一种高稳性的新型半潜式风机基础及其设计方法与流程

本发明涉及一种海上风机基础，具体来说，是一种高稳性的新型半潜式风机基础。

背景技术：

根据海上风电场所处的水深条件不同，可以将其分为：潮间带风电场，近海风电场和远海风电场。其中远海风电场即理论最低潮位以下50m水深的海域，需要采用浮动式基础以降低开发成本。目前浮式基础分为以下三个类别：立柱式基础(spar)、半潜式基础(semi-submersible)以及张力腿式基础(tlp)。其中spar拥有较低的重心和较小的吃水面积，稳性较好但是只适用于深水海域且部件组装、安装方式复杂；tlp借助于垂向张紧式系泊系统，在波浪中具有较小的运动响应，但是系泊系统设计要求高且安装复杂。而半潜式浮式风机基础虽然适用水深范围较大且安装方式简单，但传统的半潜式基础存在一些不足，如平台重心相对较高，使得平台的稳性裕度不大；立柱间距有限导致水线面惯性矩不足以提供较好的稳性，海上风荷载力矩较大，导致半潜式结构的纵、横摇运动幅度较大，从而降低了风力机的风能转换效率，使得半潜式结构的水动力性能远不及spar和tlp，应用受到限制。

现有的半潜式风机基础绝大多数采用“直立柱+撑杆”结构，因此其静稳性、水动力性能以及海流作用下的涡激运动性能等方面的提高均受到限制：

1)半潜式风机基础主要利用水线面惯性矩来获得系统静稳性，现有技术则主要通过以下两个方法来获得目标惯性矩：①增大直立柱间距。该方法会导致各个立柱之间的连接结构大大加长，增大了支撑杆件的受力和结构疲劳；②增大立柱横截面积。这会直接导致浮式基础水线面面积以及排水体积的增大，提高建造成本、减小装机功率；于此同时还降低了垂荡周期，当波频激发出与垂荡固有频率相近的能量时，平台会产生共振，对水动力性能造成恶劣影响，极大加剧了半潜式风机基础在海面上的运动，增大安全隐患。

2)半潜式风机基础相比于spar式和tlp式重心较高，使得平台的稳性裕度不大。若想降低重心，则需向下调整压载，但是由于平台吃水相对较小，调整压载的空间极其有限，导致了严重的局限性。

3)现有的半潜式基础采用横撑、斜撑等杆结构连接各个立柱，然而因为诸多制造困难以及潜在的疲劳失效风险，这对漂浮式结构是不利的。此外，风机基础在作业工况下产生六自由度运动，杆件结构的出入水会导致排水量以及水线面面积的时时变化，使得平台运动状态不稳定。

4)国内外现有的浮式风机基础均采用圆形立柱，单圆形立柱加工困难且精度高。相比于方形立柱涡激运动性能差，导致海流作用下大范围横向运动，造成相对风速稳定性降低，从而降低了风力机的风能转换效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高稳性的新型半潜式风机基础，通过改变侧柱的倾斜度在不影响平台固有周期的基础上增加平台静稳性，且减小排水量；通过采用方形立柱改善平台的涡激运动效应；采用下浮体代替杆件作为各个立柱之间的连接，降低重心的同时减少疲劳损伤；下浮体作为垂荡抑制机构减小垂荡周期，改善了平台运动性能；在海上风、浪、流载荷的作用下，该平台水动力性能及稳性良好，提高风力机的风能转换效率的同时也提高了浮式风机的装机功率。

本发明采取以下技术方案：

一种高稳性的新型半潜式风机基础，包括中央立柱1、侧立柱、浮箱4、斜撑5；所述中央立柱1分为两段，下段直径均等，上段自下而上直径递减；所述侧立柱包括周向分布的若干组相互连接的倾斜侧柱2和直立侧柱3，倾斜侧柱2自下而上向外侧倾斜，直立侧柱3与倾斜侧柱2的上端连接；所述浮箱4与倾斜侧柱2及中央立柱1的底端固定连接，若干浮箱4构成以中央立柱1底部为中心的横向发散状结构；所述斜撑5一端与中央立柱1连接，另一端与直立侧柱3连接；水线面位于中央立柱1的下段、斜撑5的下方、以及直立侧柱3所在位置；直立侧柱3下端与水线面距离为平台所处海况下一年一遇波浪的波幅高度；所述浮箱4、中央立柱1、侧立柱均为中空结构，为风机基础提供浮力。

进一步的，所述倾斜侧柱2和直立侧柱3的横截面为方形，边角处倒圆角。

进一步的，中央立柱1与侧立柱之间采用浮箱4连接，进一步的，三个下浮箱4汇集处为加强为六边形结构，可降低强度较大处的应力集中。

进一步的，立柱上端与塔筒6固定连接，所述中央立柱1上段向上逐渐缩小为塔筒6的外径。

进一步的，所述斜撑5上设置步行通道，将斜撑5作为侧柱到塔架之间的连接通道。

一种上述的高稳性的新型半潜式风机基础的设计方法，倾斜侧柱2向外倾斜并不改变平台整体的排水体积，通过调整压载维持惯性半径以及重心不变，未对排水量和固有周期产生任何影响；波浪作用在直立侧柱3上不会引起显著的波浪爬升，且平台运动时三侧立柱水线面面积始终相同且水线面惯性矩为定值，不会对稳性及平台固有周期造成改变。

