CN107709152A - 具有波浪载荷和风载荷的优化传递的浮式风力涡轮机平台结构 - Google Patents

具有波浪载荷和风载荷的优化传递的浮式风力涡轮机平台结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种浮式、半潜式风力涡轮机平台的结构。所述浮式风力涡轮机平台包括三个细长稳定立柱，每一细长稳定立柱具有顶端、龙骨端和包含内轴的外壳。每一稳定立柱进一步包括位于其龙骨处的夹水板，所述夹水板被悬臂式支撑在垂直于所述稳定立柱的纵向轴的平面中。所述浮式风力涡轮机平台还包括三个桁架构件，每一桁架构件包括两个水平主管状构件和两个对角管状构件。所述桁架构件连接所述稳定立柱，以形成三角形横截面。细长风力涡轮机塔架安置在所述三个稳定立柱中的一个的所述顶端上方，以使得所述塔架的所述纵向轴大致上平行于所述稳定立柱的所述纵向轴。

Description

具有波浪载荷和风载荷的优化传递的浮式风力涡轮机平台 结构
发明概要
本发明涉及海上浮式风力涡轮机，且更确切地说，涉及对浮式结构内的涡轮机和海洋生成载荷的载荷传递进行优化的结构部件布置。本发明还有助于船体的设计和制造。
交叉引用
本申请要求于2015年6月19日提交的标题为“Floating Wind Turbine PlatformStructure with Optimized Transfer of Wave and Wind Loads”的美国临时专利申请号62/182,245的优先权，所述美国临时专利申请的完整内容特此以引用的方式并入。
本申请还涉及于2014年3月18日提交的标题为“Asymmetric Mooring System forSupport of Offshore Wind Turbines”的美国专利申请号14/218,805，所述美国专利申请是于2013年6月24日提交的美国专利申请号13/925,442的继续申请，现在作为2014年4月8日的美国专利号8,692,401颁布，所述美国专利是于2010年10月15日提交的美国专利申请号12/988,121的继续申请，现在作为2013年6月25日的美国专利号8,471,396颁布，所述美国专利是于2009年4月6日提交的PCT专利申请号PCT/US2009/039692的国际阶段申请，所述PCT专利申请要求于2008年4月23日提交的标题为“Column-Stabilized OffshorePlatform With Water-Entrapment Plates And Asymmetric Mooring System ForSupport Of Offshore Wind Turbines”的美国临时专利申请号61/125,241的优先权，所述美国临时专利申请的完整内容特此以引用的方式并入。
本申请进一步涉及于2014年3月20日提交的标题为“System and Method forControlling Offshore Floating Wind Turbine Platforms”的美国专利申请号14/283,051，所述美国专利申请要求于2013年5月20日提交的标题为“Fully-Integrated ControlSystem for Offshore Floating Wind Turbine Platforms”的美国临时专利申请61/825,412的优先权，所述美国临时专利申请的完整内容特此以引用的方式并入。
本申请还涉及于2015年10月27日提交的标题为“Connection System for ArrayCables of Disconnectable Offshore Energy Devices”的美国专利申请号14/927,448，所述美国专利申请要求于2014年10月27日提交的标题为“Connection System for ArrayCables of Disconnectable Offshore Energy Devices”的美国临时专利申请62/069,235的优先权，所述美国临时专利申请的完整内容特此以引用的方式并入。
背景技术
海上风能是非常有前景的可再生能源，原因在于海上风比陆上风更强烈且更均匀。为了利用远海深水处的风能，一个解决方案是打造浮式风力涡轮机。浮式风力涡轮机面临着与陆上风力涡轮机和浮式油气平台不同的技术挑战。
与陆上风力涡轮机不同的是，浮式风力涡轮机需要提供浮力来支撑整个结构重量的平台。所述平台的结构可以具有拥有大直径的几个圆柱形立柱。除了提供浮力以外，与风力涡轮发电机组合的平台应当能够抵御动力风、波浪和水流载荷，并且为电力生产提供稳定的支持。另一个挑战是波浪载荷造成的增加疲劳损伤，这可能与风载荷造成的损伤相当。这需要强大的结构设计来实现更好的可靠性。
与浮式油气平台相比，设计浮式风力涡轮机的一个独特挑战在于，经由在塔架基底连接处的非常集中的位置从风力涡轮发电机的塔架将大载荷传递至平台。平台的各立柱通常具有比风力涡轮发电机的塔架大得多的直径，以便提供浮力。用于加强与浮体甲板的塔架基底连接的传统方法是利用大量的焊接加强剂来加强，这可能不具有经济效益。与油气行业相比，海上风能生产具有小得多的利润率。结构设计的一个目标在于将结构的重量和成本减至最小。因此，可取的是实现平台立柱的简化加强。
因此，需要海上风力涡轮机具有提供载荷承受能力、流体动力学稳定性和良好的可靠性以及最小成本的结构平台设计。
附图简述
图1示出用于在油气行业中钻井的现有技术半潜式平台的实例。
图2示出浮式风力涡轮机平台的结构部件。
图3提供桁架结构的详细图解。
