一种海上风电单桩基础防撞缓冲装置

1.本发明涉及海上风电单桩基础防护技术领域，尤其是一种海上风电单桩基础防撞缓冲装置。


背景技术：

2.近年来，海上风力发电得到了越来越多的关注，根据《新兴能源产业发展规划》，到2020年全国风电规划装机已达1.5亿千瓦，其中海上风电3000万千瓦，随着相关鼓励政策的提出和技术瓶颈的突破，海上风电发电将成为一个极具前景的行业。
3.在实际运营中，海上风电单桩基础极易因受到船舶的撞击而受损，如此，一方面，因其结构强度被大幅度削减，从而影响到海上风机的运行安全性，情况严重时，甚至会发生倾倒事故；另一方面，如果来犯船舶类型为油轮时，除了为造成海上风电单桩基础受损，油轮因受到刚性冲击力作用而破损，进而导致所运输石油泄漏现象的发生。
4.中国发明专利cn114941343a公开了一种多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置，包括环形漂浮体和正多边形消能环。正多边形消能环叠放于环形漂浮体上，且可自由旋动地套设于海上风电单桩基础的外围。正多边形消能环包括承力架和网状缓冲单元。承力架包括基础环形体和支撑臂。支撑臂固定于基础环形体的外侧壁上。网状缓冲单元由多个支撑臂所协同拉展、且负担。如此，基础环形体因间接地受到船舶冲撞力作用而围绕海上风电单桩基础执行周向旋转运动，即意味着部分撞击动能转化为旋转动能，且其自身发生弹性形变，以吸收部分撞击动能。与此同时，与船舷始终相顶触的网状缓冲单元亦发生跟随性周向旋转运动，且发生自适应性弹性变形，以吸收剩余撞击动能。然而，在实际应用中，上述技术方案存在有以下问题，具体为：当受到船舶撞击时，网状缓冲单元会将绝大部分冲撞能量传递至支撑臂上，且支撑臂自身的结构强度以及其与基础环形体的固定强度较为有限，从而极易导致支撑臂局部或整体严重受损，后续需要投入大量的人力、物力对其执行维护、换新操作，进而导致多面缓冲式海上风电单桩基础防撞装置的后期维护成本居高不下，因此，亟待本课题组人员解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.故，本发明课题组鉴于上述现有的问题以及缺陷，乃搜集相关资料，经由多方的评估及考量，并经过课题组人员不断探讨以及设计改进，最终导致该海上风电单桩基础防撞缓冲装置的出现。
6.为了解决上述技术问题，本发明涉及一种海上风电单桩基础防撞缓冲装置，漂浮于海面上，以对海上风电单桩基础形成周向防护。海上风电单桩基础防撞缓冲装置包括承力架和网状缓冲单元。承力架包括有基础环形体和支撑臂组件。基础环形体环绕海上风电单桩基础进行布置。支撑臂组件由基础环形体所负担，且其中心轴线的反向延伸线与基础环形体的中心轴线相交。支撑臂组件的数目设为多个，且围绕基础环形体的中心轴线进行周向均布。网状缓冲单元用来直接承受来自于船舶的冲撞力，其由多个支撑臂组件所协同
拉展、且负担。当基础环形体因间接地受到船舶冲撞力作用而围绕海上风电单桩基础执行周向旋转运动时，与船舷始终相顶触的网状缓冲单元亦发生跟随性周向旋转运动，且发生自适应性弹性变形。支撑臂组件包括有滑移件、安装座以及第一冲击势能吸收单元。在基础环形体上开设有安装空腔，以用来装入安装座和第一冲击势能吸收单元。当网状缓冲单元受到船舶冲击力作用时，滑移件因受压而执行轴向位移运动，与滑移件固定为一体的安装座同步地执行位移运动，在此进程中，第一冲击势能吸收单元得以蓄能。
7.作为本发明所公开技术方案的进一步改进，滑移件由弧形端头和柱体连接而成。弧形端头用来连接、固定网状缓冲单元。在基础环形体上开设有供柱体自由穿入的、与安装空腔相贯通的、且其中心轴线的反向延伸线与基础环形体的中心轴线相交的第一避让孔。
8.作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，第一冲击势能吸收单元包括有第一液压阻尼器和第二液压阻尼器。第一液压阻尼器、第二液压阻尼器的外端均铰接于安装座的底壁上，而内端分别铰接于安装空腔的两相对侧壁上。
9.作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，支撑臂组件还包括有第二冲击势能吸收单元。在网状缓冲单元受到船舶冲击力作用时的初期阶段，第一冲击势能吸收单元进行蓄能，随着时间的推移，第一冲击势能吸收单元协同第二冲击势能吸收单元进行同步蓄能。
