一种低成本大型化半潜漂浮式海上风机

本发明属于海洋工程，特别涉及一种低成本大型化半潜漂浮式海上风机及其设计方案。

背景技术：

0、技术背景

1、积极推进海上风电的发展是实现碳达峰与碳中和目标、提高清洁能源比重的重要举措。在此背景下，海上风电行业正面临从近岸拓展至远海的重大跃迁，以及从试验性样机向商业规模应用的转型挑战。漂浮式海上风电技术成为开采深远海域风资源的关键创新手段。这种技术通过漂浮基础支持风机并利用系泊系统与海床相连，不受水深限制且独立于复杂的海底地形和地质条件，从而大幅扩展了适用海域和可利用风能资源。作为深远海域风能开发的前沿模式，漂浮式海上风机不仅拥有巨大的发展前景，也已成为研究的焦点之一。为了充分利用中等水深区域的风能资源，半潜式漂浮风机的发展呈现大型化趋势。然而，当前半潜式平台的基础结构设计复杂，形式多样，这导致了建造、组装和安装过程的标准化尚不成熟，同时建造成本尤其是钢材的使用量仍然较高，这些因素均限制了半潜式漂浮风电平台的商业化进程。

2、现有半潜浮式平台，通常，单位用钢量与平台稳定性、承载风机容量正相关，用钢量越大，则平台稳定性通常会越高，承载风机容量也相应增大，这导致大型的浮式平台安装地域受限、且具有极大的用钢量，用钢成本极高。现有半潜浮式平台为保证其稳定性，多采用矩形浮筒，矩形浮筒与立柱垂直连接，具有更高的单位用钢量。然而，矩形浮筒与立柱垂直连接的手段会导致增加连接部位的应力集中的问题，通常，本领域技术人员通过在垂直连接处增加钢材用量，以增加钢用量的手段降低应力，以达提高浮式平台稳定性的作用。由上述，大型的浮式平台用钢量极大，保证了其稳定性，可以具有高的承载风机容量。然而，用钢量的显著增加使得成本急剧增加，限制了大型的浮式平台发展，在保证平台稳定性的同时，能够降低单位用钢量，并提高承载风机容量是本领域所一直渴望解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决大型化半潜漂浮式海上风机用钢量配置优化问题，以显著降低用钢成本，并同时实现相当的排水量及易于组装的目的，特别是还能达到平台稳定性要求。根据本技术一些具体实施方式的半潜漂浮式海上风机，包括

2、风电机组；

3、塔架结构，所述塔架结构的上端部支撑所述风电机组；

4、漂浮式基础，所述漂浮式基础与所述塔架结构的下端部连接，支撑所述塔架结构；

5、系泊系统，所述系泊系统与所述漂浮式基础连接。

6、根据本技术一些具体实施方式的半潜漂浮式海上风机，其中，所述漂浮式基础，包括

7、立柱，所述立柱包括第一立柱、第二立柱以及第三立柱，第一立柱、第二立柱以及第三立柱的轴线垂直水平面设置，且相互平行，三个立柱处于由立柱围成的正三角形的三个顶点位置，每个顶点位置设置一个立柱；

8、主柱，所述主柱与所述塔架结构的下端部连接，所述主柱的轴线垂直水平面设置，且与各立柱的轴线相互平行；

9、上部横撑，所述上部横撑包括第一上部横撑、第二上部横撑以及第三上部横撑，所述第一上部横撑设置在所述第一立柱的朝向所述主柱的外周面与所述主柱的外周面之间，所述第二上部横撑设置在所述第二立柱的朝向所述主柱的外周面与所述主柱的外周面之间，所述第三上部横撑设置在所述第三立柱的朝向所述主柱的外周面与所述主柱的外周面之间；

10、主底部浮筒，所述主底部浮筒的上部侧面自所述主底部浮筒的第一端，由筒体曲面向所述主底部浮筒的第二端过渡为主底部浮筒承载平面，所述主柱竖直设置在所述主底部浮筒承载平面上靠近所述主底部浮筒的第二端的位置；