图4a和图4b提供稳定立柱的实施方案的详细图解。
图5a和图5b提供夹水板和对应部件的详细图解。
图6提供浮式风力涡轮机平台的稳定立柱和桁架结构几何学的俯视图的图解。
具体实施方式
背景部分中所讨论的标的不应被认为仅仅由于在背景部分中提及而成为现有技术。类似地，在背景部分中提及或与背景部分的标的相关联的问题不应被认为是先前在现有技术中已经认识到的。背景部分中的标的仅表示不同的方法，其本身也可以对应于所要求保护的发明的实现方式。
参考所公开的技术进行了以下详细描述。对优选实现方式进行描述以说明所公开的技术，而不是限制其范围，所述范围由权利要求进行限定。本领域技术人员将认识到描述中的多种等效变化形式。
本文所公开的浮式风力涡轮机平台引入用于浮式基础的创新型结构设计。在一个实施方案中，浮式风力涡轮机平台是具有连接所有立柱的管状桁架构件的三立柱半潜式平台。夹水板可以附接至立柱的底部部分(即，龙骨端)或立柱中的一些或全部，作为在立柱的基底处水平地延伸(即，悬臂式支撑)的大板。风力涡轮发电机塔架在结构上非常高的位置处承受相当大的风载荷，并且立柱之间的间隔有助于实现稳定性。
包括在本文所描述的平台中的立柱可以利用管状桁架构件彼此联接，所述管状桁架构件包括水平和对角管状构件。每一立柱由两个同心圆柱体组成：一个外壳，所述外壳充当用于提供浮力的浮体；一个直径小于外壳的内轴，所述内轴充当用于承受风力涡轮机载荷的垂直管状构件。内轴还在立柱之间传递全部流体动力学载荷和流体静力学载荷，其中流体动力学载荷和流体静力学载荷由外壳承载。另外，内轴经由水平主管状构件和对角管状构件将涡轮机载荷(即，塔架基底处的弯曲力矩和相关联的剪切力)传递给其它立柱，所述构件中的全部连接至内轴。因此，风力涡轮机塔架引起的力矩可以通过各个立柱的浮力的相对变化来进行补偿。
本文所描述的浮式风力涡轮机平台还可以包括除桁架结构以外的额外特征，所述额外特征提高风力涡轮机平台的性能。在一些实施方案中，浮式风力涡轮机平台可以包括在稳定立柱之间移动液体压载的有源压载***(参见，美国专利号8,471,396)，所述有源压载***允许风引起的力矩通过经由在各立柱之间泵送液体而实现个别立柱的重量改变进行补偿。立柱可以容置有源压载***，所述有源压载***经由泵在立柱内的压载箱之间传递液体，以保持浮式平台呈垂直直立对齐，以获得最佳电力转换效率。例如，当风吹向塔架时，传感器可以检测风力涡轮发电机的旋转。传感器可以联接至控制器，所述控制器对泵进行控制以从一个立柱移除液体从而增加浮力，并且增加液体到另一立柱中从而增加该立柱的重量。在一个实施方案中，每一立柱中可以存在多个泵，所述多个泵控制去往其它立柱的独立液体路径。
压载控制器还可以调整立柱中的液体体积，从而调整风力涡轮发电机的左右角度。在一些实施方案中，立柱具有传感器，所述传感器通过立柱的每一个中的不同水深度来检测液体体积。各立柱之间的液体压载的有源移动可以补偿所引起的风力，以保持平台水平。在一些实施方案中，有源压载***可以是封闭式回路***，所述封闭式回路***被配置来通过将压载***中的液体与周围的海水完全隔离而防止浮式风力涡轮机平台的可能的淹没和下沉。压载泵可以致使液体流动通过与连接在各立柱中的每一个之间的桁架构件相关联的管道***。在此种实施方案中，决不允许周围的海水进入有源压载***。有源压载***中所使用的液体可以是淡水，以缓解腐蚀问题和其它海水相关问题。在拖曳出海之前，可以在码头边加水，或者用补给船加水。
在液体压载***的实施方案中，包括沿X轴和Y轴安装的陀螺仪的对齐传感器可以用于控制压载液体在立柱中的分布。陀螺仪输出表示旋转的角速度的信号，所述旋转的角速度的单位可以是度/秒。旋转角速度的积分将产生角度位置。因此，对齐传感器中的陀螺仪可以用于测量平台和塔架的对齐变量。X轴陀螺仪处于水平平面中，并且可以与浮式风力涡轮机平台的中心线对齐。Y轴加速计也在水平平面中，但是垂直于X轴陀螺仪。平衡角α是围绕Y轴的结构角度，且横倾角γ是围绕X轴的结构角度。
当结构完全对齐时，X轴陀螺仪和Y轴陀螺仪将不会检测到任何加速度。然而，如果结构在任何方向上倾斜，那么X轴陀螺仪将检测到平衡旋转，且Y轴陀螺仪将检测到横倾旋转。基于该信息，可以使用已知的数学方程式计算旋转角度。例如，平台平衡角α和横倾角γ是由陀螺仪提供给压载控制***的输入信号。首先，可以对测量的信号进行低通滤波，以消除由波浪和风动力以及随机效应造成的所有高频干扰。平台平衡角和横倾角使用诸如高阶巴特沃斯滤波器等标准低通滤波策略来进行滤波。基于滤波的平台平衡角和横倾角立柱顶部中心i与j之间的相对角θi-j使用以下方程式导出：
使用了以下约定。如果θi-j为正，那么这表示立柱i高于立柱j。误差ei-j＝|θset-θi-j|是用作至控制器的输入的误差。通常来说，θ设定＝0°。基于θi-j的符号，如果ei-j大于限定有关“打开”的不工作区的特定值，则将打开正确的泵Pi-j。如果ei-j小于限定有关“关闭”的不工作区的特定值，则将关闭泵Pi-j或Pj-i。视相对角θi-j而定，一个、两个或三个压载泵将被打开。在基于稳定立柱顶部中心之间的相对角的该算法的情况下，将始终考虑最快液体传递路径，因此在每种情况下平台都会非常快速或尽可能快速地恢复平稳。如果一个泵突然变得不足，那么自动旁路也是以这种方法起作用的。对平台动态进行测量，包括其平衡角α和横倾角γ，并且将所述平台动态用于提供反馈到反馈回路中的侧倾角测量结果。因此，基于对齐传感器信号，压载控制器可以对泵进行控制以调整各立柱中的每一个内的液体体积，从而纠正垂直对齐角度偏差。当平台在可接受的水平角度内时，压载***将停止在稳定立柱之间移动液体。
