海上风电场水上多桩风机基础及风电机组的制作方法

本发明涉及海上风力发电技术领域，特别是涉及一种海上风电场水上多桩风机基础及风电机组。

背景技术：

风能是一种清洁的可再生绿色能源，开发效率高，经济性好，具有大规模开发条件和商业化前景，世界各国正在大力建设风电场，风力发电技术也得到了快速发展。海上风力资源丰富，比陆地风力发电量大，海上风电场按所处海域位置分为浅海风电场和深海风电场。浅海风电场适用于50m以内水深的海域，采用固定式基础形式。

海上风机基础不仅承受上部高耸的风机带来的荷载，并且将抵抗波浪荷载、风荷载、水流荷载、船舶撞击荷载等多个荷载的共同作用，其所受水平力和倾覆力矩较大，且风机正常运行对基础不均匀沉降和法兰面倾角都有比较高的控制要求。海上风机基础选型应综合考虑水深、海床地质条件、离岸距离、海洋环境条件和施工水平等方面的影响。对于适用于浅海风电场的固定式风机基础，目前主要采用桩基础，桩基础具有承载力高，沉降小且均匀、抗震性能好等特点，能够较好的承受轴向荷载、水平荷载以及由风机运行产生的振动和动力作用，已在国内外海上、陆上、滩涂区域风电场及海港工程中广泛应用，有着成熟的设计与施工经验。

对于海上风电场中的桩基础，主要包括单桩基础和多桩基础，单桩一般造价相对较低，是目前的主要应用型式，而多桩基础具有更好的刚度和安全性，对地质和水深的适应性较广。随着风力发电工业的迅速发展和风力发电机组单机容量的逐步加大，海上风力发电场的发展将越来越快，规模也逐步增大。与此同时，也对相应的海上风电支撑结构的设计、安装、施工以及安全维护提出了更高的技术要求。多桩基础在水深较深、地质复杂、单机容量大的浅海风电场中会有更广泛的应用。

多桩基础在设计时应从模态、结构强度、变形和施工等角度综合考虑，确保整机自振频率避开风轮激励频率和波浪频率显著范围，在风、浪、流的作用下，多桩基础钢结构中的应力分布均匀、极限应力较小、变形较小，同时基础的设计应便于施工安装。然而现有的海上多桩基础的结构通常比较复杂，导致建造及施工难度大，且抵抗风、浪等的极限载荷的能力较差，抗扭刚度较弱，使用可靠性差。

技术实现要素：

基于此，本发明有必要提供一种海上风电场水上多桩风机基础及风电机组，抵抗风、浪等极限载荷的能力好，抗扭刚度高，结构简单，建造及施工难度小，使用可靠性高。

其技术方案如下：

一种海上风电场水上多桩风机基础，包括：

桩基础，所述桩基础包括沿周向间隔设置的至少三根钢管桩，所述钢管桩设有伸出海平面以上的装配端；

过渡连接组件，所述过渡连接组件包括中心柱、支撑构件、及与所述钢管桩数量适配的腿柱，所述腿柱一一对应地设置于所述钢管桩上，且所述腿柱通过所述支撑构件与所述中心柱连接。

上述海上风电场水上多桩风机基础建造时，在工厂内将与钢管桩数量适配的腿柱通过支撑构件与中心柱连接为一体，形成过渡连接组件。海上施工时，通过将包括有至少三根钢管桩的桩基础打入海床固定，并使装配端露出海平面，之后将工厂内预制好的过渡连接组件的腿柱一一对应地安装到钢管桩上，连接成为一体。如此可大大提升抗击风、浪等极限载荷的能力，提高抗扭刚度，使用可靠性高，且其结构简单，建造及施工难度低。

下面对技术方案作进一步的说明：

在其中一个实施例中，还包括呈环形的灌浆连接体，所述装配端沿端面向内凹设有装配孔，所述腿柱的端部插装入所述装配孔内，且所述装配孔的孔壁与所述腿柱的外周壁之间配合形成环形容腔，所述灌浆连接体嵌设于所述环形容腔内。如此，可大大提高腿柱与钢管桩的装配强度，提升抵抗风浪流海洋环境载荷的能力，确保多桩风机基础的使用性能。

在其中一个实施例中，还包括多个第一抗剪切件和第二抗剪切件，多个所述第一抗剪切件间隔设置于所述装配孔的孔壁上，多个所述第二抗剪切件间隔设置于所述腿柱的外周壁上。如此可提高腿柱及钢管桩的抗剪切性能，提高连接强度，避免在强风、大浪等恶劣环境下发生刚性脆裂或疲劳折断，提升使用可靠性。

