一种用于浮式风机锚泊线的减载装置及其安装方法

1.本发明属于海上风力发电技术领域，具体涉及一种用于浮式风机锚泊线的减载装置及其安装方法。


背景技术：

2.在众多新能源产业中，海上风电因其储量大、不占用耕地和环境噪音污染小等特点而备受青睐。海上风机具有多种基础形式，在近海海域，海上风电主要以固定式为主，但深海具有更好的风资源、对环境影响更小，浮式基础具有更好的经济和技术优势，海上风机大型化和深远海化是未来海上风电的发展方向。
3.海上浮式风机在服役期间受到风、浪、流等环境荷载作用，为了满足现场作业以及生存要求，均需通过其锚泊系统限制其运动范围。不同于大部分欧美国家，我国沿海地区台风极端且多发，海上浮式风机大型化后将面临更为极端的环境荷载作用，锚泊系统承受荷载及耦合动力学问题将更突出。因此，开发高效可靠的浮式风机锚泊线减载装置将是大型海上风机优化设计与运维的关键，也是我国深化海洋风能开发，践行海洋强国战略的重要举措。


技术实现要素：

4.针对现有浮式风机运营过程中存在的问题，本发明提出了一种用于浮式风机锚泊线的减载装置及其安装方法，可以有效实现海上风机在正常运行工况及极端工况作用下锚泊线所受的张力水平。
5.一种用于浮式风机锚泊线的减载装置，所述装置包括浮筒、中心配重块、悬挂式配重块及两块翼板；
6.所述浮筒下端通过连接件与中心配重块同轴固定连接，为可拆卸结构，构成主体，所述浮筒顶部预留吊耳，用于装置的整体吊装，浮筒上段外周表面均匀固定设置有若干阻尼翼板；
7.所述悬挂式配重块通过连接系泊链与中心配重块同轴连接；
8.所述翼板为开口“门”字型结构钢板，开口两端即“门”字底部两端分别通过一铰链与所述主体连接，两端铰链关于主体中轴线对称且两端铰链连线穿过所述中轴线，两块翼板在主体上的安装高度不同且方向相反，所述翼板顶部中心安装第一卸扣用于与预留系泊链相连，预留系泊链另一端设有第二卸扣用于将整个装置与原浮式风机的锚泊线相连接。
9.上述技术方案中，进一步地，所述的中心配重块、悬挂式配重块的形状、配重均可根据现场实际情况确定，用于调整减载装置整体的重心位置。
10.进一步地，所述阻尼翼板为方形阻尼翼板，共设三块均匀固定于浮筒上段周向以在海水中跟随浮筒运动并提供运动阻尼。
11.进一步地，所述浮筒为内部填充有发泡材料钢制圆筒，所述中心配重块、悬挂式配重块均由高密度混凝土制成，中心配重块形状与直径与浮筒保持一致，悬挂式配重块为圆
台形，所述悬挂式配重块上方预留吊耳，通过连接系泊链与中心配重块相连。
12.进一步地，所述中心配重块底部同轴固定安装有圆形垂荡板，为钢制圆形薄板，所述圆形垂荡板能够起到削波作用，此时悬挂式配重块通过连接系泊链与圆形垂荡板中心相连。
13.进一步地，所述两块翼板在主体两侧设置，其中左侧的翼板的铰链与浮筒相连；右侧的翼板的铰链与中心配重块相连，所述翼板能够随铰链上下转动，所述翼板顶部还预留开口，用于翼板的吊装。
14.上述的用于浮式风机锚泊线的减载装置的安装方法，步骤如下：
15.步骤1、使浮筒和中心配重块连接形成主体，或再将中心配重块和圆形垂荡板连接，安装铰链，将翼板与主体连接；将悬挂式配重块通过连接系泊链连接至中心配重块或圆形垂荡板，安装翼板顶部卸扣，将预留系泊链与翼板相连，完成该减载装置自身的组装；
16.步骤2、将吊机通过牵引绳及装置顶部的吊耳将该减载装置吊起，吊放时，调整阻尼翼板角度和朝向，从而保证装置竖直放下，直至装置吊放至海平面以下，将浮式风机的锚泊线分为上锚泊线和下锚泊线两段，二者之间分别通过卸扣与减载装置两条预留系泊链相连，并通过绞车对整体系泊链进行预张，完成该减载装置与浮式风机的整体安装；
