一种张力腿系泊海上浮式风机基础结构的制作方法

1.本发明涉及海上浮式风机技术，尤其涉及一种张力腿系泊海上浮式风机基础结构。


背景技术：

2.随着海上风电工程技术的发展，海上风力发电逐渐显示出良好的经济效益。全球主要海洋国家均加大了对海上风电行业的投入，开展了大量的海上风电开发。目前近海的风场已经得到了较为充分的开发，未来深远海风电开发将成为各国海上风电开发的重点工作。由于工程技术的限制，目前深远海风电开发成本仍然较高，无法满足商业开发的需要。因此寻找成本更加优化的浮式风机方案是当前国际海上风电行业的热点研究方向。
3.目前，世界各地已经进行了多个半潜式浮式风机基础示范应用研究，示范结果表明多数半潜式平台基础目前的成本高于3万元/kw，高于商业化开发成本约2-3倍水平。因此，推进浮式风电的大规模应用，需要大幅降低现有技术成本。


技术实现要素：

4.针对现有浮式风机基础成本过高的问题，本发明的目的在于提出一种张力腿系泊海上浮式风机基础结构，该基础结构具有浮体用钢量少，水平及垂向波流荷载较小，平台结构受力均匀，张力筋腱受力较小，延长张力筋腱寿命，并可以降低锚固基础设计荷载，进而减少锚固基础系统结构尺寸及建造安装成本的优点。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种张力腿系泊海上浮式风机基础结构，包括浮体、系泊系统和锚固系统；
6.所述浮体包括中心立柱、多个外侧立柱和连接在中心立柱与外侧立柱之间并呈星形对称分布的多组浮筒，每组浮筒为两个(上层浮筒和下层浮筒)，两个浮筒呈上下两层布置，所述浮筒远离中心立柱的一端连接在外侧立柱上(所述外侧立柱可以为圆形立柱，也可以为方形，或者多边形柱体)，上下层浮筒中间有1米以上距离，上下层浮筒采用不平行布置，在靠近中心立柱位置较大空隙，以供水流通过，所述中心立柱顶部用于连接海上浮式风机塔筒；上下两层布置的浮筒一方面增加浮筒数量可以提供更多的浮力，另一方面可以减小垂向投影面积，降低水质点与结构作用引起的波浪荷载。此外，上下层浮筒之间的空隙可以让水流绕行通过，降低水流作用在浮筒上的水平荷载；
7.所述浮体外侧立柱底端通过系泊系统与锚固系统连接，即浮体通过系泊系统和锚固系统固定在海床上，所述系泊系统始终处于受拉状态。所述张力腿系泊海上浮式风机基础结构可以提供较大浮力，确保系统在各种海洋环境条件下始终保持正浮力，即系泊系统始终处于受拉状态，实现张力腿浮式风机基础功能。
8.进一步地，所述浮体包括3-8组浮筒，优选3-5组浮筒。多组浮筒围绕中心立柱中心对称布置。
9.进一步地，所述浮筒截面为圆形、方形或者多边形。根据建造、安装和运行要求具
体确定。
10.进一步地，所述浮筒结构形式为加筋板壳形式。
11.进一步地，所述浮筒截面保持统一形状或者沿轴向逐渐变化，所述浮筒可以保持均匀截面或者远离中心立柱一侧径向截面半径较小，靠近中心立柱一侧径向截面半径较大，以便承受中心处较大的弯矩作用。
12.进一步地，下层浮筒可以水平布置或者向下倾斜(倾斜角为0-30度)，上层浮筒可以水平布置或者向上倾斜(倾斜角为0-30度)。倾斜角度视制造，安装，以及在位工况要求制定。
13.进一步地，所述浮筒材料为钢、混凝土或其他满足强度、腐蚀要求的复合材料，所述复合材料包括但不限于玻璃纤维增强材料。本发明通过优化形状，减小体积实现降低用钢量。
14.进一步地，所述系泊系统为张力筋腱。所述张力筋腱在生命周期内，保持张紧状态，并保持张紧力处于较高水平，避免由于风机及基础运动导致整体失稳。
15.进一步地，所述每个外侧立柱连接2-3条张力筋腱。
