阅读说明：本技术 一种具有高度自平衡性的浮式风机平台 (Floating fan platform with height self-balancing ) 是由 刘海笑 陈映宇 张玉明 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有高度自平衡性的浮式风机平台,包括风机、平衡舱、压力舱和系泊系统,平衡舱与风机之间连接有连接段,连接段为圆柱,风机固定于连接段的顶部,连接段的底部与平衡舱的顶部固定。平衡舱为顶部直径大于底部直径的空心圆台,压力舱为实心圆盘；平衡舱通过其形状,提高了浮式风机平台的浮心,压力舱布置于平衡舱以下,降低了平台的重心进而减小了压力舱重量,同时圆盘形的压力舱减小了平台的垂荡响应和纵摇响应,通过连接段可与任意型号的浮式风机相连。本发明的浮式风机平台增加了平台的自平衡性,其既能在恶劣海况中具有优秀的响应性能,又具有优良的经济性,在任意水深下皆可适用。(The invention discloses a floating type fan platform with height self-balance performance, which comprises a fan, a balance cabin, a pressure cabin and a mooring system, wherein a connecting section is connected between the balance cabin and the fan, the connecting section is a cylinder, the fan is fixed at the top of the connecting section, and the bottom of the connecting section is fixed with the top of the balance cabin. The balance cabin is a hollow round table with the diameter of the top larger than that of the bottom, and the pressure cabin is a solid disc; the balance cabin improves the floating center of the floating fan platform through the shape of the balance cabin, the pressure cabin is arranged below the balance cabin, the gravity center of the platform is reduced, the weight of the pressure cabin is reduced, meanwhile, the disc-shaped pressure cabin reduces the heaving response and the pitching response of the platform, and the pressure cabin can be connected with the floating fans of any model through the connecting section. The floating type fan platform provided by the invention has the advantages that the self-balance performance of the platform is increased, the floating type fan platform not only has excellent response performance in severe sea conditions, but also has excellent economy, and the floating type fan platform can be suitable for any water depth.)

一种具有高度自平衡性的浮式风机平台

技术领域

本发明涉及一种风能发电设施，尤其涉及一种具有高度自平衡性的浮式风机平台。

背景技术

随着人类开发能源的步伐逐渐迈向海洋领域，涌现出了很多新型的浮式海洋平台，目前平台已经被广泛应用于人类开发海洋资源的事业中，担负了钻探、生产、海上原油处理、风力发电等各种工作。现有技术的平台使用范围受限于相应的水深条件，单类型的平台难以推广至任意水深。为了解决上述困难，需要开发一款适用于任意水深的、同时平衡性优良的新型浮式风机平台。

发明内容

现有的单一类型的浮式风机平台受限于相应的水深条件，不具备普适性。针对现有技术存在的这一问题，本发明提出一种适用于任意水深的具有高度自稳性的浮式风机平台。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种具有高度自平衡性的浮式风机平台，包括风机、平衡舱、压力舱和系泊系统，所述平衡舱设置在所述压力舱的上方，所述风机设置在所述平衡舱的上方，所述平衡舱与所述风机之间连接有连接段，所述连接段为圆柱，所述风机固定于所述连接段的顶部，所述连接段的底部与所述平衡舱的顶部固定；

所述平衡舱为顶部直径大于底部直径的圆台；所述压力舱为圆盘，圆盘型的压力舱通过其形状增加了平台的垂向阻尼和纵摇阻尼，减小了平台的垂荡响应和纵摇响应；所述连接段的底面与所述平衡舱的顶面贴合，所述平衡舱顶部直径大于所述连接段的直径，提高了浮式风机平台的浮心；所述平衡舱的底面与所述压力舱的顶面贴合，所述压力舱的直径大于所述平衡舱底部的直径，使得平台的重心降低；所述连接段、平衡舱和压力舱的中心轴线重合，所述系泊系统的系泊缆绳的一端固定于压力舱的底部，其另一端固定于海底；

所述风机的总质量为m₂，所述风机中心所受水平风力为F_w，所述风机最大风倾力矩为M_w，风机重心距塔柱底部的距离为H₄，浮式风机平台的倾斜角度为α，浮式风机平台整体浮心至平衡舱底部的距离为PK；连接段的高度为H₁，平衡舱的高度为H₂，浮式风机平台总体质量m₁满足：

其中，ρ_c为混凝土密度，ρ_w为海水密度；连接段的高度H₁满足：其中，h_f为浮式风机平台的垂荡幅值；连接段的直径D₁大于风机底部的直径；平衡舱的高度H₂满足：H₂≤h-H₁-H₃-h_f-h_k-0.25h，其中，h为水深；h_k为压力舱倾斜时的垂向变化高度，h_k＝0.5D₂sinα；D₂为压力舱的直径，H₃为压力舱的高度；平衡舱顶部直径d₁与底部直径d₂之比为Q；浮式风机平台纵摇固有频率ω为：

根据目标海域的波浪谱参数，从中选出浮式风机平台纵摇固有频率较小的设计方案作为备选方案，即可确定混凝土压力舱(4)的直径D₂和高度H₃的取值范围。

进一步讲，本发明中的所述连接段、平衡舱和压力舱均采用钢筋混凝土材料制成。

所述平衡舱为空心结构，所述压力舱为实心结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)连接段的直径略大于浮式风机底部直径，在满足安全支撑浮式风机要求下，选择最小的连接段尺寸有利于减少平台的水线面面积。

