基于单点系泊的半潜浮式平台和偏心式风机系统

1.本发明属于可再生能源利用领域，涉及漂浮式风机系统，特别涉 及一种基于单点系泊的新型半潜浮式平台及系泊系统。


背景技术：

2.当今化石能源急剧短缺，环境污染、气候变化等问题愈加严重。为解决上述问题，各国政府积极推进可再生能源技术的发展。作为最具商业前景的可再生能源之一，大力开发风电资源已成为解决我国能源短缺以及环境污染等问题的重要途径。与陆上风能相比，海上风能资源更为丰富和稳定，节约土地资源，是未来中国风电发展的主要方向。
3.近年来，海上风电的开发正逐步从近海走向深远海，在这个过程 中，国内外学者和科研单位提出了许多漂浮式风机基础的概念设计方 案，包括spar式、半潜式、tlp以及驳船式风机基础，其中半潜式 漂浮式风机基础因其适用水深较广，运输安装方便，可扩展性较高， 得到了较高的关注。目前，半潜式平台的立柱和浮筒多为圆形截面， 如braceless、oc4-deepcwind、oo-star等。相应的，半潜浮式风机 平台多采用悬链线形式的多点分布式系泊方式。但是采用圆形或矩形 截面的立柱所受的波浪力和水流力较大，此外偏心设计方案相较于中 心布置方案平台基础的材料用量较少，但是平台在不同方位角的环境 载荷作用下的运动响应和稳性存在较大差别，平台的横稳性相较于纵 稳性往往较小，当来浪方向为90
°
时，平台的稳性较差。


技术实现要素：

4.为了降低平台所受环境载荷，本发明提出如下技术方案：一种基 于单点系泊的半潜浮式平台，包括工作桥、立柱、垂荡板和浮筒，工 作桥包括横桥板和纵桥板，纵桥板的一桥板端部与横桥板的中部水平 连接，两个横桥板的桥板端部和另一纵桥板的桥板端部向下连接立 柱，立柱包括前部的圆柱部分和后部的尖状柱部分，立柱向下连接垂 荡板，对应所述两个横桥板的桥板端部的两个垂荡板是横桥垂荡板， 对应所述另一纵桥板的桥板端部的垂荡板是纵桥垂荡板，横桥垂荡 板、纵桥垂荡板间通过连接在各垂荡板上的浮筒连接，且在浮筒连接 的位置成型浮筒空腔，转塔系泊装置安装在所述浮筒空腔中，使浮筒 相对系泊于海底的转塔系泊装置可转动。
5.进一步的，纵桥板的一桥板端部与横桥板的中间位置水平且垂直 连接，两个横桥板的桥板端部和另一纵桥板的桥板端部在空间中位于 由此三个桥板端部构造成的三角形的三个顶点位置上，横桥垂荡板连 接的浮筒平行于位于其上方的横桥板，纵桥垂荡板连接的浮筒平行于 位于其上方的纵桥板，且浮筒空腔成型在两个横桥垂荡板的中间位 置。
6.进一步的，所述构造成的三角形为正三角形。
7.进一步的，两个横桥垂荡板连接的浮筒及纵桥垂荡板连接的浮筒 水平且垂直连接在两个横桥垂荡板的中间位置，且不同的浮筒间通过 平面式连接使得两浮筒的侧面夹角为非直角。
8.进一步的，浮筒间连接形成的浮筒连接部的外形呈正六边体，并 且在正六边体的中心开设竖向贯穿的浮筒空腔。
9.进一步的，转塔系泊装置包括多排滚珠轴承和位于滚珠轴承内圈 中的转轴，转轴通过锚链系泊于海底，轴承外圈的外周与浮筒固定， 使浮式平台能绕内转塔式系泊装置的中心轴线自由转动。
10.进一步的，立柱的形状通过对圆柱使用两个矩形平面与圆柱面相 切而成型。
11.进一步的，立柱或垂荡板或浮筒的内部设置隔板，通过隔板在各 自内部划分一定数量的舱室，水线面附近的舱室的高度低于非此位置 处的舱室的高度。
12.进一步的，立柱前部圆柱部分或垂荡板或浮筒内部布置压载舱， 立柱后部尖状柱部分的内部布置劲肋板。
13.一种基于单点系泊的半潜浮式偏心式风机系统，包括风机和任一 项所述的平台，风机塔筒的安装位置位于横桥板的中间，并且与横桥 板下方的转塔系泊装置相对。