16.进一步地，所述张力筋腱为钢管、锚链、钢缆或复合纤维材料。
17.进一步地，所述张力筋腱可以垂直于海床或者稍微倾斜。
18.进一步地，所述锚固系统为吸力桶基础、桩基础或重力式基础。
19.进一步地，所述中心立柱顶部预留法兰盘，以便于与海上浮式风机塔筒连接。
20.本发明的另一个目的还公开了一种海上浮式风机系统，包括上述张力腿系泊海上浮式风机基础结构、塔筒和风机，所述风机安装在塔筒上端，所述塔筒下端连接在中心立柱的顶部。海上浮式风机系统采用双层浮筒形式，在提高浮力的同时，不增加波浪荷载，同时双层浮筒提供了较大的结构强度，降低节点钢材内部应力水平提高结构安全性。
21.所述海上浮式风机系统的安装：1)本发明新型张力腿形式浮式风机平台，在岸边码头进行张力腿系泊海上浮式风机基础结构、塔筒和风机机组及叶片的集成。2)在风机机位预先进行锚固系统，张紧系泊系统的安装。安装后的张紧系泊系统可以临时放置在海底或者用临时浮筒张紧布置在水中。3)集成后的浮式风机系统借助运输辅助浮体或者驳船运输到风机机位进行就位安装。4)浮式风机到达机位点之后，压载降低吃水与张紧系泊系统连接。连接完成之后，排出压载水使浮体上浮，拉紧张紧系泊系统，完成浮体就位安装。
22.本发明张力腿系泊海上浮式风机基础结构及海上浮式风机系统，与现有技术相比较具有以下优点：
23.1)本发明张力腿浮式风机基础概念形式，考虑了张力腿浮式基础的受力特点，采用上下两层浮筒结构，一方面增加结构整体浮力，另一方面减少垂向投影面积，达到降低垂向波浪、海流荷载的目的，进而降低张力筋腱的交变荷载幅值，提高张力筋腱的疲劳寿命。此外，上下两层布置的浮筒中间留有水平空隙，可以供水流绕行通过，起到降低平台水平方向波流荷载的目的。进而降低平台运动和张力筋腱受力。
24.3)相比半潜式浮式风机，张力腿形式的浮式基础可能有较大的成本优化空间。与半潜式风机相比张力腿浮式风机主要有多个优势，一是张力腿浮式基础尺度较小，用钢量小于半潜式浮式风机，一般可以小30％左右用钢量。是张力腿浮式风机系泊系统长度较小，可以达到悬链线系泊系统的1/5
–
1/10，成本低于半潜式风机的悬链线式系泊系统。三是张
力腿浮式基础运动性能优异，平台摇摆运动和横荡运动可以达到半潜式基础1/10量级，因此其对上部机组友好，可以显著增加风机机组的可靠性，进而降低机组成本。四是张力腿基础对动态海缆设计有利，因为动态浮体运动较小，因此动态海缆线型设计容易，且可以显著降低动态海缆疲劳损伤。
25.4)本发明为张力腿形式浮式风机基础，与其他浮式基础相比，在有限的用钢量条件下，可以提供更多的浮力。提高钢材的使用效率，降低浮式基础成本。
26.5)本发明提出的浮式基础形式，可以提供更多的浮力，而不增加浮体的垂向受力，降低张力筋腱受力和锚固系统受力，进而降低张紧系泊、锚固系统成本。
27.6)本发明提出张力筋腱系泊系统，充分利用材料自身拉伸性能提供系泊刚度，与悬链线系泊方式相比，其系泊系统长度大幅度降低，系泊系统配件数量要求更少，系泊成本大幅降低。
28.7)本发明提出的浮体形式具有更高的弯曲刚度，结构受力性能更加合理，热点应力水平有较大改善，结构应用更加安全。
附图说明
29.图1为实施例1海上浮式风机系统的结构示意图；
30.图2为实施例1张力腿系泊海上浮式风机基础结构的结构示意图；
31.图3为实施例2海上浮式风机系统的结构示意图；
32.图4为实施例2张力腿系泊海上浮式风机基础结构的结构示意图；
33.图5为实施例3海上浮式风机系统的结构示意图；
34.图6为实施例3张力腿系泊海上浮式风机基础结构的结构示意图；
