一种漂浮式风电场平稳与抗台的风机系统的制作方法

本发明涉及海上风电场技术领域，特别是涉及一种漂浮式风电场平稳与抗台的风机系统。

背景技术

中国沿海常有不定期台风和冬季冷高压前沿大风的影响，当风力达到8级及以上时，大风会对海上设施造成不利的影响，甚至会破坏海上设施的设备。

海上平台是高出海面且具有水平台面的一种桁架构筑物，供生产作业或其他活动使用。海上平台上可安装风机进行发电。然而，受台风等大风的影响，海面上产生的大涌浪和风浪，及风、流等因素造成海上平台产生不同自由度的晃动，使平台上的发电风机随之增幅6自由度摇晃。

为确保风机稳定工作，预防类似台风等大风的破坏，有必要在设计上对风机采取有关的措施，以有效抑制外界因素带来的不利影响，降低或减少各个自由度摇晃，抵御台风袭击对海上设施、设备的影响。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于，提供一种漂浮式风电场平稳与抗台的风机系统，其具有风机运转平稳、抗台风能力强、建造成本低、便于安装与检修的优点。

本发明采取的技术方案如下：

一种漂浮式风电场平稳与抗台的风机系统，包括海上平台和设置在海上平台上的多个风机单元；所述风机单元包括风力发电机组、支撑塔、空心倒锥体和内部装有海水的圆筒罐，所述风力发电机组安装在所述支撑塔的顶部，所述支撑塔的底部安装固定在所述空心倒锥体的底面上，所述空心倒锥体设置在所述圆筒罐中且浮于其内部的海水上；所述圆筒罐的高度大于所述海上平台的厚度，且沿其轴向贯穿所述海上平台，其侧壁与所述海上平台固接，并开设有可开闭的进出水口。

本发明所述的漂浮式风电场平稳与抗台的风机系统中，设置固定于海上平台上的圆筒罐以及浮于圆筒罐内的空心倒锥体，使风力发电机组和支撑塔可随着圆筒罐内的水位变化进行升高或降低，有利于在台风等大风来临期间及时降低风力发电机组和支撑塔的位置高度，采用圆筒罐对设备进行保护，避免设备受到破坏，有效抵御台风等大风袭击，圆筒罐内海水基本平稳，能减少设备的摇晃幅度，提高设备运行的平稳性。而且，圆筒罐相对于海上平台的体积小得多，比起以往通过增加海上平台的宽度和厚度以增加平稳性的技术手段，本发明在大量减少钢材用量及相应降低建造成本的同时，能达到同样效果的抗台性。另外，风力发电机组可升降的特点方便进行安装与日常检修工作。

进一步地，所述风机单元还包括平衡装置，所述平衡装置包括平衡钢棒、四个平衡方块以及四根传动杆；所述平衡钢棒设置在所述空心倒锥体下方并沿其轴向设置，其一端于所述空心倒锥体的顶点固接；所述四个平衡方块设置在所述圆筒罐内；所述四根传动杆的一端分别与所述四个平衡方块固接，另一端分别穿出所述圆筒罐的侧壁与一同步机构连接；所述四根传动杆驱动所述四个平衡方块围合形成一限位孔时，所述平衡钢棒插入所述限位孔中。

所述四个平衡方块形成的限位孔，能够使插入其中的平衡钢棒移动受阻，从而避免平衡钢棒上方的空心倒锥体、支撑塔及风力发电机组整体发生大幅度摇晃，有效提高平稳性。

进一步地，所述风力发电机组包括发电机和安装在发电机上的风轮，所述限位孔为长方形孔，其长度方向为所述风轮的迎风方向，宽度方向垂直于所述风轮的迎风方向。

通常风力发电机组在迎风方向的摇晃幅度更大，在垂直于迎风方向的摇晃幅度相对较小，因此合理设置限位孔的长、宽方向，能够减少正常运行过程中平衡钢棒与平衡方块的不必要碰撞，延长平衡装置的使用寿命。

进一步地，所述限位孔的长度为所述平衡钢棒的直径的3倍，宽度为所述平衡钢棒的直径的2倍。通过合理设计限位孔的长度和宽度大小，在实现提高设备运行平稳性的同时，减少正常运行过程中平衡钢棒与平衡方块的不必要碰撞，延长平衡装置的使用寿命。

进一步地，所述海上平台的厚度为5m；所述圆筒罐的高度为75m，高出所述海上平台的部分的高度为35m；所述支撑塔的高度为60m。台风来临时，风力发电机组及支撑塔能够下降30～40m，有效抵御台风袭击。圆筒罐低于所述海上平台的部分的高度为35m，该部分浸入海水中，且内部装满海水，能够减少系统整体的摇晃。

