一种带有扁平下浮体的半潜型大功率海上浮式风电平台的制作方法

本发明涉及海洋可再生能源技术领域，尤其涉及适合于水深不小于30米海域作业的半潜型大功率海上浮式风电平台。

背景技术：

目前我国海上风电开发利用虽然已有一定的规模，但主要是基于海上固定式风场进行开发，这种风场主要是通过单桩或者导管架式基础将风电机组固定在海床上，两种技术的最大缺陷是在水深超过50米的海域应用将导致工程难度和制造成本急剧增加。而水深超过50米的海域具有风速更高和风品质更好等特点，发电效率更高，开发潜力更大。

浮式风电平台作为一类特殊平台与常规海洋结构物有本质区别，风机本身重量大、重心位置高、受风面积及风倾力矩大等不利因素使浮式风电平台的总体布置和构型设计比传统浮式平台更具技术挑战性。当风机功率增大，机组尺度变大且受到的风载荷增大，若要保证在波浪中(特别是恶劣海况下，有义波高大，谱峰周期长)浮式风电平台运动角度较小，则需要相应的增大浮式风电平台系统横摇和纵摇刚度，若系统的质量矩阵不能相应的增大，必将导致平台共振周期降低，可能会使得共振周期落在波浪周期范围内，使系统发生共振，危及浮式风电平台系统的安全。同时，为了保证浮式风电系统的发电效率，则要求其运动尽可能较小。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种带有扁平下浮体的半潜型大功率海上浮式风电平台，其适用海域广，稳定性和耐波性好，在恶劣海况下生存能力较强。

本发明所采用的技术方案如下：

一种带有扁平下浮体的半潜型大功率海上浮式风电平台，包括风机、塔筒，所述风机安装于塔筒的一端，还包括平台主体、系泊缆及锚固基础，所述平台主体通过系泊缆与锚固基础连接定位；所述平台主体包括多个立柱、多块下浮体及多根上撑杆，各块下浮体互相对接形成多边形结构，各立柱安装在各下浮体表面且位于多边形结构的顶点处，各上撑杆沿所述多边形结构的边线布置并连接于相邻立柱之间，所述塔筒的另一端与任意一个立柱连接。

在相邻下浮体的对接处采用圆滑过渡。

所述下浮体的宽度不小于立柱的宽度。

所述系泊缆在深水区域采用锚链结构，在浅水区域采用锚链与合成缆复合结构。

所述锚固基础采用大抓力锚、重力式锚、桩基或吸力锚中的任意一种。

所述立柱的截面为圆形、椭圆形或倒角方形中的任意一种。

所述下浮体位于水面以下。

本发明的有益效果如下：

(一)本发明结构简单，立柱受浪面积小，且扁平下浮体位于水面以下较深的位置，主体承受的波浪力小，可减小平台在波浪中的运动，提高浮式风电平台的耐波性，同时，由于水下不存在撑杆结构，疲劳节点少，有利于对于平台结构进行维护。

(二)本发明通过在立柱下方设置扁平下浮体，其能为本发明提供足够的浮力且能保证平台结构强度和稳性，在垂直面内为浮式平台提供较大的附加质量，提高平台的共振周期，避开波浪周期，有效解决大功率浮式风电平台共振周期偏低的问题。

(三)下浮体的设置能在垂直面内为浮式风电平台提供较大的辐射阻尼和粘性阻尼，以减小平台的运动响应，提高风机的发电效率。

(四)本发明结构由于采用下浮体使得整个系统结构用钢量减小、性能优良。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的系泊方案图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明的正视图。