2)相比于同体积等高度的圆柱型空心平衡舱，顶部直径大于底部直径的圆台型空心平衡舱，提高了浮式风机平台的浮心。

3)布置于平衡舱以下的实心压力舱，使得平台的重心降低进而减小了压力舱重量和压力舱的建造经济成本。

4)圆盘形的压力舱通过其形状增加了平台的垂向阻尼和纵摇阻尼，减小了平台的垂荡响应和纵摇响应。

5)由于平台出色的自平衡性，系泊系统只需要起到限制平台艏摇响应的作用，系泊系统在采用悬链式系泊即可满足安全使用要求，系泊要求较低。

6)系缆系在压力舱边缘，由于压力舱直径较大，可减小系泊半径进而减小系泊成本。

附图说明

图1为本发明浮式风机平台的结构示意图；

图2为图1所示浮式风机平台的俯视图；

图3为本发明浮式风机平台各部分尺寸示意图。

图中，1-风机，2-连接段，3-平衡舱，4-压力舱，5-系泊系统。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1和图2所示，本发明提出的一种具有高度自稳性的浮式风机平台，包括风机1、平衡舱3、压力舱4和系泊系统5，所述平衡舱3设置在所述压力舱4的上方，所述风机1设置在所述平衡舱3的上方，所述平衡舱3与所述风机1之间连接有连接段2，所述连接段2为圆柱，所述风机1固定于所述连接段2的顶部，所述连接段2的底部与所述平衡舱3的顶部固定。所述平衡舱3为顶部直径大于底部直径的圆台；所述压力舱4为圆盘；所述连接段2的底面与所述平衡舱3的顶面贴合，所述平衡舱3顶部直径大于所述连接段2的直径；所述平衡舱3的底面与所述压力舱4的顶面贴合，所述压力舱4的直径大于所述平衡舱3底部的直径，所述连接段2、平衡舱3和压力舱4的中心轴线重合，所述平衡舱3为空心结构，所述压力舱4为实心结构。本发明浮式风机平台采用以上设计，基于不倒翁原理，使得该平台在任意水深条件下均能保证优良的自平衡性。

本发明可以通过连接段2与任意型号的浮式风机相连。连接段2用于连接上部的浮式风机1与下部的平衡舱3，连接段2的直径略大于浮式风机1的底部直径，在满足支撑浮式风机的条件下，最小的连接段2有利于减少平台的水线面面积。

本发明中，平衡舱3主要为平台提供浮力，采用顶部直径大于底部直径的圆台型，相比于同体积等高度的圆柱型空心平衡舱，圆台型的平衡舱显著提高了浮式风机平台的浮心。

本发明中，单独设置了平台的压力舱4。不同于未设置压力舱的浮式平台，布置于平衡舱3以下的是实心结构的压力舱4，使得平台的重心降低。增大的重心与浮心间距，在保证相同稳定性的条件下，减小了所需的压力舱4重量进而减少了压力舱4的建造经济成本。

本发明中圆盘形的压力舱通过其形状增加了平台的垂向阻尼和纵摇阻尼，减小了平台的垂荡响应和纵摇响应。

本发明中，使用的系泊方式为悬链式系泊，于所述压力舱底部边缘设置安装系缆的预留孔位，所述系泊系统5的系泊缆绳的一端固定于压力舱4的底部，其另一端固定于海底。，即平台所使用的系缆穿过预留孔位完成与海底锚固结构的连接。

本发明中，所述连接段2、平衡舱3和压力舱4均采用钢筋混凝土材料制成，材料来源广泛，建造成本较低。

本发明浮式风机平台中，所述风机1包括转子、机舱和塔柱，所述风机1的总质量为m₂，所述风机1中心所受水平风力为F_w，所述风机1最大风倾力矩为M_w，风机重心距塔柱底部的距离为H₄，浮式风机平台的倾斜角度为α，浮式风机平台整体浮心至平衡舱3底部的距离为PK；如图3所示，连接段2的高度为H₁，平衡舱3的高度为H₂，浮式风机平台总体质量m₁满足：

其中，ρ_c为混凝土密度，ρ_w为海水密度；

连接段2的高度H₁满足：其中，h_f为浮式风机平台的垂荡幅值；

连接段2的直径D₁大于风机底部的直径；

平衡舱3的高度H₂应保证平台受到极端环境荷载时的安全性即平台底部不与海床面接触，平台总吃水应小于水深h、垂荡幅值h_f、预留安全距离0.25h、压力舱倾斜时的垂向变化高度h_k之和，因此，应满足H₂≤h-H₁-H₃-h_f-h_k-0.25h，其中h_k＝0.5D₂sinα。

D₂为压力舱4的直径，H₃为压力舱4的高度；平衡舱3顶部直径d₁与底部直径d₂之比为Q；压力舱直径D₂、高度H₃和浮式平台纵摇固有频率的关系：

因为平台纵摇的固有频率应避开波浪的高能量范围，根据目标海域的波浪谱参数，可得到满足要求的方案，再从中选出平台固有频率较小的设计方案作为备选方案，即可确定混凝土压力舱直径D₂、高度H₃的取值范围。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。