进一步的，将直立侧柱3下端与水线面之间距离设定为平台所处海况下一年一遇波浪的波幅高度。

进一步的，下浮体4作为容纳压载的结构降低平台重心，增强稳性，底部不设置垂荡板，利用下浮体4增加风机基础垂荡方向的附加质量，增加风机基础垂荡固有周期。

本发明的有益效果在于：

1)本发明将直立侧柱向外倾斜一定角度，在保证排水量、固有周期满足设计要求的情况下，显著增大水线面惯性矩，从而增大半潜式风机基础的静稳性。增大稳性是增强浮式平台抗风暴能力，保证平台安全性的重要一环。从水线面下某一位置将倾斜侧柱改变为竖直向上，这样波浪作用在竖直立柱上不会引起显著的波浪爬升；直立侧柱下端与水线面距离为平台所处海况下一年一遇波浪的波幅高度，当平台作纵摇、横摇以及垂荡运动时，三侧柱水线面面积始终相同且水线面惯性矩为定值，不会对稳性及平台固有周期造成影响；若风机故障需要维修，水线面附近的立柱竖直向上，易于维修船舶旁靠。

通过数值模拟将相同排水量、相同下浮箱长度的直立柱浮式风机平台与本发明中斜立柱浮式风机平台的稳性进行对比，当11.4m/s的定常风作用于风机桨毂高度处时，前者的平均倾斜角度为8.5°，而后者平均倾斜角度仅为5.8°。

2)在海流较为严重的海域，本发明易于改善浮式风机基础的涡激运动问题。使得本发明在海流作用下横向运动减小，造成相对风速稳定性提升，从而提高了风力机的风能转换效率。

3)三个侧立柱的截面设计由圆形改为方形，边角处为方形倒圆角。这样可以较好地与下浮箱结构进行连接，有利于降低加工、制造难度。此外，方形立柱比圆形立柱涡激运动性能优异。

附图说明

图1是本发明高稳性的新型半潜式风机基础的结构示意图。

图2是本发明高稳性的新型半潜式风机基础另一视角的结构示意图。

图3是本发明高稳性的新型半潜式风机基础主视图。

图4是本发明高稳性的新型半潜式风机基础右视图。

图5是本发明高稳性的新型半潜式风机基础设计过程示意图。

图6是应用数值模拟软件star-ccm+对方形直立侧柱平台、本设计方形斜立柱平台和圆形直立侧柱平台在关键折合速度区间内进行了涡激运动响应分析的第一幅示意图。

图7是应用数值模拟软件star-ccm+对方形直立侧柱平台、本设计方形斜立柱平台和圆形直立侧柱平台在关键折合速度区间内进行了涡激运动响应分析的第二幅示意图。

图中，1.中央立柱，2.倾斜侧柱，3.直立侧柱，4.下浮箱，5.斜撑，6.塔架，7.机舱，8.桨毂，9.风机叶片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参见图1，高稳性的新型半潜式风机基础由中央立柱1、倾斜侧柱3、直立侧柱3、下浮箱4以及斜撑5组成，其中中央立柱1顶部与塔筒6底部相连，浮式风机还包括机舱7、桨毂8以及叶片9等关键部件。

中央立柱1为圆形立柱，其直径在水线面以下不变，在水线面以上逐渐缩小为塔筒6根部直径，并通过与塔筒6焊接成一个整体以更好地传递塔筒顶端的风轮载荷以及尽可能地避免塔筒根部出现应力集中。三个均布的侧立柱由倾斜侧柱2和直立侧柱3两部分组成，自下浮箱4上表面高度起，倾斜侧柱2自下而上向外倾斜某一角度直至水线面以下某一距离处截止，直立侧柱3继而保持直立直到设计干舷。直立侧柱3在水线面以下的高度选取设计海况下一年一遇海浪的波幅大小。下浮箱4由一个中央浮箱和三个呈120°放射状布置的侧浮箱构成，作为三个均布倾斜侧柱2与中央立柱1之间的连接结构，代替了原本用于连接的诸多杆件。中央浮箱连接了三个侧浮箱，中央浮现选择六边形结构能够减小立柱1和浮箱4连接处的应力集中。

倾斜侧柱2向外倾斜一定角度，在保证排水量、固有周期满足设计要求的情况下，显著增大水线面惯性矩，从而增大半潜式风机基础的静稳性；倾斜侧柱2在水线面附近恢复为直立侧柱3，波浪作用在直立侧柱3上不会引起显著的波浪爬升，且平台运动时三侧立柱水线面面积始终相同且水线面惯性矩为定值，不会对稳性及平台固有周期造成改变。

