一种具有倾斜侧柱的全潜式海上风机浮式平台的制作方法

1.本实用新型涉及浮式平台，具体涉及一种具有倾斜侧柱的全潜式海上风机浮式平台。


背景技术：

2.海上风能作为全球风能产业的一个重要组成部分越来越受到关注。一般情况下，0
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50米水深的浅海区域，多采用固定式风机；50米以上水深的深海区域，风力资源更加丰富且稳定，但固定式风机不再适用，需开发与水深范围相适应的浮式平台。我国属于大陆架国家，水深200米以上海域距离海岸较远，因此，开发适用于水深范围50
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200米的浮式平台更符合我国海上风能发展的国情。
3.目前主流的浮式平台有spar式、张力腿式、半潜式等。spar式浮式平台水线面积小、受波浪荷载影响小，但水下结构吃水深，不适用于水深100米以下的海域；半潜式浮式平台适用水深合理，水线面积大，回复力矩大，稳定性好，但易受到波浪载荷的影响，产生非定常运动。因此，可将两种结构结合，制备水线面积小且回复力矩大的浮式平台，用于目标水深范围海域。
4.cn106759454a公开了一种全潜分离式风机基础，由潜浮式基础和风机体系组成，所述潜浮式基础包括套筒、支撑架、潜浮筒、张紧线和悬链线，套筒、支撑架、潜浮筒通过张紧线和悬链线固定于海面以下，结合了spar式风机较小的水线面积，塔筒受波浪荷载小，采用了半潜式基础回复力矩大的优点，并通过张力线把浮筒拉入水中，具有较高的竖直与水平稳定性。但是张力线与海底锚固点的连接安装困难，而且张力线需要时刻紧绷以提供张力抵消多余浮力，而产生疲劳载荷，需要定期更换，增加了安装与材料成本。
5.因此，可在现有的全潜式平台结构基础上进行改进，通过自身结构增大惯性半径和柱面横截面积，以提高稳定性，避免张力线的使用。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种具有倾斜侧柱的全潜式海上风机浮式平台，该浮式平台引入倾斜侧柱和垂荡板，通过增大惯性矩和增大柱面横截面积的方式，提高浮式平台各向运动的稳定性。
7.本实用新型的目的通过以下技术方案实现：一种具有倾斜侧柱的全潜式海上风机浮式平台包括中心立柱、倾斜侧柱、垂荡板和支撑架，倾斜侧柱围绕中心立柱放置，倾斜侧柱间以及倾斜侧柱与中心立柱间通过支撑架连接，垂荡板与倾斜侧柱底部连接；所述倾斜侧柱为顶部与底部直立，中部向外倾斜的构件，通过增大惯性半径以增大惯性矩，提高稳定性；所述垂荡板为直径大于倾斜侧柱底部直径的圆形薄板，通过增大柱面横截面积，提高稳定性。
8.优选的，所述支撑架包括水平浮筒，水平圆形截面横撑，矩形截面横撑和圆形截面横撑，所述水平浮筒连接倾斜侧柱底部，所述水平圆形截面横撑连接水平浮筒和中心立柱
底部，所述矩形截面横撑连接倾斜侧柱顶部和中心立柱中部，所述圆形截面横撑连接倾斜侧柱顶部和中心立柱上部，通过支撑架结构降低倾斜侧柱与中心立柱连接处的应力和疲劳载荷。
9.优选的，所述具有倾斜侧柱的全潜式海上风机浮式平台包括一个中心立柱、三个倾斜侧柱、三个垂荡板、三个水平浮筒、三个水平圆形截面横撑、三个矩形截面横撑和三个圆形截面斜撑。所述三根倾斜侧柱围绕中心立柱形成三角结构，其底部分别位于三角形的三个端点位置，端点间分别通过水平浮筒焊接连接，并分别通过三个水平圆形截面横撑焊接连接水平浮筒和中心立柱底部；其顶部通过三个矩形截面横撑与中心立柱中部焊接连接，并通过三个圆形截面斜撑与中心立柱上部焊接连接。
10.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
11.1）本实用新型将倾斜侧柱引入全潜式海上风机浮式平台，其中部向外倾斜的构件，通过增大惯性半径以增大惯性矩，提高稳定性；并在倾斜侧柱底部安装垂荡板，通过增大柱面横截面积进一步提高稳定性。
12.2）本实用新型通过支撑架结构连接倾斜侧柱与中心立柱，并减少因倾斜侧柱增大惯性半径而导致的支撑结构应力和疲劳荷载增大的问题。
13.3）本实用新型通过中心立柱、倾斜侧柱、支撑架材料调节浮力和重力达到全潜平衡状态，避免使用张力线的使用。
14.4）本实用新型通过结构优化和材料选择，减少用钢量，相比于半潜式平台节约了制造成本；相比于spar式浮式平台，节约了运输、安装成本。
附图说明
15.图1为本实用新型具有倾斜侧柱的全潜式海上风机浮式平台的立体图；
16.图2为本实用新型具有倾斜侧柱的全潜式海上风机浮式平台的俯视图；
17.图3为本实用新型具有倾斜侧柱的全潜式海上风机浮式平台的左视图；
18.图4（a）为本实用新型与半潜式浮式平台、spar式浮式平台时域6自由度运动响应图（纵荡）；
19.图4（b）为本实用新型与半潜式浮式平台、spar式浮式平台时域6自由度运动响应图（横荡）；
20.图4（c）为本实用新型与半潜式浮式平台、spar式浮式平台时域6自由度运动响应图（垂荡）；
21.图4（d）为本实用新型与半潜式浮式平台、spar式浮式平台时域6自由度运动响应图（横摇）；
22.图4（e）为本实用新型与半潜式浮式平台、spar式浮式平台时域6自由度运动响应图（纵摇）；
23.图4（f）为本实用新型与半潜式浮式平台、spar式浮式平台时域6自由度运动响应图（首摇）；
24.图5为本实用新型与半潜式浮式平台、spar式浮式平台性能对比图。
