技術領域

本發明涉及海上風電機組，具體的說是一種整體桁架式海上風電機組支撐結構。

背景技術

海上風電機組支撐結構是海上風電場建設的關鍵結構，其成本決定了海上風電場能否實現并網發電，成為傳統能源的替代能源。

目前，海上風電機組支撐結構主要有重力式結構、單樁結構、三角架結構、導管架結構和浮式結構。其中，重力式結構適用的最大水深為10m，單樁結構適用的最大水深為30m，三角架結構適用的最大水深為40m，導管架結構適用的最大水深為50m，而浮式結構適用的水深則為50m以上。海上風電機組支撐結構的成本隨結構形式和水深兩個因素增長，如相同水深條件下，單樁結構的成本大于重力式結構，三角架結構的成本大于單樁結構，導管架結構的成本大于三角架。單樁結構采用液壓打樁錘將鋼管樁貫入海底，上端露出海面并用樁帽調整樁的垂直度，并與風機塔架連接，樁帽與樁采用灌漿連接。三角架結構采用直徑與風機塔架直徑相同的中心立柱與三根小直徑樁腿連接的三角形基礎結構，因此，側向剛度大于單樁結構。導管架結構采用石油平臺的設計概念，利用剛架結構來增加水下結構的剛度。

海上風電機組支撐結構的成本是制約海上風電場發展的瓶頸，它占海上風電場總投資的14～16％，而陸上風電場支撐結構的成本只占3～5％，由此可見，降低海上風電機組支撐結構成本具有極其重要的意義，在某種程度上，決定了海上風電事業的發展。因此，發展低成本的海上風電機組支撐結構是海上風電產業的重中之重。

目前，海上風電機組支撐結構均采用圓柱型風機塔架與基礎結構連接，為了保證風機的正常工作，要求風機塔架頂端的最大位移小于結構高程的1％。為了實現這一設計目標，塔架的剛度必須滿足一定的要求。而增加塔架剛度的方法主要是增大塔架的壁厚，造成結構重量大幅度增加，從而成本增加，且材料的強度利用率降低(結構應力小)。塔架剛度增大帶來的另一個問題是塔架與基礎結構連接處的應力和變形過度集中，疲勞損傷加劇，疲勞壽命降低。

綜上所述，現有的海上風電機組支撐結構缺點可總結為以下幾點：

1、圓柱形塔架的剛度和強度不匹配

圓柱形塔架為筒型結構，其截面抗彎剛度取決于橫截面的外徑和內徑。因此，為了滿足塔架的剛度要求(塔架頂端的水平位移應小于塔架和基礎結構高度之和的1％)，最有效的方法是增大塔架的外徑，其次是增加壁厚(減小內徑)。從而造成大直徑(7m)和大壁厚(大于直徑的2％)，為了限制塔架的壁厚(壁厚太大，圓筒的卷制工藝復雜，質量難以保證)，國外設計規范(我國目前還沒有風電機組支撐結構的設計規范)規定，塔架的壁厚不能大于直徑的2％。隨著壁厚的增加，塔架的應力減小，因此，圓柱形塔架的剛度和強度不匹配，塔架的設計主要是剛度控制的。

2、施工難度大、周期長

單樁結構采用與風機塔架相同直徑的樁，因此，樁和塔架均需由厚鋼板卷制而成。海上施工時，先將樁用打樁機貫入海底，再將樁帽通過灌漿的方法與樁連接。樁帽的作用一是提供承臺(工作平臺)和與塔架連接的法蘭，二是對樁的不垂直度進行小幅度調整，以保證塔架的垂直度。由于樁帽的調節幅度小，因此，對打樁的不垂直度要求高，施工難度大。對于特大直徑樁(7m)，目前只能采用鉆孔的方法安裝，打樁機的能力不足以打如此大直徑的樁。而我國目前海上最大打樁能力為2m直徑的樁。樁帽灌漿后，待漿固化且強度達到要求時，才能安裝塔架和風機。因此，海上施工周期長。導管架結構的樁是從導管架主樁腿中打入海底的，因此，必須在完成打樁施工后才能進行上部結構和塔架的安裝，施工工期長。

3、應力集中問題突出

三角架結構的中心立柱與風機塔架的直徑和壁厚相同，因此，剛度遠遠大于其它桿件，這就造成中心立柱與其它桿件連接處的高度應力集中，從而疲勞損傷嚴重。導管架結構的應力集中出現在塔架與導管架的連接位置，即導管架的頂部，由于塔架剛度大，因此，支撐結構的剛度取決于塔架與導管架的連接剛度。目前，國外采用整體鍛鋼連接件來解決塔架與導管架連接處的局部剛度和應力集中問題，因此，結構成本居高不下。由于目前尚沒有采用導管架結構的海上風電場，因此，鍛鋼連接件仍處于概念設計階段，尚未實際應用。

4、圓柱型塔架易引發渦激振動

目前的海上風電場均采用圓柱型風機塔架，該塔架不僅剛度和強度不匹配，而且渦激振動現象嚴重。流場中的圓柱體易產生渦激振動，當渦旋泄放頻率與圓柱體頻率相同時，就會發生渦激共振。因此，圓柱型塔架的另一個缺點是風引發的渦激振動。(因為塔架在水面以上，因此，塔架的渦激振動是風引發的。)

發明內容