14.有益效果：本发明风机安装横桥板的中间形成偏心浮式平台，相 较于四立柱的对称浮式平台能够减少立柱，降低了用钢量，从而降低 成本。同时，降低了现有平台载荷，且通过翼形截面的立柱可有效减 小水动力荷载而进一步降低载荷。相较于现有对称浮式平台，本发明 采取了非对称平台结构，进一步通过转塔式系泊装置和偏航系统配 合，使得半潜浮式风机系统具有风标效应，使平台始终在平台稳性较 好的方位角下运行，能够保证平台稳性并降低载荷，从而降低平台的 运动响应。
附图说明
15.图1是本发明提供的一种与转塔式系泊装置相结合的新型半潜 浮式风机系统的结构示意图。
16.图2是转塔式系泊装置示意图。
17.图3是新型半潜浮式风机系统立柱的结构示意图。
18.1.叶片，2.机舱，3.轮毂，4.塔筒，5.水面线，6.工作桥，7.立柱， 8.垂荡板，9.浮筒，10.转塔式系泊装置，11.锚链，12.海床，13.滚珠 式轴承，14.转轴，15.导缆孔。
具体实施方式
19.以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。
20.如图1所示，基于单点系泊的半潜浮式偏心式风机系统，该系统 包含风机和半潜浮式平台。风机包含叶片1、机舱2、轮毂3和塔筒 4，机舱2通过轮毂3与叶片1连接，风机下部与塔筒4相连，塔筒 4底部通过法兰与半潜浮式平台相连，半潜浮式平台包括工作桥6、 立柱7、垂荡板8和浮筒9，其中三根立柱7上部通过工作桥6连接， 立柱7下部固定连接圆形垂荡板8，用于降低半潜漂浮式平台在垂荡 方向的运动加速度，风机固定在两个相互垂直的工作桥6的横桥板和 纵桥板的连接处。立柱7、垂荡板8和浮筒9内部均设置隔板，划分 一定数量的舱室，水线面5附近的舱室划分高度较小，因为水线面附 近的舱室最容易发生损坏，舱室破损后平台的稳性也变差。舱室内部 合理布置一些压载，如水压载、混凝土压载等，压载的布置对偏心布 置的浮式平台的稳定性有非常重要的作用。
21.相较于现有对称式四立柱浮式平台，本发明采用偏心三立柱半潜 浮式平台，减少
立柱数量可以降低载荷，同时也降低用钢量，降低了 成本。本发明立柱7间通过工作桥6和底部的矩形浮筒9进行连接， 三个立柱7和底部矩形浮筒9内部均设置舱室，保证浮式平台的破舱 稳性。工作桥6和浮筒9布置成“t”字形，风机位于工作桥6的横桥 板和纵桥板的连接处，机舱2通过轮毂3与叶片1连接，下部与塔筒 4相连，塔筒4底部通过法兰与半潜浮式平台相连，工作桥6连接处 增设角钢可满足支撑上部风机的强度需求。
22.所述的半潜浮式平台的立柱7截面为翼型截面，翼型可以减小平 台所受的海浪、海流等环境载荷，立柱7截面的翼型设计仅能降低某 一方位角的环境载荷，采用一般的多点分布式系泊方式，立柱7截面 无法针对环境载荷的方位角进行调整，当环境载荷方位角发生改变时 平台可能出现较大的运动响应，因而本发明采用单点系泊解决该问 题。
23.横桥垂荡板8、纵桥垂荡板8间通过连接在各垂荡板8上的浮筒 9相连，且在浮筒9连接的位置即浮筒连接部形成空腔，转塔系泊装 置安装在所述浮筒空腔中，使漂浮式风机平台相对系泊于海底的转塔 系泊装置可转动。单点系泊是转塔式系泊装置10位于浮筒连接部的 浮筒空腔中，由转塔式系泊装置10和下部锚链11组成，转塔式系泊 装置10包括滚珠式轴承13和中间的转轴14，其中滚珠式轴承13的 外环连接浮筒9，转轴14通过多排滚珠实现和半潜浮式平台的相对 转动，转轴14下部通过三根锚链11固定于海床12上，通过转塔式 系泊装置10和偏航系统配合使得半潜浮式风机系统具有风标效应。