11、侧底部浮筒，所述侧底部浮筒的上部侧面自所述侧底部浮筒的第一端、第二端，由筒体曲面向所述侧底部浮筒的中部过渡为侧底部浮筒承载平面，所述主底部浮筒、所述侧底部浮筒的轴线平行水平面设置，且处于同一水平位置，所述主底部浮筒的第二端与所述侧底部浮筒的中部位置水平垂直连接；

12、连接浮筒，包括第一连接浮筒、第二连接浮筒以及第三连接浮筒，所述第一连接浮筒与所述第一立柱的底面连接，将所述第一立柱底面以非垂直连接方式过渡连接在轴线平行水平面设置的主底部浮筒的第一端，所述第二连接浮筒与所述第二立柱的底面连接，将所述第二立柱以非垂直连接方式过渡连接在轴线平行水平面设置的侧底部浮筒的第一端，所述第三连接浮筒与所述第三立柱的底面连接，将所述第三立柱以非垂直连接方式过渡连接在轴线平行水平面设置的侧底部浮筒的第二端；

13、其中，所述立柱、所述主柱、所述上部横撑、所述主底部浮筒、所述侧底部浮筒以及所述连接浮筒是空心圆筒。

14、根据本技术一些具体实施方式的半潜漂浮式海上风机，所述第一立柱的底面倾斜设置，所述第一连接浮筒的上、下两个端面倾斜设置，所述主底部浮筒的第一端的端面倾斜设置，所述第一连接浮筒上端面与第一立柱连接面在水平方向呈45°夹角，所述第一连接浮筒下端面与所述主底部浮筒的第一端的端面在水平方向呈现45°夹角；

15、所述第二立柱的底面倾斜设置，所述第二连接浮筒的上、下两个端面倾斜设置，所述侧底部浮筒的第一端的端面倾斜设置，所述第二连接浮筒上端面与第二立柱连接面在水平方向呈45°夹角，所述第二连接浮筒下端面与所述侧底部浮筒的第一端的端面在水平方向呈现45°夹角；

16、所述第三立柱的底面倾斜设置，所述第三连接浮筒的上、下两个端面倾斜设置，所述侧底部浮筒的第二端的端面倾斜设置，所述第三连接浮筒上端面与第三立柱连接面在水平方向呈45°夹角，所述第三连接浮筒下端面与所述侧底部浮筒的第二端的端面在水平方向呈现45°夹角。

17、根据本技术一些具体实施方式的半潜漂浮式海上风机，所述主底部浮筒的上部侧面自主底部浮筒的第一端由筒体曲面以45°水平倾斜角向所述主底部浮筒的第二端过渡为主底部浮筒承载平面；

18、所述侧底部浮筒的上部侧面自所述侧底部浮筒的第一端、第二端，由筒体曲面以45°水平倾斜角向所述侧底部浮筒的中部过渡为侧底部浮筒承载平面。

19、根据本技术一些具体实施方式的半潜漂浮式海上风机，所述侧底部浮筒由筒体曲面以45°水平倾斜角向所述主底部浮筒的第二端过渡为主底部浮筒承载平面；

20、所述侧底部浮筒的上部侧面自所述侧底部浮筒的第一端、第二端，由筒体曲面以45°水平倾斜角向所述侧底部浮筒的中部过渡为侧底部浮筒承载平面。

21、根据本技术一些具体实施方式的半潜漂浮式海上风机，所述第一上部横撑与所述主底部浮筒承载平面在不同水平面高度相对平行设置；

22、所述第二上部横撑与连接第二立柱一侧的所述侧底部浮筒承载平面在不同水平面高度相对平行设置；

23、所述第三上部横撑与连接第三立柱一侧的所述侧底部浮筒承载平面在不同水平面高度相对平行设置。

24、根据本技术一些具体实施方式的半潜漂浮式海上风机，所述各立柱处于同一水平位置且等高。

25、根据本技术一些具体实施方式的半潜漂浮式海上风机，所述系泊系统，包括锚链，所述锚链包括第一锚链以及第二锚链，立柱底部分别与两根锚链连接，每个立柱上以立柱圆心为顶点，以10°角度间隔设置两根所述锚链。