10.作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，第二冲击势能吸收单元包括有套筒、柱状弹簧、第三液压阻尼器以及第四液压阻尼器。套筒套设于柱体的外围。柱状弹簧被弹性地压靠于基础环形体的周向外侧壁和套筒的底壁之间。第三液压阻尼器、第四液压阻尼器的外端均铰接于套筒的周向外侧壁上，而内端分别铰接于安装空腔的两相对侧壁上。位于第一避让孔的两侧，在基础环形体上开设有供第三液压阻尼器自由穿入的、与安装空腔相贯通的第二避让孔以及供第四液压阻尼器自由穿入的、与安装空腔相贯通的第三避让孔。在网状缓冲单元被船舶冲击的某一时刻，弧形端头与套筒的顶壁相顶触，且随着时间的继续推进，柱状弹簧、第三液压阻尼器和第四液压阻尼器同步地蓄能。
11.作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，在套筒的内腔中成型出有填充体。在填充体开设有与柱体外径相适配的、且其中心轴线与套筒的中心轴线相共线的滑移通孔。
12.作为本发明所公开技术方案的进一步改进，基础环形体由轻质工程塑料制成，且在注塑进程中其内部成型出有大量减重空腔。
13.作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，假定海上风电单桩基础的直径值为d1，基础环形体的内径为d2，厚度值为t，则d2-d1≤20cm，1/5 d1≤t≤1/3 d1。
14.作为本发明所公开技术方案的进一步改进，网状缓冲单元优选由多片围绕基础环形体中心轴线进行周向均布的缓冲网构成。每个缓冲网均由两相邻支撑臂组件所协同负担。
15.作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，缓冲网优选为钢丝绳网或尼龙绳网。
16.相较于传统设计结构的海上风电单桩基础防撞缓冲装置，在本发明所公开的技术方案中，网状缓冲单元用来直接吸收来自于船舶的撞击力，而多个用来协同拉展、且负担网状缓冲单元的支撑臂组件对冲击势能进行吸收，以尽可能地降低海上风电单桩因受到来犯
船舶意外撞击而造成损坏出现的风险，确保其具有迎接来自于不同方向船舶的意外碰撞的能力。
17.还需要说明的是，滑移件相对于基础环形体始终保持于浮动状态，且驱动其执行轴向位移运动的动能可被第一冲击势能吸收单元所同步吸收。如此，当网状缓冲单元受到船舶撞击力作用时，冲击力可即时传递至支撑臂组件，滑移件因受到压力作用而带动安装座一起执行线性位移运动，在此进程中，第一冲击势能吸收单元得以蓄能，即意味着部分来自于船舶的冲撞动能被第一冲击势能吸收单元所吸收。
18.附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明中海上风电单桩基础防撞缓冲装置的立体示意图。
21.图2是本发明海上风电单桩基础防撞缓冲装置中承力架的立体示意图。
22.图3是图2的俯视图。
23.图4是图3的i局部放大图。
24.图5是本发明海上风电单桩基础防撞缓冲装置中基础环形体的立体示意图。
25.图6是本发明海上风电单桩基础防撞缓冲装置中滑移件的立体示意图。
26.图7是本发明海上风电单桩基础防撞缓冲装置中套筒的立体示意图。
27.1-承力架；11-基础环形体；111-安装空腔；112-第一避让孔；113-第二避让孔；114-第三避让孔；12-支撑臂组件；121-滑移件；1211-弧形端头；1212-柱体；122-安装座；123-第一冲击势能吸收单元；1231-第一液压阻尼器；1232-第二液压阻尼器；124-第二冲击势能吸收单元；1241-套筒；12411-填充体；124111-滑移通孔；1242-柱状弹簧；1243-第三液压阻尼器；1244-第四液压阻尼器；2-网状缓冲单元；21-缓冲网。
28.具体实施方式
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.在实际应用场景中，防撞装置围绕海上风电单桩基础进行布置，且始终漂浮于海面上，以对海上风电单桩基础形成周向防护，避免其直接受到船舶的碰撞。
