本发明涉及海上风电设备领域，特别涉及一种海上风机整体运输的浮力装置及方法。
背景技术：
海上风资源具有风速高、湍流度低、风切变小等优点，吸引了世界各国对海上风电场的开发热情，我国也已开发或规划了大量的海上风电场。然而，作为海上风电场建设的关键环节——海上风电机组的运输安装过程具有难度大、风险高、周期长、成本昂贵的特点，风电工程领域针对该特点提出了多种运输安装的解决方案。总体来说，这些解决方案可分为两类，模块化安装运输和整体安装运输。其中模块化安装运输是指将风机的塔筒、机舱、叶片等零部件由运输船运输至机位，然后通过浮吊或自升式平台等起重船舶进行吊装。在早期的海上风电场建设时，受到起重设备能力的限制，模块化安装方式使用较为广泛。整体式安装运输，如图1所示，是指将风机零部件运输至中转码头，在码头搭建风机临时机位进行整体组装，然后将组装后的风机整体吊至大型运输船，驳运至海上机位后通过大型浮吊船进行整体吊装。
对海上固定式风机而言，整体式安装运输方法存在一些局限性。例如，该方法通常需要专门用于风机运输的运输船配合大型浮吊完成整体式安装运输。随着风电机组容量及结构尺寸的增大，运输船每次航行仅能装载2～4台整机，装载能力难以满足要求。另外，随着海上风电场大规模建设模式的盛行以及风电场离岸距离越来越远，在安装过程中需要运输船往返港口运送风机的次数也越多，航行时间长，这将导致大型浮吊在海上机位处等待时间较长，安装作业效率降低、成本增加。
近年来，海上风电场的建设规模越来越大，针对风电行业的海上起重设备日益先进，对海上大型风电机组的塔筒也开始采用整体运输的方案。具体是，将风机的整个塔筒在岸上组装后，密封塔筒两端。借助图2所示工装，将风机塔筒平放于海面，通过塔筒自身浮力实现对其进行海上整体式牵引运输。但该方案也有明显的缺陷。例如，一方面该方案仅能实现塔筒部分的整体运输，而实际的风机安装过程中风机叶片的安装占用2/3以上的安装时间，故而该方案对整机安装效率的提高并不明显。另一方面，整个塔筒为细长结构，该方案将塔筒浮于海面进行拖运过程中，海洋波浪对细长结构的波浪载荷十分大，极易造成塔筒结构的屈曲变形和破坏，进而影响施工质量和周期。此外，该方案将塔筒运输至海上机位处之后，需要额外增加对塔筒的扶正工序，该工序复杂，风险高，耗费时间长。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种海上风机整体运输的浮力装置及方法，能够进行海上风机的整体运输，通过本发明实现竖直的湿拖风机，防止波浪载荷引起风机变形，在风机运输至目的地后，无需扶正风机塔筒即可直接吊装风机至指定位置。通过本发明能够解决海上风机在运输过程中存在的大型浮吊在位等待时间较长的问题，能够提高作业的效率，缩短风电场建设周期，降低大型浮吊的租用成本。
为了达到上述目的，一种海上风机整体运输的浮力装置，包含：
若干个沿所述风机的塔筒轴向设置的抱紧装置，所述抱紧装置固定的套设在所述塔筒外壁；
若干个相同的浮筒，所述浮筒具有中空的封闭结构，其固定连接设置在所述抱紧装置的外周，用于向所述风机提供浮力。
所述海上风机整体运输的浮力装置，还包含：
若干根牵引绳，牵引绳第一端固定连接所述抱紧装置，牵引绳第二端固定连接拖船，通过拖船湿拖风机。
优选的，所述抱紧装置包含：若干个抱紧部，沿风机塔筒的周向方向依序固定连接形成一个与塔筒匹配的环状结构，所述环状结构的中心轴重合塔筒的中心轴。
优选的，所述若干个浮筒的总排水量大于风机、浮筒、抱紧装置总重量的30％。
