[發明專利]海上風力發電機塔筒與導管架基礎的筒式連接結構

無效

• 申請號: 201310689507.8
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN103696915A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 楊樹耕;唐丕鑫;劉孟孟;劉超;黃錫玲;陳晶
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: F03D11/04
• 分類號: F03D11/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

所屬技術領域

本發明涉及一種新型海上風力發電機塔筒與導管架基礎的筒式連接結構

背景技術

近年來，我國海上風力發電產業取得了快速發展，風力發電機組也逐步向大型化方向發展，風電行業競爭日益激烈，這對我國風力發電機組系統的設計水平和制造能力提出了更為高難的要求。為了降低風電機組的成本同時又能保證整個風機零部件的安全可靠性，就需要運用新穎的、有效的設計方法和技術進行設計分析。塔筒是風力發電機組重要的承載部件之一，而法蘭連接系統又是連接塔筒與基礎部分的重要部件，因此連接的可靠性和安全性對整個風電機組的正常運行有著不可估量的作用。在風機運行過程中，風輪將吸收的風能轉化為機械能并通過主軸一部分傳遞給發電機，另外一部分通過主機架傳遞給塔頂法蘭系統，進而傳遞到塔筒上，并由基礎進行支撐。

發電成本是制約風電發展的主要瓶頸。對于海上風電，風機基礎的投入成本就占總成本的有很大一部分。歐洲研究報告指出，在海上風電場的總投資中，基礎費用占20%左右。海上風機基礎成本投入隨海水深度的增加而增加，有時占總成本的30％左右。因此，大力發展比較經濟的基礎結構是降低海上風電成本的一個主要途徑。另外，海上風機基礎結構具有海洋結構工程、高聳結構基礎、動力設備基礎和復雜軟土地基等4種特性，各種特性的組合增加了基礎設計的難度，再加惡劣的海上工作環境等因素，由于基礎體系原因而導致海上風力發電機組損壞的比例最大，達到了18%，使得基礎結構成為了風電投資中主要的成本風險。在滿足安全的前提下，如何降低成本且施工方便，成為基礎結構設計的關鍵技術難題，也是海上風電場研究開發的主要課題之一。

海上風力發電機組的基礎有單樁(Monopile)、三腳架(Tripod)、導管架式基礎(Jacket)、重力基礎(Gravity?based)、負壓桶基(Suction?Bucket)和浮動平臺結構(Floating?type)等幾種。

(1)單樁基礎。單樁基礎是最簡單的基礎結構,單樁基礎通過側面土地的壓力傳輸風機負載,單樁基礎的深度與土壤強度有關。單樁基礎由焊接鋼管組成,根據安裝方式不同,樁和塔架之間的連接可以是焊接法蘭連接,也可以是套管法蘭連接。

(2)三腳架基礎。三腳架基礎采用標準的三腿支撐結構,由圓柱鋼管構成,在海洋油氣工業中常見。這種概念由單塔架結構簡化演變而來,同時增強了周圍結構的剛度和強度。三腳架的中心軸提供風力機塔架的基本支撐,類似單樁結構,三腳架可以采用垂直或傾斜管套。

(3)導管架基礎。典型的導管架式基礎為三腿或四腿結構,由圓柱鋼管構成。導管架下部與鋼管樁之間采用灌漿連接，上部與塔筒之間采用法蘭相連，導管架同時起到基礎調平的作用，導管架可以適應各種水深。

(4)重力基礎。重力基礎從結構上看,相當于一個塔架固定安放在重力基礎上,主要設計考慮是協調重力基礎和海床間的浮力,這點通過施加足夠的壓載物達到,所以重力基礎在幾種基礎結構中重量較大。有時考慮到減少冰載荷,可以采用錐形形狀。

(5)負壓桶基。負壓桶基是一種新的基礎結構概念,所謂負壓是指用來安裝桶基時用的方法,目的是負壓效應可以部分地承擔動態峰值負載。這種方法是傳統樁基和重力基礎的結合。

(6)浮動平臺結構。浮動平臺結構,如張力腿平臺(tension?leg?platforms)、SPAR、半潛式平臺和錨鏈固定平臺都是海洋油氣工業常用的結構形式,但它們在海上風電行業的應用還是首次,安裝水深可達到1000m以上。

目前，國內外大多數的海上風電場均采用單樁基礎、三腳架基礎以及導管架基礎。對于單樁基礎以及三腳架基礎，其核心載荷均由位于基礎中心的樁柱來承載，勢必導致樁柱的直徑以及壁厚都會相應的增大，費用升高；同時，極限載荷以及疲勞破壞都會使樁柱損毀，更換樁柱成本過高，經濟價值受損。且隨著水深的不斷增加，單樁直徑會變得很大，其承載力設計和安裝技術尚無經驗。對于導管架基礎，雖是由空間導管架結構進行支撐，但目前的研究成果并不是將塔筒與導管架基礎直接連接，均在塔筒與導管架基礎之間設立中間連接機構進行承載與連接，載荷承載機制不連貫，分布不均勻，易導致導管架基礎局部載荷過高，損毀構件。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種海上風力發電機塔筒與導管架基礎的連接結構。本發明是以導管架結構為基礎，提出的連接結構，可將風機載荷通過套筒經連接結構由上至下合理有效的傳遞到導管架基礎，保證整體支撐效果。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：