进一步地，所述风机系统共包括9个风机单元，所述海上平台为等边三角形结构，每个角设置1个风机单元，每条边内设置2个风机单元。海上平台呈等边三角形结构、及9个风机单元呈均匀对称分布，能够提高风机系统整体的稳定性。

进一步地，所述海上平台的中部设有一t型骨架，所述t型骨架的三个端部分别与所述海上平台的三条边的中部固接。

进一步地，所述海上平台中每条边的长度为1353m，宽度为50m，共可停靠36艘船舶进行无缝供电。

进一步地，所述圆筒罐的进出水口与一水泵机组连接。

进一步地，所述风力发电机组的功率为2mw、4mw或6mw。由于风力发电机组的位置高度变化范围大，因此可选用不同的功率配合相应的风量和发电量。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明的漂浮式风电场平稳与抗台的风机系统的结构示意图；

图2为无台风时风机单元的使用状态图；

图3为台风来临时风机单元的使用状态图；

图4为平衡装置的结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为空心倒锥体的结构示意图；

图7为风力发电机组及支撑塔的运动示意图；

图8为空心倒锥体的受力示意图。

具体实施方式

请参阅图1，其为本发明的漂浮式风电场平稳与抗台的风机系统的结构示意图。

本发明的漂浮式风电场平稳与抗台的风机系统包括海上平台1和设置在海上平台1上的多个风机单元2。

具体地，所述风机系统共包括9个风机单元2。

所述海上平台1为漂浮在海上的等边三角形结构，其中部设有一t型骨架10，所述t型骨架10的三个端部分别与海上平台1的三条边的中部固接。所述海上平台1的每个角设置1个风机单元2，每条边内间隔设置2个风机单元2。所述海上平台1的厚度为5m，每条边的长度为1353m，宽度为50m；可停靠36艘船舶进行无缝供电。所述海上平台1中采取锚链相互交叉固定方式，利于整体结构的稳定。

请同时参阅图2-6，图2为无台风时风机单元的使用状态图，图3为台风来临时风机单元的使用状态图，图4为平衡装置的结构示意图，图5为图4的俯视图，图6为空心倒锥体的结构示意图。

所述风机单元2包括风力发电机组、支撑塔21、空心倒锥体22、内部装有海水的圆筒罐23以及平衡装置24。所述风力发电机组安装在所述支撑塔21的顶部，所述支撑塔21的底部安装固定在所述空心倒锥体22的底面上，所述空心倒锥体22设置在所述圆筒罐23中且浮于其内部的海水上，所述平衡装置24设置在所述圆筒罐23内。

所述风力发电机组包括发电机200和安装在发电机200上的风轮201，所述风轮201具有叶轮和三片叶片。所述风轮201的叶片的长度为58m。所述风力发电机组的功率可选取2mw、4mw或6mw。

所述支撑塔21的高度为60m，采用高强度、高质量的钢材整体制造，能更好地抵御台风。

所述空心倒锥体22为内部中空且倒置的圆锥体结构，其高度为30m，底面直径为6m，底面边沿与圆筒罐23侧壁的距离为0.5m。

所述圆筒罐23的罐底封闭，其高度大于所述海上平台1的厚度。所述圆筒罐23沿其轴向贯穿所述海上平台1，其侧壁与所述海上平台1固接，且中部开设有可开闭的进出水口230。所述进出水口230与一水泵机组连接，所述水泵机组用于往圆筒罐23内泵入海水，或者用于将圆筒罐23内的海水抽走。具体地，所述圆筒罐23的直径为7m，高度为75m，高出所述海上平台1的部分的高度为35m，低于所述海上平台1的部分的高度为35m。

如图4-6所示，所述平衡装置24包括平衡钢棒240、四个平衡方块241以及四根传动杆242。

所述平衡钢棒240设置在所述空心倒锥体22下方并沿其轴向设置，其一端于所述空心倒锥体22的顶点固接。所述四个平衡方块241设置在所述圆筒罐23内。所述四根传动杆242的一端分别与所述四个平衡方块241固接，另一端分别可活动地穿出所述圆筒罐23的侧壁，并与一同步机构连接，所述同步机构用于驱动四根传动杆242运动，从而驱动四个平衡方块241在圆筒罐23内运动。

所述四根传动杆242伸入所述圆筒罐23内，驱动所述四个平衡方块241围合形成一限位孔243时，所述平衡钢棒240插入所述限位孔243中，从而移动受阻，防止平衡钢棒240上方的空心倒锥体22、支撑塔21及风力发电机组整体发生大幅度摇晃；所述四根传动杆242靠近圆筒罐23侧壁方向运动，驱动所述四个平衡方块241分开后，则为空心倒锥体22提供了下降空间。