优选的，所述浮筒等高；浮筒包含浮筒本体和浮筒盖；所述浮筒本体设有开口，通过所述浮筒盖封闭所述开口；浮筒的长度方向平行于风机塔筒的中心轴。
优选的，所述浮筒为橡胶材质或钢材质。
本发明还提供一种海上风机的整体运输方法，采用本发明所述的海上风机整体运输的浮力装置实现的，包含步骤：
s1、在无水的船坞内完成风机的整体组装，组装过程中通过起重设备保持风机处于竖立状态；
s2、将若干个抱紧装置沿塔筒轴向，固定的套设在塔筒外壁；将若干个浮筒均匀的固定设置在抱紧装置外周，使风机、抱紧装置、浮筒形成一个组合结构；
s3、向船坞内注水，所述组合结构通过浮筒产生的浮力上浮，通过起重设备保持风机处于正浮姿态；
s4、向浮筒内注入重量为g2的水或配重块实现对浮筒配重，使组合结构的浮心位于重心之上，风机的叶片位于海面之上；
s5、通过牵引绳连接抱紧装置和拖船，撤去起重设备；湿拖所述组合结构至指定位置；
s6、将海上大型浮吊固定连接塔筒，保持风机处于竖立状态，清空浮筒，拆除塔筒上的抱紧装置；吊装风机。
步骤s2中，所述若干个抱紧装置套设在塔筒底部至中部的外壁。
步骤s4中所述重量g2满足：h＝(g1*h1 g2*h2)/(g1 g2)；其中g1为浮筒配重前所述组合结构的重量，h1为浮筒配重前组合结构的重心高度，h2为配重块的重心高度，h为浮筒配重后所述组合结构的重心高度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)通过本发明能够进行风机的整体运输，相比模块化匀速，大大提高风机的运输效率；
2)通过本发明在海上风机运输过程中无需大型运输船，降低了运输成本；
3)本发明通过竖直的湿拖风机，使得所述组合结构的水线面小，受到的波浪载荷小，不易因波浪载荷引起风机屈曲变形破坏；
4)由于风机在运输过程中始终保持竖直状态，在风机运输至目的地后，不需要增加对塔筒的扶正操作工序即可直接吊装风机至指定位置，大大提高了工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为现有技术中整体运输风机示意图；
图2为现有技术中通过浮筒运输风机塔筒示意图；
图3为本发明的实施例一中，抱紧装置结构示意图。
图4为本发明的实施例一中，抱紧装置连接风机塔筒示意图；
图5为本发明的实施例一中，抱紧装置、风机塔筒、浮筒连接示意图；
图6为本发明的实施例一种，抱紧装置、风机、浮筒连接示意图；
图7为本发明的海上风机的整体运输方法流程示意图；
图8为本发明的实施例二中，相邻的抱紧部通过挂耳连接示意图。
图中：1、风机；11、塔筒；12、风机的叶片；2、大型运输船；3、大型浮吊船；4、浮筒；5、抱紧装置；51、外弧、52、内弧；53、连接杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图6所示，本发明提供一种海上风机整体运输的浮力装置，包含：若干个抱紧装置5、若干个相同的浮筒4、若干根牵引绳(图中未示出)。
如图6所示，风机的塔筒上部与塔筒中部通过凸台状结构连接，从塔筒中部向上，塔筒直径逐渐变小，塔筒中部以下均为圆柱结构。所述若干个抱紧装置5沿塔筒轴向固定套设在塔筒底部至中部的外壁。
如图4、图5、图6所示，在本发明的实施例一中包含两个抱紧装置5。所述抱紧装置5包含若干个抱紧部。通过所述若干个抱紧部沿塔筒11的周向方向依序固定连接形成一个与塔筒11匹配的环状结构，抱紧部的第一端连接相邻抱紧部的第二端。所述环状结构的中心轴重合塔筒11的中心轴。