在一个实施方案中，风力涡轮发电机塔架附接至稳定立柱中的一个的内轴的顶部，所述稳定立柱本身通过桁架构件联接至其它立柱的内轴。在一些实施方案中的，桁架构件也可以紧固至稳定立柱外壳。例如，桁架构件可以焊接至每一立柱的外壳。该构造提高浮式风力涡轮机平台的总体结构效率，并且允许该结构具有相对轻的重量。风力涡轮机塔架可以直接联接在支撑塔架重量和风力涡轮机部件的稳定立柱上方，而其它稳定立柱主要用于对整个平台进行稳定，并保持塔大致上垂直对齐。如上面所讨论，在一个实施方案中，有源压载控制***可以用于在稳定立柱之间移动压载液体，以帮助提高平台的稳定性。
在一些实施方案中，承载风力涡轮发电机塔架的稳定立柱的直径可以大于其它两个稳定立柱的直径，以便提供额外的浮力来补偿塔架和涡轮机的重量。在另一实施方案中，不承载风力涡轮发电机的两个稳定立柱的中心之间的距离和未承载风力涡轮发电机的两个立柱的中心与承载风力涡轮发电机的立柱的中心之间的距离可以不同。在该特殊的三个稳定立柱的实施方案中，三角形横截面呈现为等腰三角形，不同于稳定立柱中心之间的距离是均匀的并呈现为等边三角形横截面的另一实施方案。在另一实施方案中，稳定立柱之间的距离可以都是不同的，从而产生表现为斜角三角形的三角形横截面。
可以容置例如涡轮机叶片的俯仰角控制***、齿轮箱、偏航控制器和发电机中的一个或多个的机舱可以安装在塔架的顶部，并且可以为轮毂和从所述轮毂延伸的涡轮机叶片提供支撑。轮毂可以包括允许对涡轮机叶片的俯仰角进行调整以使得涡轮机叶片的旋转速度在正常风速范围上是恒定的机构。机舱可以联接至偏航控制***，所述偏航控制***将涡轮机叶片直接指向风中以便实现最佳效率。诸如齿轮箱和发电机等通常定位在机舱内的风力涡轮机设备可以驻留在机舱中，或者在另一实施方案中，所述设备可以定位在塔架下方或者在稳定立柱的顶部。
在另一实施方案中，不具有齿轮箱的直接传动式涡轮机也可以与本文所描述的半潜式风力涡轮机平台一起使用。由于变化的风速，由发电机产生的电力可以处于随机频率或振幅。可以使用变压器、逆变器和整流器来改变电力，以产生一致的输出电压和电流。在各种实施方案中，这些电气部件可以位于机舱中、塔架的底部处或在另一稳定立柱的顶面。
可以经由铺设至海床的电缆和发电站来传输来自风力涡轮机的电力输出。代替直接铺设至海床，缆线的一部分也可以联接至抬高缆线的该部分的浮力机构。然后，缆线可以具有曲线路径，这允许浮式风力涡轮机平台随着波浪、水流和潮汐垂直地或水平地移动，而不会在缆线上施加任何明显的额外张力。(参见，例如先前以引用的方式并入的共同未决的申请序列号62/069,235和14/924,448。)
在一个实施方案中，浮式风力涡轮机平台具有提供高强度结构的特殊配置。虽然本文的描述大体上涉及安装在三个立柱之间的桁架构件，其中所述桁架结构长度相等且产生的三角形横截面形成大致等边三角形，但是本领域技术人员可以了解，所述平台可以由不止三个稳定立柱形成，并且可以由不止三个桁架构件和具有不等长度的桁架构件形成。
具体地说，在一个实施方案中，至少三个稳定立柱中的每一个可以安置在由至少三个稳定立柱和连接至所述稳定立柱的至少三个桁架构件所形成的凸多边形(例如，三角形)的顶点处。凸多边形横截面(例如，在一个实施方案中为三角形横截面)由稳定立柱和在垂直于至少三个稳定立柱的纵向轴的平面中的桁架构件形成。
在另一实施方案中，安装在三个立柱之间的桁架构件可以具有不同的长度，从而在一些情况下与支撑风力涡轮机发电机塔架的立柱在顶点处形成等腰三角形，两个等长的桁架构件在所述顶点处相交。在其它实施方案中，安装在三个立柱之间的不等长桁架构件可以形成不等边三角形横截面。
在一些实施方案中，可以在桁架构件水平主管状构件和对角管状构件中使用高强度船用级结构钢(例如，至多420MPa的屈服强度)。另外，在工厂设置下预制作的零件(例如，直线管状构件)可以使用至多690MPa屈服强度的钢来制造，以便将重量和构建成本减至最小。
现在参看附图，如图1中所示，油气工业中通常使用船体形状的半潜式平台。船体形状的半潜式设计是立柱稳定型设计，所述设计从立柱105a、105b、105c、105d、105e与105f之间的距离得到稳定性，而不是像船形结构那样从水面区域的大小得到稳定性。额外的浮力通过连接立柱105a、105b、105c、105d、105e和105f以及在图1中构建的两个额外立柱的大型浮筒110a和110b提供。在一些实施方案中，立柱105a、105b、105c、105d、105e和105f可以是圆形或正方形的，并且通常正交加强；然而，立柱可以是多种形状中的任何一个。在半潜式平台中，立柱所遇到的波浪载荷经由浮筒110a和110b并且偶尔经由建造在立柱外壳中的管状桁架构件115a、115b、115c和115d在立柱之间侧向传递。所述立柱还支撑顶面平台120，所述顶面平台120在立柱的顶部产生垂直重力载荷。
相比之下，风力涡轮机的浮式基础上的载荷是不同的。存在两种类型载荷的组合。平台上的第一种类型的载荷是涡轮机载荷。所述载荷由在塔架顶部处连接至机舱的转子生成，并且然后经由弯曲力矩以及轴向和剪切力在塔架的基底处传递。这些载荷具有以下特殊性：在涡轮机自旋和生产电力的正常操作下相对较高。它们包括空气动力学风载荷以及转子-机舱组件(RNA)和塔架上的惯性和重力载荷。这些载荷是非线性的，并且在塔架的基底处造成高弯曲力矩，并且还造成相关联的水平剪力。
