ПЛАВУЧАЯ ЛЕДОСТОЙКАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА

Полезная модель относится к плавучим сооружениям, точнее, к области морских ветроэнергетических установок (ВЭУ) и используется как возобновляемый источник электроэнергии для применения в районах с сезонным ледообразованием.
Для относительно больших глубин применяют плавучие платформы для ветрогенераторов, удерживаемые якорной системой удержания и устанавливаемые на глубинах 35-40 м и более (см. например, Руководство ABS “Guide for Building and Classing Floating Offshore Wind Turbine Installations)) (ABS FOWTI Guide, 2013) или Стандарт DNV DNV-OS-J103 “Design of Floating Wind Turbine Structures”, 2013).
К недостаткам плавучих сооружений можно отнести снижение коэффициента использования мощности ВЭУ и повышенную вероятность возникновения повреждений механической части ВЭУ вследствие угловой качки, характерной для традиционных плавучих сооружений с провисающими якорными связями, а также повышенную вероятность повреждений силового подводного кабеля (соединяющего платформу с к потребителем электроэнергии), являющуюся следствием неизбежных перемещений плавучего сооружения под действием ветра и волнения моря.
Для глубин моря более 50 м часто используют известный тип плавучих сооружений - платформы на натяжных вертикальных якорных связях, например, патент WO 2014/000802 кл. B63B 53/44, B63B 39/06) «Floating Offshore Wind Turbine with Damping Structure)) (Плавучий морской ветрогенератор с демпфирующей конструкцией).
Платформа по указанному патенту имеет вертикальные связи с предварительным натяжением связей, обеспеченным избыточной плавучестью корпуса, выполненного как цистерна плавучести в виде цилиндра с вертикальной осью. На нижней части цистерны плавучести смонтировано демпфирующее устройство из совокупности пластин для гашения вертикальной и угловой качки. Конструкция по указанному патенту обеспечивает устойчивость и остойчивость платформы благодаря широко расставленным брасам, закрепленным на цилиндрической цистерне плавучести, а качка платформы, вызванная волнением и порывами ветра должна, как предполагается умеряться демпфирующим устройством.
Недостатком указанного предложения является достаточно большой диаметр корпуса и площадь действующей ватерлинии и, соответственно, нежелательная чувствительность платформы к приливу-отливу, поскольку при изменении уровня моря изменяется плавучесть сооружения и, соответственно, натяжение вертикальных якорных связей. Другим существенным недостатком является тот факт, что демпфирующие устройства, предназначенные для умерения качки, не будут эффективны на платформе такого типа, поскольку их эффективность, как известно, пропорциональна скоростям перемещений (точек расположения демпфирующих пластин), которые весьма малы вследствие конструктивной малоподвижности сооружения на натяжных вертикальных связях. Более того, в случае сильного волнения или течения демпфирующие устройства сами явятся генератором возмущающих сил, и, соответственно, дополнительных нежелательных смещений.
Следует отметить, что для плавучих ветрогенераторов примеры платформ, способных противостоять воздействию дрейфующего льда какой-либо формы (сплошной, разреженный, битый, торосистый), в доступных источниках не найдены.
Известно также техническое решение “Support Structure for an Offshore Wind Turbine” (“Опорная конструкция для морской ветровой турбины») US 2013/0183163 A1, кл. F03D 11/04, B63B 35/44, принятое за прототип, в котором предлагается также плавучая платформа на натяжных вертикальных связях. Требуемые плавучесть и остойчивость этой плавучей платформы обеспечиваются за счет плавучего корпуса в виде колонны с аутригерной конструкцией, закрепленной на плавучем корпусе и отстоящей радиально от него. Аутригерная конструкция включает водонепроницаемое трубное кольцо, удерживаемое наклонными, направленными от корпуса и вверх водонепроницаемыми брасами; на кольце расположены узлы закрепления натяжных вертикальных связей. Благодаря высокорасположенному трубному кольцу и, соответственно, расположению узлов закрепления натяжных вертикальных связей уменьшаются плечо вертикальное расстояние от центра величины платформы до уровня узлов закрепления натяжных вертикальных связей и, соответственно, уменьшаются кренящие моменты от волнения и течения и максимальные усилия в связях. Кроме того, сопутствующее увеличение длин связей увеличивает собственный период горизонтальных колебаний и делает качку более плавной, уменьшая ее амплитуду.
Недостатком указанной конструкции, как и для ранее упомянутого аналога, является подверженность влиянию прилива-отлива на плавучесть платформы и натяжение вертикальных связей. При этом возможно снижение величины плавучести и остойчивости при максимальном отливе ниже минимально допустимой величины, что может привести к провисанию вертикальных связей (что недопустимо для платформы на натяжных вертикальных связях) и отрицательно влияет на безопасность платформы, особенно, при наличии горизонтальных воздействий (ветра, течения, дрейфующего льда).
