盘平台的外周与下圆盘平台的外周之间沿周向间隔设置有多个倾斜浮筒。

进一步，所述下圆盘平台为箱式压载舱，采用中空夹层钢-混凝土结构，并由四个扇形单元连接组成，相邻两个扇形单元之间通过万向节连接，实现多自由度运动，每个扇形单元的外周面均设有两个导缆孔，且其外周面上并位于两个导缆孔之间设有滑轨，每个滑轨内设有滑块，所述滑块通过缆索与水下的锚固装置连接，根据实际需求选择所需的导缆孔并通过缆索与水下的锚固装置连接。

进一步，所述滑块呈T型结构，其一侧边用于连接缆索，其另一侧边的外侧设置有弹性卡点，所述滑轨为凹型槽结构，其内部形成有与弹性卡点相匹配的卡槽，在风力机系统运动时，与滑块连接的缆索受力使滑块运动到卡槽位置时弹性卡点弹出，进而固定住缆索。

进一步，所述滑轨的长度为下圆盘平台圆周长度的八分之一。

进一步，所述倾斜浮筒内设有排水泵，将倾斜浮筒作为动态压载舱，根据风力机系统的受载状态通过排水泵对倾斜浮筒内的压载水进行动态调节。

进一步，所述上圆盘平台和中圆盘平台均为钢-混泥土半潜式平台结构。

进一步，所述基础支撑的横截面呈圆柱型或三棱柱结构。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种海上漂浮式风力机系统，包括风轮、机舱、塔筒、多根缆索、锚固装置以及上述单叶双曲面结构漂浮式基础，所述风轮与机舱相连接并安装在塔筒的上部，所述塔筒的下部固定于单叶双曲面结构漂浮式基础的上圆盘平台上，所述单叶双曲面结构漂浮式基础的四周分别通过多根缆索与布置于水下的锚固装置连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明的漂浮式基础整体呈单叶双曲面结构，并由上、中、下三层圆盘平台组成，具有水线面面积小和初稳性高等特点，其纵摇固有频率较低；同时，采用分层设计无须再额外布置垂荡板，结构简单，提高整机经济性；通过单叶双曲面结构的漂浮式基础，其内部还布置阻尼器，实现对漂浮式基础整体频率的调节，可以有效降低纵摇、横摇、垂荡运动响应，减弱变桨和偏航系统疲劳损伤增加，提高使用寿命。

2、本发明的下圆盘平台体积较大，能够有效增加粘性阻尼，其作为箱式压载舱，通过压载水增加附加质量，降低基础重心，增强基础结构稳定性；其采用中空夹层钢-混凝土结构，并由四个扇形单元连接组成，相邻两个扇形单元之间通过万向节连接，实现多自由度运动；其外周通过导缆孔和滑轨的设计，可减少一部分缆索以及锚固装置的受力，避免了系泊系统的疲劳，提高使用寿命，提高风力机系统的稳定性，提高整机的经济性。

3、本发明的中圆盘平台和下圆盘平台之间沿周向间隔设置有多个倾斜浮筒，每个倾斜浮筒配置排水泵，从而能够根据风力机系统的受载状态对倾斜浮筒内的压载水进行动态调节，将倾斜浮筒作为动态压载舱使用，增强了风力机系统的环境适应性，同时通过调节压载水，可以调整漂浮式基础的频率，避免造成纵摇、横摇运动响应的增强。