剪切载荷可以根据涡轮机功率而变化，所述涡轮机功率大致与转子直径成比例变化。多兆瓦涡轮机通常将产生数百kN至数千kN的标称载荷，并且根据塔架的高度，弯曲力矩约为基本剪切载荷的10倍至100倍。塔架高度还取决于涡轮机叶片的长度。例如，塔架通常处于某一高度，以使得涡轮机叶片的处于其最低位置处的尖端在海平面以上大约15米至20米。因此，需要对浮式平台的结构进行设计，以处理这些剪切和弯曲力矩载荷。
重力载荷也在塔架的基底处创建垂直载荷。这些载荷在常规操作条件下的优势表明了总体结构上的疲劳载荷的重要性。频繁发生的载荷会生成疲劳损伤，并且必须对结构的各种部分之间的连接进行设计，以为平台提供充分的疲劳寿命。无论是由于极端运动还是极端转子风载荷在RNA和塔架上产生的极端载荷也在浮式平台的设计中起着重要的作用。
浮式风力平台上的第二和第三种类型的载荷是流体动力学载荷和流体静力学载荷。流体动力学载荷包括来自船体上的波浪的衍射和辐射和来自粘度的的波浪载荷以及水流载荷。流体动力学载荷还包括浮力。这些类型的流体动力学载荷在所有类型的半潜式平台的设计中都是重要的。
在一个实施方案中，浮式风力涡轮机平台的结构被工程设计，以尽可能最佳地承受和传递该复杂的载荷组合，同时确保制作的成本效益。这是通过对浮式风力涡轮机平台的不同部分进行若干结构创新来实现的，所述结构创新在图2至图6中突出显示。
图2示出浮式风力涡轮机平台的结构性部件。在立柱215a中的一个的顶部处的塔架至基础连接205经由法兰连接制成，以便于涡轮机和RNA的安装。该法兰连接对于陆上涡轮机和海上单桩是常见的。在浮式结构的情况下，结构的浮式部分通常被设计用于浮动性以及用于波浪载荷承受，需要使所述载荷传递至所述基础。在浮式风力涡轮机平台的实施方案中，载荷至基础的传递通过法兰之间的直连连接以及支撑塔架的稳定立柱215a内侧的具有相同直径的内轴来实现。多兆瓦海上涡轮机的塔架基底直径不同(通常在3米与7米之间)，但是通常小于稳定立柱提供浮力所需要的直径，以使得塔架至稳定立柱连接不可能是简单的法兰。在外壳的内侧提供内轴将塔架与立柱连接处所需的细节量减至最小。该配置还将所需要的额外结构的量减至最小。该连接针对疲劳载荷承受进行了本地优化。内轴或法兰也可以与立柱的其余顶部部分连接，以为立柱提供整体性。立柱的顶部可以经受局部载荷，并且需要局部加强；然而，其未被工程设计来将全部涡轮机载荷传递到整个基础中。来自风力涡轮机塔架的大部分载荷通过使用至内轴的法兰连接而传递到内轴中。
另外，夹水板(WEP)220a、220b和220c可以作为扁平加强板直接连接至立柱的龙骨端处。WEP 220a、220b和220c由于WEP的边缘处的涡旋脱落承载来自波浪载荷和粘性载荷的显著垂直压力载荷。这些载荷被传递至稳定立柱。这些载荷通常小于附近立柱上的流体静力学压力。因此，与稳定立柱外壳相比，WEP板厚度通常较小。
另外，WEP 220a、220b和220c从主结构(例如，立柱和/或桁架构件，如下面将进一步详细讨论)悬臂式地断开，以将载荷传递回到所述结构。该配置提供了很大的自由度，以视需要调整WEP的形状以便实现总体平台性能，同时依赖有关立柱和桁架构件的相同总体设计。WEP增加风和波浪引起的运动的阻尼，并提供相对于波浪周期的平台谐振周期的调谐。WEP至稳定立柱的连接需要承受在平台的使用寿命期间由WEP上的流体动力学波浪压力生成的循环疲劳载荷以及大范围海况下的极端流体动力学载荷。稳定立柱的外壳承受船体上的这些流体静力学载荷中的大部分。
稳定立柱215a、215b和215c中的每一个内侧的内轴是包括水平主管状构件210a和对角管状构件210b并且将稳定立柱215a、215b和215c连接在一起的总体桁架结构的一部分。
如图3中更详细地示出，每一立柱内的内轴315、320和325由细长的非加强型管状构件制成，并充当总体桁架结构的一部分。总体桁架结构被设计来承受结构上的全部载荷传递，特别是塔架的基底处的涡轮机载荷，以及全部流体动力学载荷和流体静力学载荷。在一个实施方案中，它们是三个桁架构件。每一桁架构件具有两个水平主管状构件305和两个对角管状构件310。图3中所示出的在包含内轴320和325的立柱之间延伸的两个水平主管状构件305在本文中也可以称作侧向桁架构件，因为它们具有在立柱之间侧向地传递载荷的能力，所述侧向桁架构件暴露于海洋环境载荷。除了两个水平主管状构件305以外，桁架构件可以进一步包括两个对角管状构件310。两个对角管状构件310被用于通过将立柱中的一个连接至两个水平主管状构件305中的一个来为侧向桁架提供额外的结构性支撑。
可以通过将水平主管状构件305的直径和对角管状构件310的直径保持得足够小来将桁架构件上的压力载荷(即，流体静力学载荷和流体动力学载荷)减至最小，以使得压力载荷不会影响桁架构件的壁厚(即，长度直径比大于7，这经常会产生在1米至2.5米范围内的直径)。由于施加到WEP或外壳中的一个上的压力，可能会发生局部屈曲。在具有较小直径的情况下，局部屈曲阻力得到改善，即，当板相对于所施加的压力弯曲时，板比其扁平时更不容易屈服。桁架构件的水平主管状构件和对角管状构件的圆形横截面从流体动力学的角度来看是有利的，因为与类似的矩形截面相比，它将拖曳阻力减至最小。圆形横截面还可以高效地传递来自各个方向上的波浪的载荷。另外，可以使用用于制作风力涡轮机塔架的相同装配线来高效地制作圆形横截面。
图4a和图4b提供一个实施方案中的稳定立柱的详细图解。几个稳定立柱中的每一个包括不受外部天气影响的内轴，因为所述内轴包含在稳定立柱的外壳的内侧。如图4a中所示，内轴405被设计来主要地承受由塔架和桁架构件所传递的全部载荷。内轴还可以承受来自压载舱室或加压舱室的一些外部静态压力。为了防止由此产生的屈曲强度障碍成为选择内轴的壁厚的有害因素，以及为了满足制造要求，例如运输的便携性，内轴405的直径被最小化，并且可以在局部利用内部环形梁410作为重量管理策略。环形梁410沿内轴的内侧上的横截面直接附接至内轴壁，并且可以根据需要支撑以承受来自桁架构件的压载或冲切载荷的外部压力位置来调整它们的垂直位置。不在风力涡轮机塔架下方的稳定立柱中的内轴的直径通常将小于承载风力涡轮机塔架的内轴直径(例如，对于大多数涡轮机来说在3米至6米的范围内)。