17.步骤3、当浮式风机处于正常工况的海洋环境中，将承受风浪流荷载的同时作用，其锚泊线受到张拉作用，拉动预留系泊链，带动减载装置运动；当锚泊线荷载传递至减载装置时，翼板首先转动，带动浮筒同时发生转动，由于翼板的存在，浮式风机的上锚泊线与下锚泊线作用受力点不共线，减载装置因此受到扭矩作用，随之发生旋转，减载装置的旋转过程使上锚泊线传递的张力得到了一定时间的缓冲再传递至下锚泊线，因此有效减缓极端环境下锚泊线冲击张力的作用；当锚泊线张力过大时，减载装置大幅旋转乃至达到翻转状态，此时由于浮筒的存在，锚泊线会受到浮筒浮力的作用，从而有效减少锚泊线垂向的张力分量。
18.在减载装置转动过程中，浮筒上的方形阻尼翼板以及中心配重块下方的圆形垂荡板同时充分与周围海水相互作用，改变周围海水流场的变化，对传递至减载装置的张力冲量起到阻尼耗散的作用，从而进一步削减下锚泊线所承受的张力荷载。
19.本发明有益效果是：
20.(1)在传统浮式风机的锚泊线中嵌入了荷载缓冲机构，在正常工况下，该装置可以有效分担锚泊线承受的荷载；在极端工况下，还可以有效减少锚泊线瞬时冲击张力的作用。
21.(2)综合了锚泊系统中浮筒、沉子以及垂荡板等传统海工结构的作用，安装方便，成本低，适用于商业化海上风电的大范围推广。
附图说明
22.图1为本发明整体结构的一种具体实例的立面示意图。
23.图2为本发明翼板结构的一种具体实例的俯视示意图。
24.图3为本发明工作原理的一种具体实例的主视示意图。
25.图4为本发明海上风电场安装的全局示意图。
26.图中：1为浮筒，2为中心配重块，3为悬挂式配重块，4为连接螺栓，4a为上连接螺栓，4b为下连接螺栓，5a为第一吊耳，5b为第二吊耳，5c为第三吊耳，6为阻尼翼板，7为圆形
垂荡板，8a为连接系泊链，8b为预留系泊链，9为翼板，10a为第一卸扣，10b为第二卸扣，11为铰链，12为矩形的开口，13为浮式风机，14a为上锚泊线，14b为下锚泊线。
具体实施方式
27.下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的说明：
28.本发明的用于浮式风机锚泊线的减载装置包括浮筒、配重及翼板三类核心功能组件；其中，所述浮筒及配重用于减少锚泊线张力分量，并起到阻尼减载作用，所述翼板用于旋转浮筒和配重块，将锚泊线张力转换为非共线荷载，从而减缓瞬时荷载的冲击作用。
29.具体的，一种用于浮式风机锚泊线的减载装置，包括浮筒1和中心配重块2、悬挂式配重块3及翼板9，浮筒1和中心配重块2构成主体，所述浮筒1及中心配重块2、悬挂式配重块3中轴线共线，翼板9与所述主体的所有连接点与所述中轴线共面。
30.根据本发明的一种具体实施例，所述浮筒1由泡沫材料制成，用于提供整个装置的整体浮力。所述浮筒1下方外侧沿环向均匀布置有上连接螺栓4a，将浮筒1与中心配重块2相连接。上部所述浮筒顶部预留第一吊耳5a，用于装置的整体吊装。浮筒1上方周围对称布置有三块方形的阻尼翼板6，材料为钢，均与浮筒1焊接在一起。所述阻尼翼板6在海水中可跟随浮筒1旋转和移动来调整所受浮力和阻力，从而改变浮筒1上下浮动和转向；安装阶段，所述阻尼翼板6还起到整体装置定位和维稳的作用，便于装置整体吊装。