26、根据本技术一些具体实施方式的半潜漂浮式海上风机，所述主柱设置在由所述立柱围成的正三角形内的中点位置，且设置在所述主底部浮筒承载平面上。

27、根据本技术一些具体实施方式的半潜漂浮式海上风机，还包括连接肋板，所述连接肋板设置于相邻的主底部浮筒的筒体和侧底部浮筒之间，连接肋板12成型为等腰直角三角形，其一侧边连接在所述主底部浮筒，另一侧边连接在所述侧底部浮筒。

28、本发明的有益效果：本发明漂浮基础上述立柱、主柱、浮筒以及连接浮筒等结构设计，采用t型结构布局，立柱按正三角形分布，相比现有技术，能够降低钢用量，并且，该结构优化了在不同海洋环境荷载下的性能，能够减少波浪和海流对基础运动性能的影响。在此基础上，漂浮式基础结构主体全面采用空心的圆筒形状，在确保与传统半潜式漂浮基础大体相同的排水体积的前提下，所需用钢量显著降低。

29、在此基础上，本发明通过统一适配立柱、连接浮筒和底部浮筒的外径尺寸，将其设计为圆筒形结构，不仅允许使用成熟的单桩固定式风机构建方法，同时实现了建造方法和流程的标准化，从而大幅度降低了建造成本。

30、在此基础上，在连接立柱与底部浮筒时，本发明实质上是采用提高曲度倾斜连接浮筒的设计，具体方案中相当于连接浮筒设计为与立柱和底部浮筒间是以135°的钝角相连，相较于立柱和底部浮筒间的尖锐的垂直连接能够降低应力，提高平台稳性。特别的，根据两点之间直线最短的原理，连接浮筒是立柱和底部浮筒间的直连，相较于垂直连接所属的弯折连接手段，具有更短的距离，具有更少的用钢量。由此，本发明上述连接的手段既能够降低用钢量，又有效避免了传统垂直连接设计中的应力集中和连接过渡不当的问题，能够提升整个漂浮基础结构的安全性和使用寿命。相较于现有技术解决因垂直连接导致应力集中的问题，在连接处提高用钢量，以降低应力提高平台稳性的手段，本发明上述手段能够克服技术偏见，在降低用钢量的同时，也能够解决应力集中问题，且具有相当的平台稳性。

31、在此基础上，在本发明中，主底部浮筒承载面的构造是通过对主底部浮筒的顶部进行特定深度的水平切割来形成一个平坦的水平承载平面。这一改进允许主柱以更加稳固和精确的方式安装在浮筒之上。通过该设计，安装主柱的复杂性得到显著简化，且接触面的处理变得容易，确保了安装的质量和稳定性。与在未经切割的圆形底部浮筒曲面上直接安装主柱相比，本发明在技术上更容易实现。基于最小表面原理，通过去除圆形浮筒顶部曲面的一部分，并用平面替代，不仅明显降低了底部浮筒的非必要排水体积，还减少了浮筒表面积。此外，减少表面积的还能够降低用于制造底部浮筒的用钢量。进一步地，依据剪应力分布原则，矩形截面在剪切面积方面较圆形截面更具优势，这意味着在承受剪切力时，矩形截面能表现出更强的性能。通过将主底部浮筒的顶部切割成一个水平承载面，其顶部形状由圆弧形转变为水平，有效增加了剪切面积。因此，主底部浮筒承载面的设计，不仅提高了结构的整体稳定性，也增强了抗剪能力，进而提升了整个浮筒结构的性能和安全系数，还减小了主底部浮筒的用钢量。

32、在此基础上，本发明的每个立柱配置两根系泊绳(锚链)，即立柱底部分别与两根锚链连接，每个立柱上以立柱圆心为顶点，以10°角度间隔设置两根所述锚链，该手段不仅增强了结构的定位能力，也为漂浮式基础提供了更高的安全保障。

33、由上述，本发明适用于大型化半潜漂浮式海上风机，通过用钢量配置优化，以显著降低用钢成本，并同时实现相当的排水量及易于组装的目的，特别是还能达到平台稳定性要求，且风机承载容量能够提高。可见，本发明通过上述手段实现了在保证平台稳性的同时，显著降低用钢量，显著提高风机承载容量，相关实验数据请参见具体实施方式的实验部分。