35.图7为实施例4海上浮式风机系统的结构示意图；
36.图8为实施例4张力腿系泊海上浮式风机基础结构的结构示意图。
具体实施方式
37.以下结合实施例对本发明进一步说明：
38.实施例1
39.本实施例公开了一种张力腿系泊海上浮式风机基础结构如图1和图2所示，包括浮体3、系泊系统4和锚固系统5；
40.所述浮体3包括圆柱形中心立柱6、外侧立柱和连接在中心立柱与外侧立柱之间并呈星形对称分布的3组浮筒，3组浮筒围绕中心立柱6中心对称布置。每组浮筒为两个，分别为上层浮筒8和下层浮筒9，两个浮筒呈上下两层布置，所述下层浮筒9水平布置，上层浮筒8远离中心立柱6的一端向下倾斜。上层浮筒8和下层浮筒9靠近中心立柱6的一端具有超过1米的间距，上层浮筒8和下层浮筒9远离中心立柱6的一端间距较小。上层浮筒8倾斜角度视制造，安装，以及在位工况要求制定。上下层浮筒中间在靠近中心立柱位置形成空隙，以供水流通过，降低水流作用在浮筒上的水平荷载。
41.所述浮筒远离中心立柱的一端连接在外侧立柱7上，所述外侧立柱7为与浮筒轮廓相同的柱体，所述浮筒截面方形，外侧立柱7为与浮筒截面相同的方形。所述浮筒截面逐渐变化，所述浮筒远离中心立柱6一侧径向截面半径较小，靠近中心立柱一侧径向截面半径较
大，以便承受中心处较大的弯矩作用。所述浮筒结构形式为加筋板壳形式。所述浮筒材料为玻璃纤维增强材料。上下两层布置的浮筒一方面增加浮筒数量可以提供更多的浮力，另一方面可以减小垂向投影面积，降低水质点与结构作用引起的波浪荷载。
42.所述浮体3外侧立柱7底端通过系泊系统4与锚固系统5连接，即浮体3通过系泊系统4和锚固系统5固定在海床上，所述系泊系统4始终处于受拉状态。本实施例中所述系泊系统4为张力筋腱，张力筋腱在生命周期内，保持张紧状态，并保持张紧力处于较高水平，避免由于风机及基础运动导致整体失稳。本实施例所述每个外侧立柱7连接2条张力筋腱，所述张力筋腱为锚链，所述张力筋腱垂直于海床。所述锚固系统为桩基础。
43.本实施例所述张力腿系泊海上浮式风机基础结构可以提供较大浮力，确保系统在各种海洋环境条件下始终保持正浮力，系泊系统始终处于受拉状态，实现张力腿浮式风机基础功能。
44.本实施例还公开了一种海上浮式风机系统，如图1所示，包括上述张力腿系泊海上浮式风机基础结构、塔筒2和风机1，所述风机1安装在塔筒2上端，所述塔筒2下端通过法兰连接在中心立柱6的顶部。张力腿形式浮式风机采用双层浮筒形式，在提高浮力的同时，不增加波浪荷载，同时双层浮筒提供了较大的结构强度，降低节点钢材内部应力水平提高结构安全性。
45.本发明海上浮式风机系统的安装：在岸边码头进行浮体，塔筒和风机机组、叶片的集成。在风机机位预先进行锚固系统，张紧系泊系统的安装。安装后的张紧系泊系统可以临时放置在海底或者用临时浮筒张紧布置在水中。集成后的浮式风机系统借助运输辅助浮体或者驳船运输到风机机位进行就位安装。浮式风机到达机位点之后，压载降低吃水与张紧系泊系统连接。连接完成之后，排出压载水使浮体上浮，拉紧张紧系泊系统。完成浮体就位安装。
46.实施例2
47.本实施例公开了一种张力腿系泊海上浮式风机基础结构如图3和图4所示，包括浮体3、系泊系统4和锚固系统5；
48.所述浮体3包括中心立柱6和连接在中心立柱侧壁上并呈星形对称分布的4组浮筒。4组浮筒围绕中心立柱6中心对称布置。每组浮筒为两个，分别为上层浮筒8和下层浮筒9，两个浮筒呈上下两层布置，所述浮筒远离中心立柱的一端连接在外侧立柱7上，所述外侧立柱为与浮筒轮廓相同的柱体，所述浮筒截面为方形。