内轴还可以包含垂直进入通道来允许人员在稳定立柱内高效地上下移动，以便对设备进行检查或维修。
首先对立柱外壳415设定大小，以为浮式平台提供足够的浮力和充分的运动性能。立柱外壳是具有从龙骨端465至立柱顶部的直线垂直壁的结构。在一些实施方案中，外壳可以是中空的，并且焊接至贯穿桁架构件，从而为全立柱浮力提供完整性。在其它实施方案中，可以构建外壳的形状以提供与内轴具有直接连接的桁架构件。外壳415可以被成型为围绕内轴405的圆柱形壳体。在一些实施方案中，内轴可以延伸到外壳415上方和/或下方。在另一实施方案中，外壳415可以具有总体圆柱形形状，其中其具有从外壳的表面切出的扇形件，以使得对角管状构件420和/或水平主管状构件425可以进入，以使得外壳415不会接触或阻碍对角管状构件420和/或水平主管状构件425通过。
对于大多数多兆瓦海上风力涡轮机，稳定立柱直径需要大于约4米，并且可以至多达到约15米。稳定立柱的外壳上的载荷受来自流体静力学波浪载荷以及来自流体动力学波浪载荷的压力以及受稳定立柱上的波浪和水流载荷支配。从对角管状构件420和/或水平主管状构件425传递的可以穿过外壳415的全部载荷仅局部影响外壳，并且利用局部板加强来解决。在一个实施方案中，外壳415因此被设计来承受壳体或外壳上的板的屈曲。所述设计可以包括如图4b中所示出的环形加强圆柱形壳体或扁平部430a和430b。环形加强圆柱形壳体以及环形梁435因其成本效益而优于对角加强圆柱形壳体。
在一个实施方案中，稳定立柱被工程设计用于承受相对较低的垂直载荷，因为由于顶面重量和涡轮机载荷而产生的垂直(即，轴向)应力大部分由对应稳定立柱的内轴而不是由外壳和垂直加强件(例如，隔板)承载。垂直载荷被施加至稳定立柱的底部或龙骨端，所述底部或龙骨端直接连接至内轴和外壳二者，并且因此垂直载荷在两个结构构件之间被分开。因此，外壳承载施加在立柱的龙骨端处的浮力垂直载荷中的一些，但是这些载荷也部分传递到内轴中。因此，外壳上的垂直载荷可以减至最小。
在一个实施方案中，还可以使用扁平部430a和430b以及隔板440来对稳定立柱进行分隔，以在稳定立柱内创建可以被加压的空舱室455。在一个舱室被淹没的情况下，这些扁平部430a和430b和隔板440以及水平加强件445为浮式风力涡轮机平台提供分隔功能和生存性。此外，它们还可以被用于将外壳所承载的全部载荷减至最小，并且将这些载荷传递回到内轴中。例如，隔板440可能会由于波浪和水流而载有剪切力。
在一个实施方案中，立柱的外壳415可以作为压力容器起作用。可以通过将用于形成外壳的板上的局部压力效应减至最小来将其强度(壁厚和硬化)减至最小。可以通过以下方式实现该局部压力减小：通过提供内部静态压力来对来自流体静力学水位和海浪的外部压力进行平衡。对于例如由钢制成的圆柱形外壳415，当内部压力始终超过外部压力时获得最佳配置：外部压力导致压缩环向应力下的屈曲，而内部压力在壳体中生成拉伸应力。由于较高的屈曲不稳定性，拉伸时的允许的应力比钢中的压缩应力更高。
为外壳使用缸筒的优点中的一个在于，环形永久性压载舱室450可以在内部加压。可以通过内轴与外壳之间的环形永久性压载舱室450中的液体或气态压载来创建内部静态压力。在液体压载的情况下，压载的高度确定可以从外侧压力中减去多少压力。举例来说，如果舱室定位在平均吃水线下方10米，并且来自极端波浪的压力预期达到额外的10米水头，那么应在舱室的内侧提供20米高的水柱(或0.2MPa或2巴)，以补偿外部压力。这通过以下方式来实现：完全用水填充舱室直到定位在立柱的顶端处并且在甲板上浪的范围上方的通风孔，从而防止意外的淹没。
在一个实施方案中，通风孔可以包括压载舱室上的空气入口和出口阀。所述空气入口和出口阀在正常操作期间可以被密封。空气入口和出口阀可以进一步确保在填充压载舱室期间通过让空气排出而在压载舱室的顶部维持大气压力，并且相反当压载舱室被排空时让空气进入。在这种情况下，如果立柱延伸至平均吃水线上方11米，那么通风孔将定位在平均吃水线上方约11.75米，从而提供超过20米的水柱以便对压载舱室加压，这足以取消外部压力。立柱通常立在平均吃水线上方约10米，以使得极端波浪不会损坏立柱顶部上的设备，并且以使得水不会通过通风孔。
在一些实施方案中，稳定立柱中的内轴与外壳之间的内部静态压力可以通过使用均匀加压的气体来获得。在所述情况下，经由在装置处的压载舱室顶部处的入口阀和出口阀来对压载舱室加压，并且因此具有入口阀和出口阀的通风孔可能是不必要的。可以经由压力传感器来监测压力。因为压载舱室内侧的压力变化并不遵循与压载舱室外侧的流体静力学压力(与水深度线性成比例)相同的趋势，而是始终如一的，所以压载舱室内侧的压力可以设定为所有级别的压载舱室的优化值。与液体压载的情况不同，也可以视需要将所述压力设定成比立柱高度略高的压力(例如，高出几巴)。