Задача настоящей полезной модели является устранение отмеченного недостатка прототипа, а также приобретение нового качества по отношению к прототипу - ледостойкости, т.е., способности плавучей платформы на натяжных вертикальных связях противостоять наряду с воздействием ветра и течения усилию от дрейфующего (сплошного или разреженного) льда умеренной толщины (в период сезонного ледообразования, т.е., при отсутствии волнения моря, но с учетом прилива-отлива). В том числе, обеспечить минимальное ледовое усилие, сохранение остойчивости и отсутствие недопустимого притопления корпуса при максимальном горизонтальном смещении, а также не допустить воздействие разрушенного льда на якорные связи.
С одной стороны, указанная задача в части обеспечения остойчивости платформы во льдах решена, как и в прототипе, за счет применения аутригерной системы, состоящей из горизонтальных и наклонных брасов. Использование аутригерной системы позволяет отдалить точки закрепления якорных связей как от вертикальной оси корпуса (увеличить восстанавливающий момент), так и приблизить к уровню приложения ледовой силы - поверхности моря (уменьшить плечо кренящего момента). С другой стороны, поставленная задача решена, путем снижения ледового воздействия за счет уменьшения поперечного размера участка колонны (верхней части корпуса плавучей платформы для ветрогенератора), пересекающем поверхность воды. За счет выбора высоты этого участка колонны обеспечивают примерное постоянство горизонтальной силы ото льда при изменении осадки платформы как от изменения уровня моря (прилива-отлива), так и притопления корпуса, вызванного горизонтальным смещением платформы от действия льда, ветра и течения.
Сущность настоящей полезной модели заключается в том, что колонна снабжена вставкой в виде ледового пояса, расположенной в районе ватерлинии, имеющей в своей средней части цилиндрическую форму диаметром, меньшим диаметра колонны, и обрамленной на концах верхним и нижним переходными к диаметру колонны конусами, а высота участков цилиндрической части вставки выше и ниже относительно ватерлинии при среднем уровне моря, определена по формулам:
- высота верхнего участка цилиндрической части вставки
ВΕΡΧ
ПРИЛИВА
H=(Δ+Z)
ВЕРХ
где H - высота верхнего участка, м;
ПРИЛИВА
Δ - высота прилива, м
Ζ - величина допустимого притопления платформы от исходной ватерлинии, м
- высота нижнего участка цилиндрической части вставки
НИЗ
ОТЛИВА
Л
H=(Δ+h)
НИЗ
где H - высота нижнего участка, м;
ОТЛИВА
Δ - высота отлива, м;
Л
h - толщина льда, м.
Таким образом, для решения задачи минимизации величины ледовой силы в процессе смещения и притопления платформы в настоящем полезной модели применяют специальное профилирование верхней части корпуса- колонны в районе ватерлинии.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - общий фронтальный вид плавучей ледостойкой платформы для ветрогенератора,
на фиг. 2 - вид плавучей ледостойкой платформы для ветрогенератора в плане,
на фиг. 3 - фронтальный вид плавучей ледостойкой платформы для ветрогенератора при противостоянии воздействию льда.
Плавучая ледостойкая платформа для ветрогенератора содержит колонну 1, которая состоит из цилиндрической части вставки 2 диаметром, меньшим основного диаметра колонны 1, верхней 3 и нижней 4 частей колонны 1, и верхнего 5 и нижнего 6 переходных конусов. Цилиндрическая часть вставки 2 и переходные верхний 5 и нижний 6 конусы образуют вставку в виде ледового пояса 7. На уровне действующей ватерлинии в цилиндрической части вставки 2 колонны 1 упирается дрейфующий ледяной покров. На верху колонны 1 установлена соосно башня ветрогенератора 8. К нижней части 4 колонны 1 пристыкована аутригерная система 9, состоящая из соединенных элементов: наклонных брасов 10, горизонтальных брасов 11 и объемов плавучести 12. Плавучая ледостойкая платформа для ветрогенератора удерживается системой удержания из натяжных вертикальных связей 13, передающих натяжение связей на платформу через узлы закреплений связей 14, размещенных на объемах плавучести 12.
Работу (удержание) плавучей ледостойкой платформы для ветрогенератора в ледовых условиях осуществляют следующим образом (см. рисунок 3).