24.转塔系泊装置位于半潜浮式风机平台浮筒9的连接位置处即浮筒9连接部，浮筒9连接部的形成是各垂荡板8连接的浮筒9聚集或者融合形成的，这种融合优选为一体成型，浮筒9连接部外形为六边形，不同的浮筒9间通过平面式连接使得两浮筒9的侧面夹角为非直角，满足转塔系泊装置对浮筒9连接处强度的需要，可有效避免直角连接导致的应力集中现象。转塔系泊装置包含多排滚珠轴承和中间的转轴14两部分，转轴14部分通过锚链11系泊于海底，轴承外环则与半潜浮式平台相连，带动半潜浮式平台一起绕转塔式系泊装置10的中心轴线自由转动。
25.如图2所示，在一种方案中，转塔式系泊装置10位于浮筒9连 接部，包括滚珠式轴承13和转轴14。滚珠式轴承13的外壁和六边 形的浮筒9连接部开设的浮筒空腔的内圆柱面相接固定，转轴14的 两端为大直径截面，将转轴14固定在六边形的浮筒9连接部中心， 转轴14两端的内平面和浮筒9的上下表面留有一定的间隙，保证转 轴14和滚珠式轴承13的相对自由转动，转轴14下部布置三个导缆 孔15，用于锚链11上端和半潜浮式平台的连接，下部则固定在海床 12上。风机下方的六边形浮筒9尺寸视转塔式系泊装置10的直径和 高度而定，便于转塔式系泊装置10的安装固定，同时满足浮式风机 系统的强度要求，此外转塔式系泊装置10的直径和高度具体视风机 容量及海况条件所决定。而轴承13的外环与半潜漂浮式平台形成一 个整体结构，实现连接系泊系统的转轴14和立柱7的相对转动，最 终通过转塔式系泊装置10和偏航系统配合使得半潜浮式风机系统具 有风标效应。
26.如图3所示，平台立柱7的截面采用翼型设计，主要包括圆柱形 部分和后部两个矩形平面围成的尖状部分，两个矩形平面与圆柱面相 切，后部尖状部分内不设置压载舱，仅通过增设加劲肋板的方式保证 风机基础整体的强度要求，此外在相同立柱截面积的情况下，通过调 整圆面的直径、矩形平面和圆柱面相切的位置等参数改变立柱截面形 式，并经过频域水动力分析，主要关注和对比不同参数对应平台纵荡 方向的一阶波浪力，选取在波浪主要频率范围内，对应平台纵荡方向 一阶波浪力幅值最小的立柱截面型式，在相同波浪
条件下，该立柱截 面对应的平台纵荡响应最小，在浅水或中等水深条件下能够有效减小 系泊半径。同时立柱内部的圆弧面替代一部分内部舱室隔板，钢材用 量没有过多增大，结构简单，均为圆柱面或矩形平面。翼型立柱截面 与转塔式系泊系统相结合，有效减小平台所受的风、浪、流等环境载 荷和运动响应。
27.本发明将翼型截面设计与转塔式系泊装置10相结合，在减小平 台所受环境载荷的同时，使得该新型半潜浮式风机系统具有风标效 应，可以在风、浪、流等环境载荷作用下绕转塔式系泊装置10的中 轴线自由转动，同时上部风机偏航控制，在提高风能捕获效率的同时 使得下部半潜浮式平台在全寿命中受到的环境载荷最小，同时使得平 台始终在平台稳性较好的方位角下运行。此外国内目前的漂浮式风电 规划主要集中于中等水深，减小平台受到的环境载荷，可以有效控制 平台的运动响应，从而改善浅水系泊系统强非线性的问题，为目前我 国规划的中等水深下的半潜浮式风机平台推广提供参考。
28.本发明适用于我国浅水及中等水深海域，该浮式风机基础为三立 柱7偏心设计，立柱7截面为翼型设计，减小平台所受的环境载荷， 同时风机系统采用转塔式系泊装置10，能够自主调整方位角，与浮 式风机立柱7的截面设计、上部风机偏航控制相结合，使得平台始终 在环境载荷最小的方位角下运行。