在一些实施方案中，可以经由至大气的通风孔来动态地控制有源压载舱室460中的压力。这些大气通风孔可以含有允许待耗尽的空气流入有源压载***的结构。然而，必须对通风孔进行隔离，以便排除常规海洋操作期间不合时宜的海水进入。在一个实施方案中，入口阀和出口阀可以用于相应地升高或降低舱室中的压力。例如，压力监测***可以使用压力传感器监测有源压载舱室460。在压力下降的情况下，可以启动警报，并且可以自动或经由用户输入来调整压力。如果液体压载延伸到通风孔中到达立柱的顶部，则调整也可能会造成蒸发。内部压力可以被维持成近似地等于来自在给定舱室与通风孔的顶部之间延伸的水柱的压力。对于在20米与40米之间变化的典型立柱高度，内部压力将至多为4巴。
图5a提供WEP 220a、220b和220c的细节的图解。WEP 220a、220b和220c是直接连接至稳定立柱的龙骨端的扁平加强板505。WEP从立柱的底部扁平龙骨465向外悬臂式支撑，并且使用现有结构部件进行支撑。举例来说，WEP可以连接至一对下部水平主管状构件510，其中它们的跨度在稳定立柱处相交。WEP还可以连接回到立柱的龙骨465中。WEP由圆周梁515和径向梁520支撑。径向梁520将由于流体动力学载荷引起的弯曲载荷传递回到立柱中。扁平部被加强，以使得径向梁520与匹配的扁平梁汇合，这反过来将载荷传递回到内轴中。为了实现额外的刚度，可以使用角撑525。角撑525是可以具有小直径(例如，小于1.5米)的管状构件，并且可以承载来自WEP的主要作为轴向载荷的垂直流体动力学载荷，并且将这些载荷传递回到立柱外壳中。立柱外壳被局部加强，以承受所述载荷。WEP与立柱之间的这些连接是疲劳分析和强度分析的对象。
图5b提供WEP 220a、220b和220c的另一实施方案。在该实施方案中，扁平加强板530从稳定立柱龙骨端的圆周的至少一部分径向地延伸。扁平加强板530还在连接至稳定立柱535的两个下部水平主管状构件510的方向上径向延伸。类似于图5a中所示出的WEP，图5b中的WEP从立柱535的龙骨端465向外悬臂式支撑，并且可以使用两个下部水平主管状构件540a和540b进行支撑。该实施方案中的WEP由圆周梁545和径向梁550进行支撑。径向梁550将弯曲载荷传递回到立柱535中。管状构件角撑555可以承载来自WEP的垂直流体动力学载荷，并且将这些载荷传递回到立柱535中。如图5b中所示，WEP的在两个下部水平主管状构件540a和540b的方向上径向延伸的部分从WEP部分产生从立柱535的至少一部分径向延伸的三角形WEP延伸部。
另外，在一些实施方案中，从立柱535径向延伸的WEP部分不从立柱535的整个圆周延伸。例如，可以存在其中不存在加强板的一个或多个间隙区域560(也在图4b中示出为在龙骨465旁边)。因此，WEP的组合结构(即，从稳定立柱龙骨端径向延伸并且在连接至稳定立柱的两个下部水平主管状构件的方向上径向延伸的扁平加强板)是钥匙孔的形状，其中间隙位于顶部处，如图4b和图5b中所示。当平台结构部署在海上时，可以进一步修改WEP的形状和大小，以适应多种设计约束条件和预期环境条件。
可以根据项目细节来调整包括立柱的直径以及其位置的平台布局，以产生最佳结构配置。图6提供立柱和桁架构件尺寸的详细图解。立柱1 605的直径D1可以大于立柱610和立柱615的直径D2，所述立柱承载风力涡轮发电机塔架620。另外，立柱610的中心与立柱615的中心之间的距离可以小于或大于立柱605的中心与立柱610或立柱615的中心之间的距离。在该结构配置中，将立柱605连接至立柱610以及将立柱605连接至立柱615的轴之间的角度可以在45度与60度或60度与90度之间变化。三个立柱在水上(干舷)和水下(吃水)的高度根据海洋气象环境、制造和安装约束条件以及涡轮机性能来进行调整。
上面对浮式风力涡轮机平台的描述不代表特征的详尽列表，因为还可以并入其它结构。另外，所述结构可以单独使用，或彼此组合使用。因此，说明本文所公开的技术的使用的实例不应被理解成是限制性的或优选的。上面所提供的实例仅用于说明所公开的技术，而不会过于复杂。并非意在说明所公开的所有技术。
根据下面所描述的各种方面说明了主题技术。提供包括三个细长稳定立柱的浮式、半潜式风力涡轮机平台。所述三个稳定立柱中的每一个还具有顶端、龙骨端和包含内轴的外壳。三个稳定立柱中的每一个还具有位于其龙骨端处的夹水板。另外，每一夹水板被悬臂式支撑在垂直于稳定立柱的纵向轴的平面中。
另外，浮式、半潜式风力涡轮机平台包括三个桁架构件，其中每一桁架构件包括两个水平主管状构件和两个对角管状构件。水平主管状构件中的每一个具有用于连接至三个稳定立柱中的一个的内轴的第一端，以及用于连接至三个稳定立柱中的不同的一个的内轴的第二端。互连的三个稳定立柱和三个桁架构件在垂直于三个稳定立柱的纵向轴的平面中形成三角形横截面，其中三角形横截面的三个边是三个桁架构件，且三角形横截面的三个顶点是三个稳定立柱。对于每一桁架构件，两个对角管状构件中的每一个也具有第一端和第二端，其中每一对角管状构件的第一端连接至一个稳定立柱的内轴，且每一对角管状构件的第二端连接至同一个桁架构件的水平管状构件中的一个。浮式、半潜式风力涡轮机平台进一步包括细长风力涡轮机塔架，所述细长风力涡轮机塔架安置在三个稳定立柱中的一个的顶端上方，以使得塔架的纵向轴大致上平行于稳定立柱的纵向轴。
在一个实施方案中，扇形切口安置在立柱外壳中的每一个的侧面上，以提供用于三个桁架构件中的两个对应桁架构件连接至内轴的间隙。在一些实施方案中，三个桁架构件还连接至三个稳定立柱的立柱外壳。三个桁架构件穿过并且连接至立柱外壳且连接至内轴。
在一些实施方案中，三个桁架构件中的一个具有与其它两个桁架构件不同的长度，因此形成是等腰三角形的三角形横截面。在该实施方案中，风力涡轮机塔架安置在连接至具有相同长度的其它两个桁架构件的稳定立柱的顶端上方。
在一个实施方案中，三个桁架构件具有同等长度，其中所形成的三角形横截面是等边三角形。