X
Z
X
Z
В исходном положении плавучая ледостойкая платформа плавает с заданной осадкой, имея необходимую для плавания и натяжения связей плавучесть, которая обеспечена нижней частью 4 колонны и аутригерной системой 9, включающей наклонные 10 и горизонтальные 11 брасы и объемы плавучести 12. Платформу удерживают на позиции натяжными вертикальными связями 13, закрепленными в узлах закрепления связей 14, смонтированных на объемах плавучести 12, имея ось центральной колонны 1 в вертикальном положении и заданную осадку, соответствующую ватерлинии несколько ниже середины по высоте цилиндрической части вставки 2. При возникновении воздействия F от ледяного покрова платформа отклоняется горизонтально в сторону дрейфа льда и, одновременно, притопляется, увеличивая осадку со смещением ватерлинии вверх по колонне 1 при сохранении оси колонны 1 в вертикальном положении. Смещение и притопление происходят с некоторым противодействием из-за нарастания силы плавучести (от входа в воду верхнего участка цилиндрической части вставки) до входа в воду верхнего переходного конуса 5, когда появляется еще дополнительная сила плавучести, обусловленная конусным увеличением площади сечения колонны 1 по ватерлинии. Одновременно, из-за возникшего контакта льда с верхним переходным конусом 5 возникает вертикальная составляющая ледовой силы F, также направленная вверх. Указанные силы препятствуют дальнейшему притоплению платформы и его смещению. Как показали модельные испытания в ледовом опытовом бассейне, горизонтальная составляющая ледовой силы F от входа в контакт конуса со льдом не увеличивается, но появляется вертикальная составляющая F, что содействует остановке смещения. В случае большой величины ледового воздействия (большая толщина или скорость дрейфа льда), превышающей сумму тормозящих сил от входа в воду и контакта со льдом конуса, притопление и смещение платформы могут продолжиться, но предельное ледовое воздействие, выдерживаемое сооружением, регламентируют (как проектное) именно фактом прекращения смещения сооружения в момент остановки.
X
Л
Высоту цилиндрической части вставки 2 колонны 1 рассчитывают с учетом толщины льда, максимально допустимого притопления платформы от уровня ватерлинии и величины размаха колебаний уровня моря, обусловленного приливом-отливом по формулам (1) и (2), как указано выше. При этом величина максимально допустимого притопления платформы Z определяется в зависимости от длины натяжных вертикальных связей 13 и максимально допустимого (по условиям работы силового кабеля) горизонтального смещения платформы. При определении величин смещения и притопления колонны 1 учитывают, что величина смещения обратно пропорциональна величине предварительного натяжения связей 13, и, следовательно, увеличение натяжения связей позволяет увеличить величину выдерживаемого плавучей платформой ледового воздействия F. Увеличение протяженности цилиндрической части вставки 2 вниз на величину толщины льда h задается с целью обеспечения свободного прохода кусков битого льда над нижним переходным конусом 6 при минимальном уровне воды (отливе).
Существенность отличия предлагаемой конструкции от прототипа состоит в том, что ее применение позволит обеспечить эксплуатацию и выживание плавучей ледостойкой платформы на натяжных якорных связях для ветрогенератора в том числе и при воздействии льда с учетом также влияния прилива-отлива.
В частности, для примера, выполнены расчеты удержания в ледовых условиях для спроектированной по предлагаемому принципу одноколонной плавучей платформы с ветрогенератором 1,5 MW с осадкой 27 м, стоящей на глубине моря 77 м с, с диаметром цилиндрической части вставки 3 м с коническим переходом на диаметр 5 м. Суммарное предварительное натяжение связей 12 МН. Рассматривается воздействие морского сплошного льда толщиной 1,2 м, дрейфующего со скоростью 0,5 м/с.Ледовое усилие для такого льда составляет 3,2 МН (определено модельными испытаниями в ледовом опытовом бассейне), горизонтальное смещение плавучего корпуса около 15 м и притопление примерно 2,3 м. В расчетах принята высота прилива 1 м (размах 2 м). Зазор для беспрепятственного прохождения битого льда принят как толщина льда, т.е. 1,2 м. Следовательно, в данном случае достаточно высоты средней цилиндрической части 5,5 м, при этом высота верхней части цилиндрической части вставки составит 3,3 м. Следовательно, указанная плавучая ледостойкая платформа для ветрогенератора может выдержать воздействие морского сплошного льда толщиной 1,2 м, дрейфующего со скоростью 0,5 м/с.
Таким образом, применение плавучей ледостойкой платформы для ветрогенератора со специальным профилированием корпуса сооружения в районе ватерлинии - колонны (колонн) с заданной высоты средней утонченной цилиндрической части вставки, обрамленной конусами, в сочетании с аутригерной системой, передающей на платформу увеличенное натяжение якорных связей, позволит обеспечить эксплуатацию и выживание в ледовой обстановке плавучей ледостойкой платформы для ветрогенератора на натяжных якорных связях при воздействии сплошного или разрозненного льда ограниченной толщины для заданного диапазона прилива-отлива моря.