29.在另一实施例中，一种基于单点系泊的半潜浮式平台，包括工作 桥6、立柱7、垂荡板8和浮筒9，工作桥6包括横桥板和纵桥板， 纵桥板的一桥板端部与横桥板的中部水平连接，即两个桥板在水平平 面上连接。在优选方案中，纵桥板的一桥板端部与横桥板的中间位置 水平且垂直连接，两个横桥板的桥板端部和另一纵桥板的桥板端部在 空间中位于由此三个桥板端部构造成的三角形的三个顶点位置上，该 三角形并非是形成的实体三角形，而是表明三个桥板端部的位置关 系。两个横桥板的桥板端部和另一纵桥板的桥板端部向下连接立柱7， 立柱7包括前部圆柱部分和后部的尖状柱部分，在一种方案中，立柱 7的形状通过对圆柱使用两个矩形平面与圆柱面相切而成型。当然获 取的立柱7可以通过上述成型方式为一体件。立柱7向下连接垂荡板 8，对应所述两个横桥板的桥板端部的两个垂荡板8是横桥垂荡板8， 对应所述另一纵桥板的桥板端部的垂荡板8是纵桥垂荡板8，横桥垂 荡板8、纵桥垂荡板8间通过连接在各垂荡板8上的浮筒9连接，且 在浮筒9连接的位置成型浮筒空腔，转塔系泊装置安装在所述浮筒空 腔中，使浮筒9相对系泊于海底的转塔系泊装置可转动。
30.在一种方案中，将垂荡板8连接的浮筒9的具体形成浮筒空腔的 方案说明：横桥垂荡板8连接的浮筒9平行于位于其上方的横桥板， 纵桥垂荡板8连接的浮筒9平行于位于其上方的纵桥板，且浮筒空腔 成型在两个横桥垂荡板8的中间位置。作为优选方案所述构造成的三 角形为正三角形。作为优选方案两个横桥垂荡板8连接的浮筒9及纵 桥垂荡板8连接的浮筒9水平且垂直连接在两个横桥垂荡板8的中间 位置，且不同的浮筒9间通过平面式连接使得两浮筒9的侧面夹角为 非直角。作为优选方案浮筒9间连接形成的浮筒9连接部的外形呈正 六边体，并且在正六边体的中心开设竖向贯穿的浮筒空腔。该方案将 浮筒9设置为与工作桥6对应形状和位置，并避免浮筒9垂直连接能 够进一步降低载荷。
31.在一种实施例中，基于单点系泊的半潜浮式偏心式风机系统包括 风机和任一项所述的平台，风机塔筒4的安装位置位于横桥板的中 间，并且与横桥板下方的转塔系泊装置相对。
32.本发明将翼型截面设计与转塔式系泊装置10相结合，在减小平 台所受环境载荷的同时，使得该新型半潜浮式风机系统具有风标效 应，可以在风、浪、流等环境载荷作用下绕转塔式系泊装置10的中 轴线自由转动，同时上部风机为偏航控制，可以在提高风能捕获效率 的同时，使得下部半潜浮式平台在全寿命中受到的环境载荷最小，同 时使得平台始终在平台稳性较好的方位角下运行，这些将有利于半潜 浮式平台的整体强度和稳性，简化设计流程和工作量，同时半潜浮式 平台受到的浪、流载荷较小，半潜浮式平台的运动响应也会减小，从 而改善浅水系泊系统强非线性的问题，即锚链11的系泊张力随着平 台运动，在某一偏移量前锚链11张力较小，但在超过某一偏移量时 系泊张力出现急剧的增大，为目前我国规划的中等水深下的半潜浮式 风机平台推广提供参考。
33.此外平台的立柱7截面不同于圆形或矩形截面，翼型截面的设计 主要包括圆形部分和后部两个矩形平面围成的尖状部分，两个矩形平 面与圆柱面相切，后部尖状部分内不设置压载舱，仅通过增设加劲肋 板的方式保证风机基础整体的强度要求，此外矩形平面和圆柱面切线 的位置根据平台的水动力性能具体确定，在相同立柱7截面积的情况 下，立柱7内部的圆弧面替代一部分内部舱室隔板，钢材用量没有过 多增大，结构简单，均为圆柱面或矩形平面，同时与转塔式系泊装置 10相结合，减小平台所受的风、浪、流等环境载荷。