25.其中，1
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中心立柱，2
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倾斜侧柱，3
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水平浮筒，4
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水平圆形截面横撑，5
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垂荡板，6
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矩形截面横撑，7
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圆形截面横撑。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细描述，所述的实施例有助于对本实用新型的理解和实施，并非构成对本实用新型的限制。
27.实施例1
28.如图1至3所示，一种具有倾斜侧柱的新型海上风机浮式平台，包括中心立柱1、倾斜侧柱2、水平浮筒3、水平圆形截面横撑4、垂荡板5、矩形截面横撑6与圆形截面斜撑7。三根倾斜侧柱2围绕中心立柱1形成三角结构（以三根倾斜侧柱为例进行说明，但不作为限制，倾斜侧柱数量可根据需要设置为四根、五根等，围绕中心立柱等距排布，并相应增加水平浮筒、水平圆形截面横撑、垂荡板、矩形截面横撑与圆形截面斜撑的数量）。三根倾斜侧柱2的底部与垂荡板5连接，分别位于三角形的三个端点位置，端点间分别通过水平浮筒3焊接连接，形成闭合的三角形。中心立柱1竖直位于三角形的中心位置，其与三个水平浮筒3间分别通过三个水平圆形截面横撑4与中心立柱1底部焊接连接。三根倾斜侧柱2的顶部分别通过三个矩形截面横撑6与中心立柱1中部焊接连接。三个圆形截面斜撑7 分别焊接连接三根倾斜侧柱2的顶部和中心立柱1上部。中心立柱1上部通过法兰与风电机组塔筒相连，用以传递上部风机受到外部环境作用运行时所产生的载荷，同时便于装卸。
29.倾斜侧柱2的上部与中部为空心密闭钢筒，以提供足够的浮力，下部为混凝土重块提供压载重量，以降低平台整体重心，提高稳定性。水平浮筒3由空心密闭钢筒制成，并与倾斜侧柱2底部相连，提供部分浮力的同时降低倾斜侧柱2直接与中心立柱1连接处的应力与疲劳载荷。水平圆形截面横撑4采用钢制圆柱，连接水平浮筒3与中心立柱1的同时，提供部分重力。垂荡板5采用两倍于倾斜侧柱2直径的钢制圆形薄板，代替传统半潜式平台的混凝土附加质量块，增大垂向横截面积的同时，大大降低浮式平台整体质量。矩形截面横撑6采用空心钢筒，为倾斜侧柱2与中心立柱1之间主要的连接部件，连接处承受大部分载荷，同时在不大幅改变浮式平台整体质量的基础上，大大增加浮式平台排水体积，提高整体浮力。圆形截面斜撑7采用钢制圆柱，承受部分载荷，降低矩形截面横撑6连接处应力与疲劳载荷。
30.实施例2
31.为验证浮式平台设计合理性，利用商用水动力软件aqwa计算浮式风机在实际环境中的时域响应，根据北太平洋每年海况统计数据选择环境工况：风速11.4 (m/s)、有义波高5 (m)、波浪周期12.4 (s)、海水流速0.5 (m/s)，水深为200m，风浪流方向均为垂直于叶轮方向，分析时间为3000s，考虑到起动瞬时效应，截取500s~3000s的时域结果进行分析，结果如表1所示。
32.表1三种浮式风机时域6自由度运动响应
[0033][0034]
表1结果表明，本实用新型新平台的纵荡幅值最小，为
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15.56m，且随着时间的推移而逐渐稳定在
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9.478m附近，说明新平台在渡过起动瞬态效应之后，纵荡位移逐渐趋于稳定，相比于其他两种浮式平台的大幅周期性波动会给系泊缆带来很大的疲劳载荷，新平台纵荡的稳定性更为优越。新平台的横荡稳定性和垂荡稳定性均介于半潜式平台和spar式平台之间。新平台的横摇角度基本稳定在
‑
0.285
°
附近做小幅波动，仅在起动时出现较大峰值，为
‑
1.755
°
，新平台较小的横摇角度可以很好的降低塔基侧面弯矩与疲劳载荷。新平台的纵摇稳定性介于半潜式平台和spar式平台之间，避免纵摇角度过大导致风力机塔架承受过大载荷而倾覆。新平台的首摇角度极小，在0.01
°
上下波动，减小塔基扭矩，增大风轮迎风面积，提高发电功率。因此，本实用新型新平台能够提高各向运动的稳定性。
[0035]
实施例3
[0036]
如图5所示，本实用新型新平台质量与排水体积均小于半潜式浮式平台，考虑到半潜式平台有很大一部分平台均在水面之上，故新平台用钢量要远远小于半潜式平台，且新平台水线面积约为半潜式平台的1/6。因此，与半潜式平台相比，本实用新型新平台的制造成本低于半潜式浮式平台。
[0037]
本实用新型新平台得到在位吃水约为spar式浮式平台的1/6，而且由于spar式平台吃水过深，往往采用船舶分段运输到安装地点，而新平台直接拖航，降低了运输、安装成本。