31.下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明，图1示出了本发明中海上风电单桩基础防撞缓冲装置的立体示意图，可知，其主要由承力架1和网状缓冲单元2两部分构成。其中，如图2中所示，承力架1包括有基础环形体11和支撑臂组件12。基础环形体11环绕海上风电单桩基础进行布置。且根据长期工程实践经验，假定海上风电单桩基础
的直径值为d1，基础环形体11的内径为d2，厚度值为t，则d2-d1≤20cm，1/5 d1≤t≤1/3 d1时效果较佳，基础环形体11受到撞击能量作用时得以绕着海上风电单桩基础自由地、且低阻力地执行周向旋转运动。支撑臂组件12由基础环形体11所负担，且其中心轴线的反向延伸线与基础环形体11的中心轴线相交。支撑臂组件12的数目设为8个，且围绕基础环形体11的中心轴线进行周向均布。网状缓冲单元2用来直接承受来自于船舶的冲撞力，其由8个支撑臂组件12所协同拉展、且负担。在实际应用中，当网状缓冲单元2受到船舶的直接冲撞时，各支撑臂组件12同时受到轴向压力和侧向拉力的作用，基础环形体11得以围绕海上风电单桩基础自由地执行周向旋转运动，与船舷始终相顶触的网状缓冲单元2亦发生跟随性周向旋转运动，且发生自适应性弹性变形，综合以上因素，上述技术方案的应用可有效地降低海上风电单桩因受到来犯船舶意外撞击而造成损坏出现的风险，确保其具有迎接来自于不同方向船舶的意外碰撞的能力。
32.出于确保海上风电单桩基础防撞缓冲装置得以稳定、且持续地漂浮于海平面上考虑，作为主体结构的基础环形体11宜优选由轻质工程塑料制成，且在注塑进程中其内部成型出有大量减重空腔（图中未示出）。
33.如图3、4中所示，支撑臂组件12主要由滑移件121、安装座122以及第一冲击势能吸收单元123等几部分构成。其中，在基础环形体11上开设有安装空腔111，以用来同时装入安装座122和第一冲击势能吸收单元123（如图5中所示）。在船舶执行撞击动作的进程中，滑移件121相对于基础环形体11始终保持于浮动状态，且驱动其执行轴向位移运动的动能可被第一冲击势能吸收单元123所同步吸收。如此，当网状缓冲单元2受到船舶撞击力作用时，冲击力可即时传递至支撑臂组件12，滑移件121因受到压力作用而带动安装座122一起执行线性位移运动，在此进程中，第一冲击势能吸收单元123得以蓄能，即意味着部分来自于船舶的冲撞动能被第一冲击势能吸收单元123所吸收，起到一定的缓冲作用，且基础环形体11因其自身材料特性亦可吸收少部分冲撞动能，从而可有效地降低支撑臂组件12所受到的直接冲击力值，进而避免了因其受到刚性冲击力或超限冲击力作用而损坏现象的发生。
34.再者，由附图6中所示可以明确看出，滑移件121由弧形端头1211和柱体1212连接而成。弧形端头1211用来连接、固定网状缓冲单元2，当然，亦可以直接承受船舶的撞击。且出于确保柱体1212受到外力作用时可自由伸入/脱出安装空腔111，进而以将冲撞动能经由安装座122传递于第一冲击势能吸收单元123方面考虑，在基础环形体11上开设有供柱体1212自由穿入的、与安装空腔111相贯通的、且其中心轴线的反向延伸线与基础环形体11的中心轴线相交的第一避让孔112（如图5中所示）。
35.已知，根据设计常识，第一冲击势能吸收单元123可以采取多种设计结构以实现对冲撞动能的吸收，进而以降低所直接施加于滑移件121的刚性冲击力，不过，在此推荐一种设计结构简单，易于制造实施，实施成本相对较低，且易于后期执行维护、换新操作的实施方案，具体如下：如图4中所示，第一冲击势能吸收单元123主要由第一液压阻尼器1231和第二液压阻尼器1232构成。第一液压阻尼器1231、第二液压阻尼器1232的外端均铰接于安装座122的底壁上，而内端分别铰接于安装空腔111的两相对侧壁上。如此，当网状缓冲单元2受到船舶撞击力作用时，冲击力可即时传递至支撑臂组件12，滑移件121因受到压力作用而带动安装座122一起执行线性位移运动，在此进程中，第一液压阻尼器1231、第二液压阻尼器1232得以同步地储蓄弹性势能；而当船舶远离后，第一液压阻尼器1231、第二液压阻尼器
1232所储蓄的弹性势能得以快速释放，滑移件121沿着第一避让孔112反向地执行轴向位移运动，网状缓冲单元2重新撑开、复原，以迎接下一次来犯船舶的撞击。