31.所述中心配重块2顶部通过上连接螺栓4a与浮筒1相连，设计为可拆卸结构。当整体装置回收之后，可通过上连接螺栓4a与浮筒1分离，起到方便运输的作用。所述中心配重块2可以由混凝土制成，形状与直径与浮筒1保持一致，高度约为浮筒1的四分之一。调整所述中心配重块2的密度和高度，可以改变整体装置的重心位置。此外，在本发明的一种具体实施例中，所述中心配重块2底部可以固定安装有圆形垂荡板7，为钢制圆形薄板，通过下连接螺栓4b与中心配重块2底部相连。所述圆形垂荡板7可以起到削波作用，在预留系泊链8b稳定时，其可将浮筒1的重心向下移动，从而提高浮筒1的稳定性；在预留系泊链8b震荡带动整体装置发生摇晃时，可以减缓装置整体转动速率，延长预留系泊链8b荷载响应时间。所述中心配重块2和圆形垂荡板7底部预留第二吊耳5b，用于连接下方连接系泊链8a。
32.底部的所述悬挂式配重块3上方预留第三吊耳5c，通过连接系泊链8a与中心配重块2(当存在圆形垂荡板7时则与圆形垂荡板7)相连。所述悬挂式配重块3同样可以由混凝土制成，形状可为圆台，直径和高度可根据现场实际情况确定，用于调整减载装置整体的重心位置。
33.所述每个减载装置搭配两个翼板9。所述翼板9为开口“门”字型结构，由钢板轧制而成。所述翼板9顶部中心预留小口用于安装第一卸扣10a，翼板9通过第一卸扣10a与预留系泊链8b相连。预留系泊链8b端部同样留有第二卸扣10b，用于将整个装置与原浮式风机13的锚泊线相连接。所述每个翼板9下部两侧安装有两个铰链11，其中左侧翼板9的铰链11与浮筒1相连；右侧翼板9的铰链11与和中心配重块2相连，且铰链11的连接点与浮筒1和中心配重块2的中轴线位于同一平面上。所述翼板9可随铰链上下转动。所述翼板9顶部还预留矩形开口12，用于翼板9的吊装。
34.根据本发明的一种具体实施例，如图1-4所示，该发明的具体实施步骤如下：
35.步骤1、如图1-3所示，分别拧紧上连接螺栓4a与下连接螺栓4b，使浮筒1和中心配
重块2以及中心配重块2和圆形垂荡板7连接。安装铰链11，将翼板9与浮筒1和中心配重块2连接；利用吊机，将连接系泊链8a安装至圆形垂荡板7与悬挂式配重块3之间。安装翼板9顶部卸扣，将预留系泊链8b与翼板9相连，完成该减载装置自身的组装。
36.步骤2、将吊机通过牵引绳通过第一吊耳5a将该减载装置吊起，吊放时，调整方形的阻尼翼板6角度和朝向，从而保证装置竖直放下，直至装置吊放至海平面以下。如图4所示，将浮式风机13的原有锚泊线分为上锚泊线14a和下锚泊线两段14b两段，二者之间分别通过第二卸扣10b与减载装置预留系泊链8b相连，完成该减载装置与浮式风机13的整体安装。
37.步骤3、如图3、4所示，当浮式风机13处于正常工况的海洋环境中，将承受风浪流荷载的同时作用，其锚泊线受到张拉作用，拉动预留系泊链8b，带动减载装置运动。当锚泊线荷载传递至减载装置时，翼板9首先转动，带动浮筒同时发生转动。由于翼板9的存在，浮式风机13的上锚泊线14a与下锚泊线14b作用受力点不共线，减载装置因此受到扭矩作用，随之发生旋转。减载装置的旋转过程使上锚泊线14a传递的张力得到了一定时间的缓冲再传递至下锚泊线14b，因此可以有效减缓极端环境下锚泊线冲击张力的作用。当锚泊线张力过大时，减载装置大幅旋转乃至达到翻转状态，此时由于浮筒1的存在，锚泊线会受到浮筒浮力的作用，也能有效减少锚泊线垂向的张力分量。在减载装置转动过程中，浮筒1上部的阻尼翼板6以及中心配重块2下方的圆形垂荡板9同时充分与周围海水相互作用，改变了周围海水流场的变化，对传递至减载装置的张力冲量起到了阻尼耗散的作用，从而进一步削减了下部锚泊线14b所承受的张力荷载。