在其中一个实施例中，包括三根所述钢管桩和三根所述腿柱，三根所述钢管桩和三根所述腿柱一一对应连接并均呈正三角形布置，所述中心柱的中心与正三角形的中心重合；

所述支撑构件包括三根斜支撑件，所述中心柱设有第一固定部，所述腿柱设有第一装配部，所述斜支撑件的两端分别一一对应地连接所述第一固定部和所述第一装配部，且所述斜支撑件由所述腿柱至所述中心柱的方向呈向上倾斜设置。如此使得多桩风机基础具备更优的整体结构刚性，在承受纵向载荷时的可靠性更好，使载荷能够由中心柱均匀传递给腿柱和斜支撑件，提高使用寿命。

在其中一个实施例中，所述支撑构件还包括三根第一水平支撑件，所述中心柱还设有第二固定部，所述腿柱还设有第二装配部，所述第一水平支撑件的两端分别一一对应地连接所述第二固定部和所述第二装配部。通过第一水平支撑件分别与中心柱的第二固定部和腿柱的第二装配部连接，可提高多桩风机基础的整体结构刚度和局部结构强度。

在其中一个实施例中，所述支撑构件还包括三根第二水平支撑件，所述第二水平支撑件与所述腿柱沿周向交替设置，且所述第二水平支撑件的两端分别与相邻的两个所述腿柱连接。通过第二水平支撑件分别与相邻的两个腿柱连接，可提高多桩风机基础的整体结构刚度和局部结构强度，同时提高在恶劣工作环境下的抗扭刚度，有利于提升使用寿命。

在其中一个实施例中，所述支撑构件还包括三组连接撑，每组所述连接撑均包括两个连接支撑件，所述第二水平支撑件设有安装部，所述斜支撑件设有连接部，每组的两个所述连接支撑件的第一端均与所述安装部连接，每组的两个所述连接支撑件的第二端分别与所述安装部相邻的两个斜支撑件的连接部连接；

所述连接支撑件由所述第二水平支撑件至所述斜支撑件的方向呈向上倾斜设置。如此通过连接支撑件与中心柱和斜支撑件连接，可进一步提高多桩风机基础的整体结构刚度和强度，提升抵抗风浪流海洋环境下极限载荷的能力。

在其中一个实施例中，所述支撑构件还包括三根第三水平支撑件，所述第三水平支撑件与所述斜支撑件沿周向交替设置，且所述第三水平支撑件的两端分别与相邻的两个所述斜支撑件的连接部连接。通过第三水平支撑件分别与相邻的两个斜支撑件连接，可提高多桩风机基础的整体结构刚度和局部结构强度，同时提高在恶劣工作环境下的抗扭刚度，有利于提升使用寿命。

在其中一个实施例中，包括四根所述钢管桩和四根所述腿柱，四根所述钢管桩和四根所述腿柱一一对应连接并均呈正四边形布置，所述中心柱的中心与正四边形的几何中心重合。如此，通过增加钢管桩和腿柱的设置数量，可进一步增加多桩风机基础在模态和变形方面的性能优势，满足整机结构自振频率要求和风机正常运行变形要求，提升对水深和地质条件的适应性。

本发明还提供一种风电机组，其包括风机机组和如上所述的海上风电场水上多桩风机基础，所述风机机组设置于所述海上风电场水上多桩风机基础上。

上述风电机组施工时，首先完成水上多桩风机基础的施工，之后将风机机组安装在海上风电场水上多桩风机基础上。如此可大大提升抗击风、浪等极限载荷的能力，提高抗扭刚度，使用可靠性高，且其结构简单，建造及施工难度低。

附图说明

图1为本发明实施例所述的采用三桩柱的海上风电场水上多桩风机基础的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的海上风电场水上多桩风机基础的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例所述的海上风电场水上多桩风机基础的b-b处的剖视图；