36.多次实验结果表明，上述技术方案的实施虽说可以有效地降低海上风电单桩因受到来犯船舶意外撞击而造成损坏出现的风险，然而，支撑臂组件12的受损率仍居高不下，究其原因在于：当网状缓冲单元2所承受的船舶撞击能量相对较小时，第一液压阻尼器1231、第二液压阻尼器1232相协同以将其转化为弹性势能的方式足以进行吸收，进而使得滑移件121以及基础环形体11免于受到损坏。然而，当网状缓冲单元2所承受的船舶撞击能量较大时（受到大吨位船舶的撞击），第一液压阻尼器1231、第二液压阻尼器1232相协同不足以彻底、且快速地对撞击能量进行吸收，不但会严重地降低第一液压阻尼器1231和第二液压阻尼器1232的正常使用寿命，而且部分撞击能量势必转化为冲击力直接作用于滑移件121上，从而引发了滑移件121以及第一避让孔112意外损坏问题的出现。鉴于此，作为上述技术方案的进一步优化，如图4中所示，在原有第一冲击势能吸收单元123的基础之上，支撑臂组件12还额外增设有第二冲击势能吸收单元124。在网状缓冲单元2受到船舶冲击力作用时的初期阶段，第一冲击势能吸收单元123进行蓄能，随着时间的推移，第一冲击势能吸收单元123协同第二冲击势能吸收单元124进行同步蓄能。如此，经由网状缓冲单元2所传递于支撑臂组件12的撞击动能大部分可被第一冲击势能吸收单元123和第二冲击势能吸收单元124所协同吸收、且储蓄，仅极少部分撞击能量转化为冲击力以直接作用于滑移件121上，从而可有效地放松对滑移件121自身结构强度、滑移件121与基础环形体11之间连接强度以及基础环形体11自身结构强度的要求，为制造成本的进一步降低作了良好的铺垫。
37.再者，由附图4中所示还可以明确地看出，第二冲击势能吸收单元124主要由套筒1241、柱状弹簧1242、第三液压阻尼器1243以及第四液压阻尼器1244等几部分构成。其中，套筒1241套设于柱体1212的外围。柱状弹簧1242被弹性地压靠于基础环形体11的周向外侧壁和套筒1241的底壁之间。第三液压阻尼器1243、第四液压阻尼器1244的外端均铰接于套筒1241的周向外侧壁上，而内端分别铰接于安装空腔111的两相对侧壁上。位于第一避让孔112的两侧，在基础环形体11上开设有供第三液压阻尼器1243自由穿入的、与安装空腔111相贯通的第二避让孔113以及供第四液压阻尼器1244自由穿入的、与安装空腔111相贯通的第三避让孔114（如图5中所示）。当网状缓冲单元2被大吨位船舶冲击时，冲击力可即时传递至支撑臂组件12，滑移件121因受到压力作用而带动安装座122一起执行线性位移运动，在此进程中，第一液压阻尼器1231、第二液压阻尼器1232得以同步地储蓄弹性势能，随着进程的继续推进，弧形端头1211逐渐地与套筒1241的顶壁相顶触，而后，柱状弹簧1242、第三液压阻尼器1243和第四液压阻尼器1244亦同步地储蓄弹性势能；而当船舶远离后，第一液压阻尼器1231、第二液压阻尼器1232、柱状弹簧1242、第三液压阻尼器1243以及第四液压阻尼器1244所储蓄的弹性势能得以快速释放，滑移件121沿着第一避让孔112反向地执行轴向位移运动，网状缓冲单元2重新撑开、复原，以迎接下一次来犯船舶的撞击。
38.出于确保滑移件121在执行轴向位移运动时始终保持有良好的导向性方面考虑，如图7中所示，在套筒1241的内腔中成型出有填充体12411。在填充体12411开设有与柱体1212外径相适配的、且其中心轴线与套筒1241的中心轴线相共线的滑移通孔124111。如此，当网状缓冲单元2被大吨位船舶撞击时，滑移件121在执行轴向位移运动的进程中相对于套筒1241始终保持有正确的相对方位，利于确保撞击能量得以准确地传导至第一冲击势能吸
收单元123和第二冲击势能吸收单元124。
39.再者，由附图1中所示还可以明确地看出，网状缓冲单元2优选由多片围绕基础环形体11中心轴线进行周向均布的缓冲网21构成。每个缓冲网21均由两相邻支撑臂组件12所协同负担。
40.最后，还需说明的是，在实际工程应用中，可以根据实际应用场景的不同，缓冲网21择优选取钢丝绳网或尼龙绳网。其中，钢丝绳网具有较好的耐冲撞能力，适用于迎接大吨位船舶撞击的场景；而尼龙绳网相对来说具有较为有限的耐冲撞能力，仅可适用于迎接小吨位船舶（50t以下）撞击的场景。
41.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。