技术特征：
1.一种用于浮式风机锚泊线的减载装置，其特征在于，所述装置包括浮筒(1)、中心配重块(2)、悬挂式配重块(3)及两块翼板(9)；所述浮筒(1)下端通过连接件与中心配重块(2)同轴固定连接，为可拆卸结构，构成主体，所述浮筒(1)顶部预留吊耳，用于装置的整体吊装，浮筒(1)上段外周表面均匀固定设置有若干阻尼翼板(6)；所述悬挂式配重块(3)通过连接系泊链(8a)与中心配重块(2)同轴连接；所述翼板(9)为开口“门”字型结构钢板，开口两端即“门”字底部两端分别通过一铰链(11)与所述主体连接，两端铰链(11)关于主体中轴线对称且两端铰链(11)连线穿过所述中轴线，两块翼板(9)在主体上的安装高度不同且方向相反，所述翼板(9)顶部中心安装第一卸扣(10a)用于与预留系泊链(8b)相连，预留系泊链(8b)另一端设有第二卸扣(10b)用于将整个装置与原浮式风机(13)的锚泊线相连接。2.根据权利要求1所述的用于浮式风机锚泊线的减载装置，其特征在于，所述的中心配重块(2)、悬挂式配重块(3)的形状、质量均可根据现场实际情况确定，用于调整减载装置整体的重心位置。3.根据权利要求1所述的用于浮式风机锚泊线的减载装置，其特征在于，所述阻尼翼板(6)为方形阻尼翼板，共设三块均匀固定于浮筒上段周向以在海水中跟随浮筒(1)运动并提供运动阻尼。4.根据权利要求1所述的用于浮式风机锚泊线的减载装置，其特征在于，所述浮筒(1)为内部填充有发泡材料钢制圆筒，所述中心配重块(2)、悬挂式配重块(3)均由高密度混凝土制成，中心配重块(2)形状与直径与浮筒(1)保持一致，悬挂式配重块(3)为圆台形，所述悬挂式配重块(3)上方预留吊耳，通过连接系泊链(8a)与中心配重块(2)相连。5.根据权利要求1所述的用于浮式风机锚泊线的减载装置，其特征在于，所述中心配重块(2)底部同轴固定安装有圆形垂荡板(7)，为钢制圆形薄板，所述圆形垂荡板(7)能够起到削波作用，此时悬挂式配重块(3)通过连接系泊链(8a)与圆形垂荡板(7)中心相连。6.根据权利要求1所述的用于浮式风机锚泊线的减载装置，其特征在于，所述两块翼板(9)在主体两侧设置，其中左侧的翼板(9)的铰链(11)与浮筒(1)相连；右侧的翼板(9)的铰链(11)与中心配重块(2)相连，所述翼板(9)能够随铰链上下转动，所述翼板(9)顶部还预留开口(12)，用于翼板(9)的吊装。7.如权利要求1-6任一项所述的用于浮式风机锚泊线的减载装置的安装方法，其特征在于，步骤如下：步骤(1)、使浮筒(1)和中心配重块(2)连接形成主体，再将中心配重块(2)和圆形垂荡板(7)连接，安装铰链(11)，将翼板(9)与主体连接；将悬挂式配重块(3)通过连接系泊链(8a)连接至中心配重块(2)或圆形垂荡板(7)，安装翼板(9)顶部卸扣，将预留系泊链(8b)与翼板(9)相连，完成该减载装置自身的组装；步骤(2)、将吊机通过牵引绳及装置顶部的吊耳将该减载装置吊起，吊放时，调整阻尼翼板(6)角度和朝向，从而保证装置竖直放下，直至装置吊放至海平面以下，将浮式风机(13)的锚泊线分为上锚泊线(14a)和下锚泊线(14b)两段，二者之间分别通过卸扣(10b)与减载装置两条预留系泊链(8b)相连，并通过绞车对整体系泊链进行预张，完成该减载装置与浮式风机(13)的整体安装；
步骤(3)、当浮式风机(13)处于正常工况的海洋环境中，将承受风浪流荷载的同时作用，其锚泊线受到张拉作用，拉动预留系泊链(8b)，带动减载装置运动；当锚泊线荷载传递至减载装置时，翼板(9)首先转动，带动浮筒同时发生转动，由于翼板(9)的存在，浮式风机(13)的上锚泊线(14a)与下锚泊线(14b)作用受力点不共线，减载装置因此受到扭矩作用，随之发生旋转，减载装置的旋转过程使上锚泊线(14a)传递的张力得到了一定时间的缓冲再传递至下锚泊线(14b)，因此有效减缓极端环境下锚泊线(14)冲击张力的作用；当锚泊线张力过大时，减载装置大幅旋转乃至达到翻转状态，此时由于浮筒(1)的存在，锚泊线会受到浮筒浮力的作用，从而有效减少锚泊线垂向的张力分量。8.根据权利要求7所述的用于浮式风机锚泊线的减载装置的安装方法，其特征在于，在减载装置转动过程中，浮筒(1)上的方形阻尼翼板(6)以及中心配重块(2)下方的圆形垂荡板(7)同时充分与周围海水相互作用，改变周围海水流场的变化，对传递至减载装置的张力冲量起到阻尼耗散的作用，从而进一步削减下锚泊线(14b)所承受的张力荷载。

技术总结
本发明公开了一种用于浮式风机锚泊线的减载装置及其安装方法。所述装置包括浮筒、配重及翼板；所述浮筒及配重用于减少锚泊线张力分量，并起到阻尼减载作用，所述翼板用于旋转浮筒和配重块，将锚泊线张力转换为非共线荷载，从而减缓瞬时荷载的冲击作用。该减载装置安装包括该装置本身的组装以及该装置与浮式风机的吊装连接两部分。本减载装置结构简单、建造及安装效率高，解决了浮式风机锚泊线荷载过大，成本过高的设计难题，适用性广，高效可靠，有利于大型化、商业化海上浮式风机的发展。商业化海上浮式风机的发展。商业化海上浮式风机的发展。


技术研发人员：沈侃敏 徐航 国振 单治钢 李瑜 芮圣洁 倪卫达 孙淼军 杜文博 王宽君
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/8/24