34.以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造 的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明 创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加 以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于单点系泊的半潜浮式平台，其特征在于，包括工作桥(6)、立柱(7)、垂荡板(8)和浮筒(9)，工作桥(6)包括横桥板和纵桥板，纵桥板的一桥板端部与横桥板的中部水平连接，两个横桥板的桥板端部和另一纵桥板的桥板端部向下连接立柱(7)，立柱(7)包括前部的圆柱部分和后部的尖状柱部分，立柱(7)向下连接垂荡板(8)，对应所述两个横桥板的桥板端部的两个垂荡板(8)是横桥垂荡板(8)，对应所述另一纵桥板的桥板端部的垂荡板(8)是纵桥垂荡板(8)，横桥垂荡板(8)、纵桥垂荡板(8)间通过连接在各垂荡板(8)上的浮筒(9)连接，且在浮筒(9)连接的位置成型浮筒空腔，转塔系泊装置安装在所述浮筒空腔中，使浮筒(9)相对系泊于海底的转塔系泊装置可转动。2.如权利要求1所述的基于单点系泊的半潜浮式平台，其特征在于，纵桥板的一桥板端部与横桥板的中间位置水平且垂直连接，两个横桥板的桥板端部和另一纵桥板的桥板端部在空间中位于由此三个桥板端部构造成的三角形的三个顶点位置上，横桥垂荡板(8)连接的浮筒(9)平行于位于其上方的横桥板，纵桥垂荡板(8)连接的浮筒(9)平行于位于其上方的纵桥板，且浮筒空腔成型在两个横桥垂荡板(8)的中间位置。3.如权利要求2所述的基于单点系泊的半潜浮式平台，其特征在于，所述构造成的三角形为正三角形。4.如权利要求1或2所述的基于单点系泊的半潜浮式平台，其特征在于，两个横桥垂荡板(8)连接的浮筒(9)及纵桥垂荡板(8)连接的浮筒(9)水平且垂直连接在两个横桥垂荡板(8)的中间位置，且不同的浮筒(9)间通过平面式连接使得两浮筒(9)的侧面夹角为非直角。5.如权利要求4所述的基于单点系泊的半潜浮式平台，其特征在于，浮筒(9)间连接形成的连接部的外形呈正六边体，并且在正六边体的中心开设竖向贯穿的浮筒空腔。6.如权利要求1所述的基于单点系泊的半潜浮式平台，其特征在于，转塔系泊装置包括多排滚珠轴承和位于滚珠轴承内圈中的转轴(14)，转轴(14)通过锚链(11)系泊于海底，轴承外圈的外周与浮筒(9)固定，使浮式平台能绕转塔式系泊装置(10)的中心轴线自由转动。7.如权利要求1所述的基于单点系泊的半潜浮式平台，其特征在于，立柱(7)的形状通过对圆柱使用两个矩形平面与圆柱面相切而成型。8.如权利要求1所述的基于单点系泊的半潜浮式平台，其特征在于，立柱(7)或垂荡板(8)或浮筒(9)的内部设置隔板，通过隔板在各自内部划分一定数量的舱室，水线面附近的舱室的高度低于非此位置处的舱室的高度。9.如权利要求8所述的基于单点系泊的半潜浮式平台，其特征在于，立柱(7)前部圆柱部分或垂荡板(8)或浮筒(9)内部布置压载舱，立柱(7)后部尖状柱部分的内部布置加劲肋板。10.一种基于单点系泊的半潜浮式偏心式风机系统，其特征在于，包括风机和权利要求1-9任一项所述的平台，风机塔筒(4)的安装位置位于横桥板的中间，并且与横桥板下方的转塔系泊装置相对。

技术总结
基于单点系泊的半潜浮式平台和偏心式风机系统，属于可再生能源利用领域，为了降低浮式平台所受环境载荷，要点是横桥垂荡板、纵桥垂荡板间通过连接在各垂荡板上的浮筒连接，且在浮筒连接的位置成型浮筒空腔，转塔系泊装置安装在所述浮筒空腔中，使浮筒相对系泊于海底的转塔系泊装置可转动，效果是使平台始终在环境载荷最小的方位角下运行，能够保证平台稳性并降低载荷。并降低载荷。并降低载荷。


技术研发人员：周昳鸣 李卫东 郭小江 刘鑫 王秋明 施伟 宋兆波 李涛 文玄韬 严家涛 钟应明 田峰 陈睿 张乐扬 李昕
受保护的技术使用者：中国华能集团有限公司南方分公司 华能广东汕头海上风电有限责任公司 大连理工大学
技术研发日：2021.08.04
技术公布日：2022/3/8