附图说明

图1为本发明的单叶双曲面结构漂浮式基础及海上漂浮式风力机系统的整体结构示意图。

图2为本发明的下圆盘平台的俯视图。

图3为本发明的滑轨的结构示意图。

图4为本发明的滑轨的剖视图。

图5为本发明的滑块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，本实施例提供了一种单叶双曲面结构漂浮式基础，包括基础主体以及设于基础主体内部的阻尼器，所述基础主体整体呈单叶双曲面结构，包括上圆盘平台1、中圆盘平台2、下圆盘平台3、基础支撑4、弧形斜撑5和倾斜浮筒6，所述上圆盘平台1、中圆盘平台2和下圆盘平台3由上至下依次间隔设置，所述上圆盘平台1与中圆盘平台2的中心处通过基础支撑4连接，且上圆盘平台1的外周与中圆盘平台2的外周通过弧形斜撑5连接，上圆盘平台1、中圆盘平台2和弧形斜撑5之间构成封闭的腔体，用于作为浮体提供主要浮力，一般情况下中圆盘平台2位于海平面水线位置，中圆盘平台2的体积最小，从而减小基础的水线面面积，提高其初稳性，其纵摇固有频率较低；其中，所述基础支撑4和弧形斜撑5之间设有阻尼器7(包括但不限于弹簧阻尼器等)，阻尼器的数量根据具体使用环境进行调整，确保风力机系统安全性和经济性达到最优；所述中圆盘平台2的外周与下圆盘平台3的外周之间沿周向间隔设置有多个倾斜浮筒6，倾斜浮筒6和弧形斜撑5形成单叶双曲面外形。

具体的，下圆盘平台3体积较大，能够有效增加粘性阻尼，其作为箱式压载舱，内部装满压载水来保证基础的稳定性；其采用中空夹层钢-混凝土结构，并由四个扇形单元301连接组成，相邻两个扇形单元301之间通过万向节302连接，实现多自由度运动，进而增强风力机系统对水动力载荷的适应性，每个扇形单元301的外周面均设有两个导缆孔303，且其外周面上并位于两个导缆孔303之间沿周向设有滑轨304，根据实际需求选择所需的导缆孔并通过缆索与水下的锚固装置连接，每个滑轨304内设有滑块305，滑块305通过缆索与水下的锚固装置连接，通过滑块带动缆索沿滑轨滑动。

具体的，滑块305呈T型结构，其一侧边3051用于连接缆索，其另一侧边3052的外侧设置有弹性卡点3053，所述滑轨304为凹型槽结构，滑轨的长度为下圆盘平台3圆周长度的八分之一，其内部形成有与弹性卡点3053相匹配的卡槽3041，在风力机系统运动时，与滑块连接的缆索受力使滑块运动到卡槽位置时弹性卡点弹出，进而固定住缆索。

具体的，倾斜浮筒6内设有排水泵8，将倾斜浮筒6作为动态压载舱，根据风力机系统的受载状态通过排水泵对倾斜浮筒6内的压载水进行动态调节，能够有效增强了风力机系统的环境适应性，同时通过调节压载水，可以调整漂浮式基础的频率，避免造成纵摇、横摇运动响应的增强。

具体的，上圆盘平台1和中圆盘平台2均为钢-混泥土半潜式平台结构。

具体的，基础支撑4的横截面呈圆柱型或三棱柱结构。

本实施例还提供了一种海上漂浮式风力机系统，包括风轮9、机舱10、塔筒11、多根缆索12、锚固装置13以及上述所述的单叶双曲面结构漂浮式基础，所述风轮9与机舱10相连接并安装在塔筒11的上部，所述塔筒11的下部固定于单叶双曲面结构漂浮式基础的上圆盘平台1上，所述单叶双曲面结构漂浮式基础的四周分别通过多根缆索12与布置于水下的锚固装置13连接。

具体的，缆索12采用弹簧锁链或普通锁链。

本实施例根据漂浮式基础整体结构设计和计算分析确定三层圆盘平台的具体尺寸，以保证风力机系统整体结构稳定。同时风力机系统的外表面设有耐腐蚀层，能够防止海水腐蚀对部件带来的破坏，提高风力机系统的使用寿命和安全性。

本发明除上述实施例的实施方式之外，还可以有别的类似方式或等同变换，可能的改变有：缆索、阻尼器的类型，缆索与基础的连接方式等。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。