49.所述浮筒结构形式为加筋板壳形式。所述浮筒径向截面保持一致。所述下层浮筒9水平布置，上层浮筒8远离中心立柱6的一端向下倾斜。倾斜角度视制造，安装，以及在位工况要求制定。所述浮筒材料为混凝土。上下层浮筒中间在靠近中心立柱位置形成空隙，以供水流通过，降低水流作用在浮筒上的水平荷载。所述中心立柱顶部用于连接海上浮式风机塔筒；上下两层布置的浮筒一方面增加浮筒数量可以提供更多的浮力，另一方面可以减小垂向投影面积，降低水质点与结构作用引起的波浪荷载。所述浮体3外侧立柱底端通过系泊系统4与锚固系统5连接，即浮体3通过系泊系统4和锚固系统5固定在海床上，所述系泊系统始终处于受拉状态。所述系泊系统4为张力筋腱。张力筋腱在生命周期内，保持张紧状态，并保持张紧力处于较高水平，避免由于风机及基础运动导致整体失稳。所述每个外侧立柱7连接2条张力筋腱。所述张力筋腱为钢管。所述张力筋腱与海床的夹角略小于90度。所述锚固
系统为重力式基础。
50.本实施例所述张力腿系泊海上浮式风机基础结构可以提供较大浮力，确保系统在各种海洋环境条件下始终保持正浮力，系泊系统始终处于受拉状态，实现张力腿浮式风机基础功能。
51.本实施例还公开了一种海上浮式风机系统，如图4所示，包括上述张力腿系泊海上浮式风机基础结构、塔筒2和风机1，所述风机1安装在塔筒上端，所述塔筒下端通过法兰连接在中心立柱的顶部。张力腿形式浮式风机采用双层浮筒形式，在提高浮力的同时，不增加波浪荷载，同时双层浮筒提供了较大的结构强度，降低节点钢材内部应力水平提高结构安全性。
52.本发明海上浮式风机系统的安装：在岸边码头进行浮体，塔筒和风机机组、叶片的集成。在风机机位预先进行锚固系统，张紧系泊系统的安装。安装后的张紧系泊系统可以临时放置在海底或者用临时浮筒张紧布置在水中。集成后的浮式风机系统借助运输辅助浮体或者驳船运输到风机机位进行就位安装。浮式风机到达机位点之后，压载降低吃水与张紧系泊系统连接。连接完成之后，排出压载水使浮体上浮，拉紧张紧系泊系统。完成浮体就位安装。
53.实施例3
54.本实施例公开了一种张力腿系泊海上浮式风机基础结构如图5和图6所示，包括浮体3、系泊系统4和锚固系统5；
55.所述浮体3包括中心立柱6和连接在中心立柱侧壁上并呈星形对称分布的3组浮筒。3组浮筒围绕中心立柱6中心对称布置。每组浮筒为两个，分别为上层浮筒8和下层浮筒9，两个浮筒呈上下两层布置，所述浮筒远离中心立柱的一端连接在外侧立柱7上，所述外侧立柱为圆形立柱，所述浮筒截面为圆形。所述浮筒结构形式为加筋板壳形式。所述浮筒径向截面逐渐变化，所述浮筒远离中心立柱一侧径向截面半径较小，靠近中心立柱一侧径向截面半径较大，以便承受中心处较大的弯矩作用。所述下层浮筒9水平布置，上层浮筒8远离中心立柱6的一端向下倾斜。倾斜角度视制造，安装，以及在位工况要求制定。所述浮筒材料为混凝土。上下层浮筒中间在靠近中心立柱位置形成空隙，以供水流通过，降低水流作用在浮筒上的水平荷载。所述中心立柱顶部用于连接海上浮式风机塔筒；上下两层布置的浮筒一方面增加浮筒数量可以提供更多的浮力，另一方面可以减小垂向投影面积，降低水质点与结构作用引起的波浪荷载。
56.所述浮体3外侧立柱底端通过系泊系统4与锚固系统5连接，即浮体3通过系泊系统4和锚固系统5固定在海床上，所述系泊系统始终处于受拉状态。所述系泊系统4为张力筋腱。张力筋腱在生命周期内，保持张紧状态，并保持张紧力处于较高水平，避免由于风机及基础运动导致整体失稳。所述每个外侧立柱7连接3条张力筋腱，所述张力筋腱为钢缆。所述张力筋腱垂直于海床。所述锚固系统为吸力桶基础。