作为进一步优选，所述限位孔243为长方形孔，其长度方向为所述风轮201的迎风方向，宽度方向垂直于所述风轮201的迎风方向。所述限位孔243的长度为所述平衡钢棒240的直径的3倍，宽度为所述平衡钢棒240的直径的2倍。

所述的漂浮式风电场平稳与抗台的风机系统具有以下三种使用状态：

(1)如图2所示，无台风或大风影响时，风机系统正常使用，风力发电机组升至最高位置，此时支撑塔21伸出圆筒罐23的高度为55m，空心倒锥体22底面与圆筒罐23内水面齐平，且与圆筒罐23顶端的距离为5m，四个平衡方块241围合形成限位孔243，平衡钢棒240插入限位孔243中，防止其上方的空心倒锥体22、支撑塔21及风力发电机组整体发生大幅度摇晃，维持风力发电机组平稳运行；

(2)如图3所示，当台风或大风来临时，将四块平衡方块241往圆筒罐23侧壁方向撤，并通过进出水口230将圆筒罐23内的海水放出，直至风力发电机组下降30m时停止防水，则支撑塔21伸出圆筒罐23的高度减短为25m，同时通过智能控制叶片位置适当叉开，将叶片降低，可有效防止台风或大风将叶片吹断；

(3)当强台风来临时，再通过进出水口230将圆筒罐23内的海水抽出，继续将风力发电机组下降10m，则支撑塔21伸出圆筒罐23的高度仅剩15m，可有效防止强台风吹断支撑塔21和叶片。

设计浮力计算：

①一般2mw风机：发电机重量49.6吨，叶片重量11.2吨，机舱重量22.1吨，叶轮重量23.7吨，支撑塔重量125吨；则风力发电机组及支撑塔总重231.6吨。

②如果空心倒锥体的制造钢板厚度d＝1cm，钢板密度为7.85g/cm³，则圆筒罐重量可取风力发电机组及支撑塔总重的20％。

③其中海水密度为1.025g/cm³，空心倒锥体的高度为30m，计算得出空心倒锥体的半径r＝2.94m，直径d＝5.88m，可取r＝3.0m。

将r＝3.0m代入，计算出空心倒锥体的自身重量＝πr(l+r)·d·ρ＝24.52吨，则

说明空心倒锥体的浮力足够支撑。

④圆筒罐的直径为7.0m，其低于海上平台的30m部分沉入水中，该部分的浮力体积＝πr²h＝3.14×3.5²×30＝1154m³，浮力＝1154×1.025＝1183吨。圆筒罐的自身重重＝(πr²+2πr·h)·d·ρ＝124吨。如果往圆筒罐内注入海水使空心倒锥体的底面到达圆筒罐顶端下方的5m处，则即圆筒罐与海上平台的结合处所受的最大剪切力＝124+789＝913吨，因此在圆筒罐与海上平台的结合处需要设置相应的加强结构。

受力平衡：

①如图7所示，风力发电机组及支撑塔在圆筒罐的液面上，受外界环境因素影响，会沿三个坐标轴移动和绕三个坐标轴转动。

②由于圆筒罐与海上平台固定结合成一整体，外界环境风、流、浪等因素对海上平台的影响，同时也对圆筒罐内产生相应的作用，从而引起空心倒锥体的运动。空心倒锥体在圆筒罐内，受z轴方向影响较小。风力发电机组在迎风方向，会在x轴上运动，使空心倒锥体下方的平衡钢棒在x轴上钢棒直径3倍的范围内运动，平衡方块抑制平衡钢棒移动，从而稳定住空心倒锥体；风力发电机组在y轴上运动，使空心倒锥体下方的平衡钢棒在y轴上钢棒直径2倍的范围内运动，平衡方块抑制平衡钢棒移动，从而稳定住空心倒锥体；因此在纵、横方向上稳定风力发电机组及支撑塔，达到风机系统稳定运行。

在圆筒罐的顶端与空心倒锥体之间加强了防撞面，可防止突入其来的阵风引起空心倒锥体发生纵、横移动，保护空心倒锥体上的设备正常运行。

③如图8所示，空心倒锥体的浮力f与空心倒锥体及其上方设备的总重力g方向相反，在同一直线上，保持平衡。当空心倒锥体在圆筒罐内晃动时，由于下方的平衡钢棒仅仅在钢棒直径1-3倍范围内移动，空心倒锥体的排水体积中心几乎没有变化，因此浮力f始终与重力g在同一直线上，保持平衡。

相对于现有技术，本发明的漂浮式风电场平稳与抗台的风机系统通过合理的设计，既能够在海域稳定的风场里正常发电工作，又能抵御不定台风来临带来的不利影响，还可以减少建造的成本，该风机系统可建造于沿岸水域开阔，离岸30-50km，水深在30-50m，海上风场稳定，无论东北季风还是西南季风，常年有比较稳定风速供风机稳定发电的区域。

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。