在设计过程中，倾斜侧柱2的外倾角度是由下浮箱4的长度以及直立侧柱3距离平台中心的距离决定的，外倾的合理角度在45°到60°范围内。

三个侧立柱(包括倾斜侧柱2和直立侧柱3)的截面为方形，边角处为方形倒圆角。这样可以较好地与下浮箱4进行连接，有利于降低加工、制造难度。此外，方形立柱比圆形立柱涡激运动性能优异。下面对具体模拟分析的情况进行介绍：

应用数值模拟软件star-ccm+对方形直立侧柱平台、方形斜立柱平台和圆形直立侧柱平台在关键折合速度区间内进行了涡激运动响应分析。以下为不同的折合速度ur下、0°和60°入流角度下，圆形直立柱、方形直立柱、以及本发明中立柱形式的风机基础的涡激运动性能对比：如图6和图7所示：结果表明，方形截面立柱平台的涡激运动在锁定区间内的涡激运动响应幅值较常规圆形截面立柱平台均有大幅度降低。圆形直立侧柱平台的横向涡激运动响应幅值的无量纲标称值的最大值出现在0度流向角，折合速度ur＝9时，约为ay/d＝0.481。本发明中立柱形式的平台横向涡激运动响应幅值的无量纲标称值的最大值也出现在0度流向角，折合速度ur＝6时，约为ay/d＝0.279，较圆形立柱降低了42％；0度流向角下，降低了52％。本发明中立柱形式平台和方形直立侧柱平台的横向涡激运动响应幅值均处在较小的量级，二者相差甚微。并且在较高的折合速度下，本发明中的立柱形式相比于方形直立柱的涡激运动幅度更小，证明了该设计的优越性。

在水线面以上采用三根斜撑5连接直立侧柱3和中央立柱1，降低倾斜侧柱2和下浮箱4连接处的作用力；于此同时斜撑倾销角度较小，可作为侧柱到塔架6之间的搭桥，若机舱7内设施需要维修，可将维修船舶驾驶至直立侧柱3附近，维修人员通过斜撑行至塔架底端，进塔维修。

半潜浮式风机基础的性能会直接影响浮式风机的装机功率。当平台作六自由度运动时，风与风机叶片9的相对风速会时时变化，叶片旋转将风力转换成机械能，再经过齿轮箱，驱动机舱7中的发电机发电。该发明中风机基础优异的稳定性、水动力性能、以及涡激运动性能均会提升风力机的风能转换效率，平台综合性能的提高可大大降低海上风能整体开发成本。

本发明的关键点：

1)将直立侧柱向外倾斜一定角度，在保证排水量、固有周期满足设计要求的情况下，显著增大水线面惯性矩，从而增大半潜式风机基础的静稳性。在海流较为严重的海域，外倾的直立侧柱易于改善浮式风机基础的涡激运动问题。使得本发明在海流作用下横向运动减小，造成相对风速稳定性提升，从而提高了风力机的风能转换效率。

2)从水线面下某一距离处直至设计干舷将倾斜侧柱改变为竖直向上，。这样波浪作用在直立侧柱上不会引起显著的波浪爬升；直立侧柱下端与水线面距离为平台所处海况下一年一遇波浪的波幅高度，当平台作纵摇、横摇以及垂荡运动时，三侧柱水线面面积始终相同且水线面惯性矩为定值，不会对稳性及平台固有周期造成影响；若风机故障需要维修，水线面附近的立柱竖直向上，易于维修船舶旁靠。

3)三个侧立柱的截面设计由圆形改为方形，边角处为方形倒圆角。这样可以较好地与下浮箱结构进行连接，有利于降低加工、制造难度。此外，方形立柱比圆形立柱涡激运动性能好。

4)通过下浮箱连接中央立柱与三个周向侧柱，降低平台重心，提高平台稳性；减小结构疲劳损伤，易于安装修理；加大平台的垂向附加质量，延长垂向运动固有周期，避让共振频率。

5)在水线面以上采用三根斜撑连接侧柱和中央立柱，降低侧立柱和下浮箱连接处的作用力；于此同时斜撑倾销角度较小，可作为侧立柱到塔架之间的搭桥，若风机需要维修，可将维修船舶驾驶至侧柱附近，维修人员通过搭桥行至塔架底端，进塔维修。

6)在水线面以下不采用支撑杆件，杆件结构的出入水会导致排水量以及水线面面积的时时变化，使得平台运动状态不稳定，改变为无支柱连接方式后该问题也得以解决。

综上所述，本半潜式风机基础稳性好，水动力性能优越，涡激运动范围小，结构型式简洁，整体结构强度好，在风浪流联合作用下可大大提高风力机的风能转换效率，同时也提高了浮式风机的装机功率。平台综合性能和利用率的提高可大大降低海上风能整体开发成本。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。