图5为本发明的侧视图。

图6为圆形下浮体的尺寸示意图。

图7为方形下浮体的尺寸示意图。

图8为圆形下浮体、方形下浮体、及不同扁平程度下浮体的附加质量对比曲线。

图9为圆形下浮体、方形下浮体、及不同扁平程度下浮体的辐射阻尼对比曲线。

其中：1、风机；2、塔筒；3、立柱；4、下浮体；5、上撑杆；6、系泊缆；7、锚固基础。

具体实施方式

下面说明本发明的具体实施方式。

如图1至图5所示，半潜型大功率海上浮式风电平台包括风机1、塔筒2，风机1安装于塔筒2的一端，还包括平台主体、系泊缆6及锚固基础7，平台主体通过系泊缆6与锚固基础7连接定位；平台主体包括多个立柱3、多块下浮体4及多根上撑杆5，各块下浮体4互相对接并一体形成扁平的多边形结构，下浮体4位于水面以下较深位置处，其承受的波浪力小，可以减小平台主体在波浪中的运动。本实施例中采用三块下浮体4，各块下浮体4对接形成等边三角形结构，各立柱3安装在各下浮体4表面且位于等边三角形结构的顶点处，通过调整立柱3的截面积和等边三角形的边长适应不同功率风机1对平台稳性的要求。各上撑杆5沿等边三角形结构的边线布置并连接于相邻立柱3之间，塔筒2的另一端与任意一个立柱3连接，通过调节压载保证平台总体的重心位置和稳定性。

在相邻下浮体4的对接处采用圆滑过渡。下浮体4的宽度不小于立柱3的宽度。立柱3的截面为圆形、椭圆形或倒角方形中的任意一种。上述三根立柱3在水线附近的受浪面积小，能有效减小平台主体受到的波浪力，提高平台主体的耐波性。风机1的功率越大对平台主体的稳定性要求就越高，因此也可以通过增大立柱3的截面积或增加等边三角形的边长来提高平台的稳定性。

针对不同的风电机组和海况条件，可调整下浮体4的尺寸以满足以下技术要求：

(一)为平台主体提供足够的浮力；

(二)大部分压载舱设置于下浮体，使得本发明整个系统的重心降低，保证平台主体的稳定性。

(三)保证平台结构强度，提高安全性。

(四)为本发明整个系统在垂直面内提供较大的附加质量，使共振周期提高，避开波浪周期；

(五)在垂直面内提供较大的辐射阻尼和粘性阻尼，减小平台的运动响应，提高风机的发电效率。

系泊缆6在深水区域采用锚链结构，在浅水区域采用锚链与合成缆复合结构。锚固基础7采用大抓力锚、重力式锚、桩基或吸力锚中的任意一种，具体系泊系统的方案根据作业海域的具体环境参数进行设计。

本发明将提供浮力、附加质量、阻尼和立柱间的结构支撑功能在下浮体上集中实现，由于下浮体4具有较大的尺寸，显然能为平台提供浮力和进行结构支撑，但如何提供较大的附加质量和阻尼解释如下：

根据三维势流理论可知，物体在水中运动，水会对运动物体产生一个反作用力，这个力我们称之为辐射力，辐射力的表达式为：

上述公式中，为物体加速度，为物体速度，a和b分别为附加质量和辐射阻尼，它们跟物体的形状相关。

如图6、图7所示，通过计算同等体积下圆形下浮体(cylinder)、方形下浮体(box1)和不同扁平程度下浮体(box2～box7)的垂向(沿z轴方向)的附加质量和辐射阻尼进行对比，可以得出越是扁平的下浮体结构，其附加质量和辐射阻尼数值越大。

圆形下浮体、方形下浮体、及不同扁平程度下浮体的尺寸、附加质量对比曲线、辐射阻尼对比曲线如表1、图8和图9所示：

表1：圆形下浮体、方形下浮体、及不同扁平程度下浮体的尺寸

由表1及图8、图9可以得出，圆形下浮体(cylinder)和方形下浮体(box1)计算得到的附加质量和辐射阻尼在波浪频率范围内要比扁平的下浮体要小(b/h>1.0，box2～box7)，且b/h的值越大(即越是扁平)，能提供的附加质量和辐射阻尼数值就越大。

对于粘性阻尼部分，也是与物体的形状相关，与上述辐射阻尼有相似的规律，它是和物体运动方向的阻力系数和面积正相关的，参考挪威船级社规范(dnv-rp-c205,environmentalconditionsandenvironmentalloads)可得到对比物体沿垂向的阻力系数，面积可根据尺寸计算，具体见表2，可以看出，圆形下浮体(cylinder)和方形下浮体(box1)阻力系数与面积的乘积要比扁平下浮体的要小(b/h>1.0，box2～box7)，且b/h的值越大(即越是扁平)，数值越大。

表2：圆形下浮体、方形下浮体、及不同扁平程度下浮体的阻力系数和面积

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。