在一些实施方案中，环形舱室形成在立柱外壳和对应内轴中的每一个之间。所述环形舱室提供可用液体和气体中的至少一者来加压的体积。
在一个实施方案中，三个稳定立柱中的一个具有比其它两个稳定立柱大的直径，且风力涡轮机塔架安置在具有较大直径的一个稳定立柱的顶端上方。
在一个实施方案中，压载箱安置在三个稳定立柱中的每一个内。压载箱被用于容纳可通过压载控制***在三个稳定立柱之间传递的压载。
在一些实施方案中，三个稳定立柱中的每一个的立柱外壳由隔板、环形梁和环形加强圆柱形扁平部中的至少一者进行结构支撑。在一些实施方案中，三个稳定立柱中的每一个的内轴由环形梁进行结构支撑。并且，在一些实施方案中，三个稳定立柱中的每一个的立柱外壳由隔板、环形梁和环形加强圆柱形扁平部中的至少一者进行结构支撑，且三个稳定立柱中的每一个的内轴由环形梁进行结构支撑。
在一个实施方案中，每一夹水板i)从稳定立柱龙骨端的圆周的至少一部分径向延伸，并且ii)在连接至稳定立柱的桁架构件中的两个的方向上径向延伸。在一个实施方案中，由于所述径向延伸部，每一夹水板在板的平面中大致上形成钥匙孔形状。
还提供包括三个细长稳定立柱的浮式、半潜式风力涡轮机平台，其中三个稳定立柱中的每一个具有顶端、龙骨端和外壳与内轴之间由立柱外壳所包含的环形舱室。三个稳定立柱中的每一个具有位于其龙骨端处的夹水板。所述夹水板被悬臂式支撑在垂直于稳定立柱的纵向轴的平面中。
浮式、半潜式风力涡轮机平台包括三个桁架构件，其中每一桁架构件包括两个水平主管状构件和两个对角管状构件。水平主管状构件中的每一个具有用于连接至三个稳定立柱中的一个的内轴的第一端，以及用于连接至三个稳定立柱中的不同的一个的内轴的第二端。互连的三个稳定立柱和三个桁架构件在垂直于三个稳定立柱的纵向轴的平面中形成三角形横截面，其中三角形横截面的三个边是三个桁架构件，且三角形横截面的三个顶点是三个稳定立柱。对于每一桁架构件，两个对角管状构件中的每一个也具有第一端和第二端，其中每一对角管状构件的第一端连接至一个稳定立柱的内轴，且每一对角管状构件的第二端连接至同一个桁架构件的水平管状构件中的一个。浮式、半潜式风力涡轮机平台进一步包括安置在三个稳定立柱中的一个的顶端上方的细长风力涡轮机塔架，以使得塔架的纵向轴大致上平行于稳定立柱的纵向轴。
在一些实施方案中，环形舱室由隔板和环形加强圆柱形扁平部中的至少一者隔开。在一个实施方案中，三个稳定立柱中的每一个的立柱外壳由隔板、环形加强圆柱形扁平部和环形梁中的至少一者进行结构支撑。
在一些实施方案中，三个桁架构件中的一个具有与其它两个桁架构件不同的长度，因此形成是等腰三角形的三角形横截面。风力涡轮机塔架安置在连接至具有相同长度的其它两个桁架构件的稳定立柱的顶端上方。
在一个实施方案中，三个桁架构件具有同等长度，其中所形成的三角形横截面是等边三角形。
在一些实施方案中，环形舱室提供可以用液体和气体中的至少一者来加压的体积。
在一个实施方案中，三个稳定立柱中的一个具有比其它两个稳定立柱大的直径，且风力涡轮机塔架安置在具有较大直径的一个稳定立柱的顶端上方。
提供前面的描述以使得本领域技术人员能够实践本文所描述的各种方面。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且本文中所限定的一般原理可以应用于其它方面。因此，权利要求并非意在限于本文所示出的各方面，而是应符合与语言权利要求相一致的全部范围，其中以单数形式提及要素并非意在表示“一个且仅一个”，而是“一个或多个”，除非如此明确说明。
诸如“方面”等短语并不暗示所述方面对于主题技术是必不可少的，或者所述方面适用于主题技术的所有配置。与一个方面有关的公开内容可以适用于所述配置或一个或多个配置。诸如“方面”等短语可以表示一个或多个方面，且反之亦然。诸如“配置”等短语并非暗示所述配置对于主题技术是必不可少的，或者所述配置适用于主题技术的所有配置。与配置有关的公开内容可以适用于所有配置或一个或多个配置。诸如“配置”等短语可以表示一个或多个配置，且反之亦然。
词语“示例性”在本文中用于表示“充当实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为比其它方面或设计优选或有利。本领域普通技术人员已知的或以后将会知道的、贯穿本公开所描述的各种方面的要素的所有结构和功能等效形式以引用的方式明确并入本文中，并且意在由权利要求所涵盖。

Claims (20)

1.一种浮式、半潜式风力涡轮机平台，所述平台包括：
三个细长稳定立柱，所述三个稳定立柱中的每一个具有顶端、龙骨端和包含内轴的外壳，所述三个稳定立柱中的每一个具有位于其龙骨端处的夹水板，每一夹水板被悬臂式支撑在垂直于所述稳定立柱的纵向轴的平面中；
三个桁架构件，每一桁架构件包括两个水平主管状构件和两个对角管状构件，所述水平主管状构件中的每一个具有用于连接至所述三个稳定立柱中的一个的所述内轴的第一端，以及用于连接至所述三个稳定立柱中的不同的一个的所述内轴的第二端，以使得所述互连的三个稳定立柱和三个桁架构件在垂直于所述三个稳定立柱的所述纵向轴的平面中形成三角形横截面，其中所述三角形横截面的三个边是所述三个桁架构件，且所述三角形横截面的三个顶点是所述三个稳定立柱，并且对于每一桁架构件，所述两个对角管状构件各自具有第一端和第二端，其中每一对角管状构件的所述第一端连接至一个稳定立柱的所述内轴，且每一对角管状构件的所述第二端连接至所述同一个桁架构件中的所述水平管状构件中的一个；以及
细长风力涡轮机塔架，所述细长风力涡轮机塔架安置在所述三个稳定立柱中的一个的所述顶端上方，以使得所述塔架的纵向轴大致上平行于所述稳定立柱的所述纵向轴。