57.所述张力腿系泊海上浮式风机基础结构可以提供较大浮力，确保系统在各种海洋环境条件下始终保持正浮力，系泊系统始终处于受拉状态，实现张力腿浮式风机基础功能。
58.本实施例还公开了一种海上浮式风机系统，如图5所示，包括上述张力腿系泊海上浮式风机基础结构、塔筒2和风机1，所述风机1安装在塔筒上端，所述塔筒下端通过法兰连接在中心立柱的顶部。张力腿形式浮式风机采用双层浮筒形式，在提高浮力的同时，不增加
波浪荷载，同时双层浮筒提供了较大的结构强度，降低节点钢材内部应力水平提高结构安全性。
59.本发明海上浮式风机系统的安装：在岸边码头进行浮体，塔筒和风机机组、叶片的集成。在风机机位预先进行锚固系统，张紧系泊系统的安装。安装后的张紧系泊系统可以临时放置在海底或者用临时浮筒张紧布置在水中。集成后的浮式风机系统借助运输辅助浮体或者驳船运输到风机机位进行就位安装。浮式风机到达机位点之后，压载降低吃水与张紧系泊系统连接。连接完成之后，排出压载水使浮体上浮，拉紧张紧系泊系统。完成浮体就位安装。
60.实施例4
61.本实施例公开了一种张力腿系泊海上浮式风机基础结构如图7和图8所示，包括浮体3、系泊系统4和锚固系统5；
62.所述浮体3包括中心立柱6和连接在中心立柱侧壁上并呈星形对称分布的4组浮筒。4组浮筒围绕中心立柱6中心对称布置。每组浮筒为两个，分别为上层浮筒8和下层浮筒9，两个浮筒呈上下两层布置，所述浮筒远离中心立柱的一端连接在外侧立柱7上，所述外侧立柱为圆形立柱，所述浮筒截面为圆形。所述浮筒结构形式为加筋板壳形式。所述浮筒径向截面保持一致。所述下层浮筒9水平布置，所述上层浮筒8远离中心立柱6的一端向下倾斜。倾斜角度视制造，安装，以及在位工况要求制定。所述浮筒材料为玻璃纤维增强材料。上下层浮筒中间在靠近中心立柱位置形成空隙，以供水流通过，降低水流作用在浮筒上的水平荷载；所述中心立柱顶部用于连接海上浮式风机塔筒；上下两层布置的浮筒一方面增加浮筒数量可以提供更多的浮力，另一方面可以减小垂向投影面积，降低水质点与结构作用引起的波浪荷载。
63.所述浮体3外侧立柱底端通过系泊系统4与锚固系统5连接，即浮体3通过系泊系统4和锚固系统5固定在海床上，所述系泊系统始终处于受拉状态。所述系泊系统4为张力筋腱。张力筋腱在生命周期内，保持张紧状态，并保持张紧力处于较高水平，避免由于风机及基础运动导致整体失稳。所述每个外侧立柱7连接2条张力筋腱，所述张力筋腱为复合纤维材料，所述张力筋腱垂直于海床。所述锚固系统为吸力桶基础。
64.所述张力腿系泊海上浮式风机基础结构可以提供较大浮力，确保系统在各种海洋环境条件下始终保持正浮力，系泊系统始终处于受拉状态，实现张力腿浮式风机基础功能。
65.本实施例还公开了一种海上浮式风机系统，如图7所示，包括上述张力腿系泊海上浮式风机基础结构、塔筒2和风机1，所述风机1安装在塔筒上端，所述塔筒下端通过法兰连接在中心立柱的顶部。张力腿形式浮式风机采用双层浮筒形式，在提高浮力的同时，不增加波浪荷载，同时双层浮筒提供了较大的结构强度，降低节点钢材内部应力水平提高结构安全性。
66.本发明海上浮式风机系统的安装：在岸边码头进行浮体，塔筒和风机机组、叶片的集成。在风机机位预先进行锚固系统，张紧系泊系统的安装。安装后的张紧系泊系统可以临时放置在海底或者用临时浮筒张紧布置在水中。集成后的浮式风机系统借助运输辅助浮体或者驳船运输到风机机位进行就位安装。浮式风机到达机位点之后，压载降低吃水与张紧系泊系统连接。连接完成之后，排出压载水使浮体上浮，拉紧张紧系泊系统。完成浮体就位安装。
67.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。