图4为本发明实施例所述的海上风电场水上多桩风机基础的第一种实施方式的结构示意图；

图5为本发明实施例所述的海上风电场水上多桩风机基础的第二种实施方式的结构示意图；

图6为本发明实施例所述的海上风电场水上多桩风机基础的第三种实施方式的结构示意图；

图7为本发明实施例所述的海上风电场水上多桩风机基础的第四种实施方式的结构示意图；

图8为图7所述的海上风电场水上多桩风机基础的俯视结构示意图；

图9为本发明实施例所述的采用四桩柱的海上风电场水上多桩风机基础的结构示意图；

图10为本发明实施例所述的采用四桩柱的海上风电场水上多桩风机基础的俯视结构示意图。

附图标记说明：

100、桩基础，110、钢管桩，111、装配端，111a、装配孔，200、过渡连接组件，210、中心柱，211、第一固定部，212、第二固定部，220、支撑构件，221、斜支撑件，221a、连接部，222、第一水平支撑件，223、第二水平支撑件，223a、安装部，224、连接撑，224a、连接支撑件，225、第三水平支撑件，230、腿柱，231、第一装配部，232、第二装配部，300、灌浆连接体，400、风机机组，500、海平面，600、海床。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”、“设置于”或“安设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；一个元件与另一个元件固定连接的具体方式可以通过现有技术实现，在此不再赘述，优选采用焊接连接的固定方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1至图8所示，为本发明展示的一种实施例的海上风电场水上多桩风机基础，包括：桩基础100，所述桩基础100包括沿周向间隔设置的至少三根钢管桩110，所述钢管桩110设有伸出海平面500以上的装配端111；过渡连接组件200，所述过渡连接组件200包括中心柱210、支撑构件220、及与所述钢管桩110数量适配的腿柱230，所述腿柱230一一对应地设置于所述钢管桩110上，且所述腿柱230通过所述支撑构件220与所述中心柱210连接。

上述海上风电场水上多桩风机基础建造时，在工厂内将与钢管桩110数量适配的腿柱230通过支撑构件220与中心柱210连接为一体，形成过渡连接组件200。海上施工时，通过将包括有至少三根钢管桩110的桩基础100打入海床600固定，并使装配端111露出海平面，之后将工厂内预制好的过渡连接组件200的腿柱230一一对应地安装到钢管桩110上，连接成为一体。如此可大大提升抗击风、浪等极限载荷的能力，提高抗扭刚度，使用可靠性高，且其结构简单，建造及施工难度低。

在上述实施例中，中心柱210和支撑构件220优选采用圆形钢管制作，以求在相同结构性能的同时具有更小的截面积，从而降低风、浪的阻力影响；此外，中心柱210和支撑构件220可采用等直径或变直径设计，以满足不同结构需求。其中，为了降低施工难度，提高施工效率，过渡连接组件200可在工厂内预制好，之后再运抵施工现场与钢管桩110拼装。且采用圆管导管架式结构的过渡连接组件200，具有更成熟的加工建造工艺，能够保证多桩风机基础的整体质量和施工进度。

请参照图3，在一个实施例中，还包括呈环形的灌浆连接体300，所述装配端111沿端面向内凹设有装配孔111a，所述腿柱230的端部插装入所述装配孔111a内，且所述装配孔111a的孔壁与所述腿柱230的外周壁之间配合形成环形容腔，所述灌浆连接体300嵌设于所述环形容腔内。如此，可大大提高腿柱230与钢管桩110的装配强度，提升抵抗风浪流海洋环境载荷的能力，确保多桩风机基础的使用性能。装配连接时，向环形容腔内灌注高强度浆料，凝固后形成环形的灌浆连接体300，此时灌浆连接体300与腿柱230和钢管桩110连接为一体。

进一步地，还包括多个第一抗剪切件和第二抗剪切件(图中未示出)，多个所述第一抗剪切件间隔设置于所述装配孔的孔壁上，多个所述第二抗剪切件间隔设置于所述腿柱的外周壁上。如此可提高腿柱230及钢管桩110的抗剪切性能，提高连接强度，避免在强风、大浪等恶劣环境下发生刚性脆裂或疲劳折断，提升使用可靠性。建造时，可预先分别将第一抗剪切件焊接固定到装配孔的孔壁上，将第二抗剪切件焊接固定到腿柱的外周壁上，之后将腿柱插入装配孔内，再灌注高强度浆料。

如图1，图2和图4所示，在一个实施例中，上述的海上风电场水上多桩风机基础可选是三桩风机基础，即包括三根所述钢管桩110和三根所述腿柱230，三根所述钢管桩110和三根所述腿柱230一一对应连接并均呈正三角形布置，所述中心柱210的中心与正三角形的中心重合；

所述支撑构件220包括三根斜支撑件221，所述中心柱210设有第一固定部211，所述腿柱230设有第一装配部231，所述斜支撑件221的两端分别一一对应地连接所述第一固定部211和所述第一装配部231，且所述斜支撑件221由所述腿柱230至所述中心柱210的方向呈向上倾斜设置。如此使得多桩风机基础具备更优的整体结构刚性，在承受纵向载荷时的可靠性更好，使载荷能够由中心柱210均匀传递给腿柱230和斜支撑件221，提高使用寿命。施工时，采用打桩锤按照正三角形的顶点位置将三根钢管桩110垂直打入海床至设计深度(例如打入海床以下40～50m)，且确保装配端111高出海平面一定距离，三根钢管桩110的顶面保持平齐并达到设计高程，从而形成稳定的三角布置的整体基础结构。优选的，斜支撑件221的两端分别与第一固定部211和第一装配部231焊接固定或一体铸造成型，以确保足够的连接强度。且确保斜支撑件221向上倾斜设置，可以更好的承载由上部传下的载荷，使得结构受力更加稳定。