2.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中扇形切口安置在所述立柱外壳中的每一个的侧面上，以提供用于所述三个桁架构件中的两个对应桁架构件连接至所述内轴的间隙。
3.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中所述三个桁架构件还连接至所述三个稳定立柱的所述立柱外壳，所述三个桁架构件穿过并且连接至所述立柱外壳并且连接至所述内轴。
4.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中所述三个桁架构件中的一个具有与其它两个桁架构件不同的长度，并且其中所述三角形横截面是等腰三角形。
5.如权利要求4所述的浮式风力涡轮机平台，其中所述风力涡轮机塔架安置在连接至具有相同长度的所述其它两个桁架构件的所述稳定立柱的所述顶端上方。
6.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中所述三个桁架构件具有同等长度，并且其中所述三角形横截面是等边三角形。
7.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中环形舱室形成在立柱外壳和对应内轴中的每一个之间，所述环形舱室提供可用液体和气体中的至少一者来加压的体积。
8.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中所述三个稳定立柱中的一个具有比所述其它两个稳定立柱大的直径，所述风力涡轮机塔架安置在具有所述较大直径的所述一个稳定立柱的所述顶端上方。
9.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中压载箱安置在所述三个稳定立柱中的每一个内，所述压载箱被用于容纳可通过压载控制***在所述三个稳定立柱之间传递的压载。
10.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中所述三个稳定立柱中的每一个的所述立柱外壳由隔板、环形梁和环形加强圆柱形扁平部中的至少一者进行结构支撑。
11.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中所述三个稳定立柱中的每一个的所述内轴由环形梁进行结构支撑。
12.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中所述三个稳定立柱中的每一个的所述立柱外壳由隔板、环形梁和环形加强圆柱形扁平部中的至少一者进行结构支撑，并且其中所述三个稳定立柱中的每一个的所述内轴由环形梁进行结构支撑。
13.如权利要求1所述的浮式风力涡轮机平台，其中每一夹水板i)从所述稳定立柱龙骨端的圆周的至少一部分径向延伸，并且ii)在连接至所述稳定立柱的所述桁架构件中的两个的方向上径向延伸，每一夹水板形成钥匙孔形状。
14.一种浮式、半潜式风力涡轮机平台，所述平台包括：
三个细长稳定立柱，所述三个稳定立柱中的每一个具有顶端、龙骨端和外壳与内轴之间由所述立柱外壳所包含的环形舱室，所述三个稳定立柱中的每一个具有位于其龙骨端处的夹水板，每一夹水板被悬臂式支撑在垂直于所述稳定立柱的纵向轴的平面中；
三个桁架构件，每一桁架构件包括两个水平主管状构件和两个对角管状构件，所述水平主管状构件中的每一个具有用于连接至所述三个稳定立柱中的一个的所述内轴的第一端，以及用于连接至所述三个稳定立柱中的不同的一个的所述内轴的第二端，以使得所述互连的三个稳定立柱和三个桁架构件在垂直于所述三个稳定立柱的所述纵向轴的平面中形成三角形横截面，其中所述三角形横截面的三个边是所述三个桁架构件，且所述三角形横截面的三个顶点是所述三个稳定立柱，并且对于每一桁架构件，所述两个对角管状构件各自具有第一端和第二端，其中每一对角管状构件的所述第一端连接至一个稳定立柱的所述内轴，且每一对角管状构件的所述第二端连接至所述同一个桁架构件中的所述水平管状构件中的一个；以及
细长风力涡轮机塔架，所述细长风力涡轮机塔架安置在所述三个稳定立柱中的一个的所述顶端上方，以使得所述塔架的纵向轴大致上平行于所述稳定立柱的所述纵向轴。
15.如权利要求14所述的浮式、半潜式风力涡轮机平台，其中所述环形舱室由隔板和环形加强圆柱形扁平部中的至少一者隔开。
16.如权利要求15所述的浮式、半潜式风力涡轮机平台，其中所述三个稳定立柱中的每一个的所述立柱外壳由所述隔板、所述环形加强圆柱形扁平部和环形梁中的至少一者进行结构支撑。
17.如权利要求14所述的浮式、半潜式风力涡轮机平台，其中所述三个桁架构件中的一个具有与其它两个桁架构件不同的长度，所述三角形横截面是等腰三角形，并且其中所述风力涡轮机塔架安置在连接至具有相同长度的所述其它两个桁架构件的所述稳定立柱的所述顶端上方。
18.如权利要求14所述的浮式、半潜式风力涡轮机平台，其中所述三个桁架构件具有同等长度，并且其中所述三角形横截面是等边三角形。
19.如权利要求14所述的浮式、半潜式风力涡轮机平台，其中所述环形舱室提供可用液体和气体中的至少一者来加压的体积。
20.如权利要求14所述的浮式、半潜式风力涡轮机平台，其中所述三个稳定立柱中的一个具有比所述其它两个稳定立柱大的直径，所述风力涡轮机塔架安置在具有所述较大直径的所述一个稳定立柱的所述顶端上方。
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