如图1和图5所示，进一步地，所述支撑构件220还包括三根第一水平支撑件222，所述中心柱210还设有第二固定部212，所述腿柱230还设有第二装配部232，所述第一水平支撑件222的两端分别一一对应地连接所述第二固定部212和所述第二装配部232。通过第一水平支撑件222分别与中心柱210的第二固定部212和腿柱230的第二装配部232连接，可提高多桩风机基础的整体结构刚度和局部结构强度，同时提高在恶劣工作环境下的抗扭刚度，有利于提升使用寿命。可选的，第一水平支撑件222为钢管，钢管与第二固定部212和第二装配部232焊接固定或一体铸造成型，以确保足够的连接强度。

如图1和图6所示，更进一步地，所述支撑构件220还包括三根第二水平支撑件223，所述第二水平支撑件223与所述腿柱230沿周向交替设置，且所述第二水平支撑件223的两端分别与相邻的两个所述腿柱230连接。通过第二水平支撑件223分别与相邻的两个腿柱230连接，可提高多桩风机基础的整体结构刚度和局部结构强度，同时提高在恶劣工作环境下的抗扭刚度，有利于提升使用寿命。

请参照图1，图7和图8，更进一步地，所述支撑构件220还包括三组连接撑224，每组所述连接撑224均包括两个连接支撑件224a，所述第二水平支撑件223设有安装部223a，所述斜支撑件221设有连接部221a，每组的两个所述连接支撑件224a的第一端均与所述安装部223a连接，每组的两个所述连接支撑件224a的第二端分别与所述安装部223a相邻的两个斜支撑件221的连接部221a连接；

所述连接支撑件224a由所述第二水平支撑件223至所述斜支撑件221的方向呈向上倾斜设置。如此通过连接支撑件224a与第二水平支撑件223和斜支撑件221连接，可进一步提高多桩风机基础的整体结构刚度和强度，提升抵抗风浪流海洋环境下极限载荷的能力。具体的，每组的两个连接支撑件224a与第二水平支撑件223构成k型支撑构件220，载荷由两个连接支撑件224a传递至第二水平支撑件223上抵消或分散开，使得受力支撑更加均匀，整体结构更加稳定。且优选的，连接支撑件224a与第二水平支撑架及斜支撑件221的连接关系可选是焊接或一体成型，使基础的整体结构刚度和强度更好。

如图7和图8所示，更进一步地，所述支撑构件220还包括三根第三水平支撑件225，所述第三水平支撑件225与所述斜支撑件221沿周向交替设置，且所述第三水平支撑件225的两端分别与相邻的两个所述斜支撑件221的连接部221a连接。通过第三水平支撑件225分别与相邻的两个斜支撑件221连接，可提高多桩风机基础的整体结构刚度和局部结构强度，同时提高在恶劣工作环境下的抗扭刚度，有利于提升使用寿命。

请参照图9和图10，另一实施方式中，上述的海上风电场水上多桩风机基础可选是四桩风机基础，包括四根所述钢管桩110和四根所述腿柱230，四根所述钢管桩110和四根所述腿柱230一一对应连接并均呈正四边形布置，所述中心柱210的中心与正四边形的几何中心重合。如此，通过增加钢管桩110和腿柱230的设置数量，可进一步增加多桩风机基础在模态和变形方面的性能优势，满足整机结构自振平率要求和风机正常运行变形要求，提升对水深和地质条件的适应性。

当然，其他实施方式中也可以根据施工场地条件及使用需求，适当增加钢管桩110和腿柱230的数量至5个、6个等，也都在本发明的保护范围内，在此不再赘述。

本发明还提供一种风电机组，其包括风机机组400和如上所述的海上风电场水上多桩风机基础，所述风机机组400设置于所述海上风电场水上多桩风机基础上。

上述风电机组施工时，首先完成水上多桩风机基础的施工，之后将风机机组400安装在海上风电场水上多桩风机基础上。如此可大大提升抗击风、浪等极限载荷的能力，提高抗扭刚度，使用可靠性高，且其结构简单，建造及施工难度低。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。