如图3所示，在本发明的实施例一中，所述抱紧装置5包含两个相同的抱紧部。所述抱紧部包含相同的两个半圆形外弧51、相同的两个半圆形内弧52，以及连接设置在外弧51与内弧52之间、两个外弧51之间、两个内弧52之间的若干个连接杆53。所述内弧52的内径匹配风机塔筒底部的外径。
在本发明的实施例一中，如图3所示，外弧第一端端部设有第一凹槽，外弧第二端端部设有匹配所述第一凹槽的第一突起；内弧第一端端部设有第二凹槽，内弧第二端端部设有匹配所述第二凹槽的第二突起。通过将外弧51的第一突起嵌入设置在相邻抱紧部对应外弧51的第一凹槽内，并通过螺栓穿设第一凹槽的侧壁及第一突起，实现固定连接相邻抱紧部对应的外弧51。将内弧52的第二突起嵌入设置在相邻抱紧部对应内弧52的第二凹槽内，并通过螺栓穿设第二凹槽的侧壁及第二突起，实现固定连接相邻抱紧部对应的内弧52。
如图8所示，在本发明的实施例二中，也可以在外弧两端的端部、内弧两端的端部分别设置挂耳，通过螺栓穿设对应的挂耳，实现固定连接相邻的抱紧部。
所述浮筒4具有中空的封闭结构，其固定连接所述抱紧装置5，用于使风机1竖直的浮在海中，且风机的叶片12位于海面之上。若干个浮筒4的总排水量大于风机1、浮筒4、抱紧装置5总重量的30％。浮筒4包含浮筒本体和浮筒盖，浮筒本体设有开口，通过所述浮筒盖封闭所述开口。在本发明的实施例一中，如图5、图6所示，本发明所述的浮力装置包含4～8个浮筒4。若干个浮筒4等高且均匀的固定设置在抱紧装置外周。每个浮筒4的长度方向平行于塔筒11的中心轴，且每个浮筒4均固定连接所有的抱紧装置5。所述浮筒4为橡胶材质或钢材质。当浮筒4为橡胶材质时，可以通过捆绑的方式将浮筒4固定连接抱紧装置5。当浮筒4为钢材质时，通过焊接的方式固定连接浮筒4与抱紧装置5。
本发明中，通过抱紧装置5实现浮筒4与塔筒11之间的固定连接，并传递浮筒4对塔筒的托举载荷。通过浮筒4在风机1整体运输过程中为风机1提供漂浮力。
牵引绳第一端固定连接所述抱紧装置5，牵引绳第二端固定连接拖船，通过拖船湿拖风机1。本发明中所述湿拖是指风机1处于半浸没状态，即风机的叶片12位于水面以上，风机的塔筒底部位于水面以下。
一种海上风机的整体运输方法，采用本发明所述的海上风机整体运输的浮力装置实现的，如图7所述，包含步骤：
s1、在无水的船坞内完成风机1的整体组装，组装过程中通过起重设备保持风机1处于竖立状态；
s2、将若干个抱紧装置5沿风机塔筒轴向固定的套设在塔筒底部至中部的外壁，将若干个浮筒4均匀的固定设置在抱紧装置外周，使风机1、抱紧装置5、浮筒4形成一个组合结构；
s3、向船坞内注水，所述组合结构通过浮筒4产生的浮力上浮，通过起重设备保持风机1处于正浮姿态；
s4、向浮筒4内注入重量为g2的水或配重块实现对浮筒4配重，使组合结构的浮心位于重心之上，风机的叶片12位于海面之上；根据船舶与海洋工程原理知识可知，当重心在浮心以下时，所述组合结构具备天然稳性，即小角度倾斜后能够自动恢复到垂直正浮状态；
所述重量g2满足：h＝(g1*h1 g2*h2)/(g1 g2)；
其中g1为浮筒4配重前所述组合结构的重量，h1为浮筒4配重前组合结构的重心高度，h2为配重块的重心高度，h为浮筒4配重后所述组合结构的重心高度。
s5、通过牵引绳连接抱紧装置5和拖船，撤去起重设备；竖直的湿拖所述组合结构至指定位置；
s6、将海上大型浮吊固定连接塔筒11，保持风机1处于竖立状态，清空浮筒4，拆除塔筒11上的抱紧装置5；吊装风机1。
以500mw的海上风电场安装为例，假设风电场离岸距离50km，风机1单机容量为5mw，风机1在码头的整机组装时间约为1台/天，每条大型运输船2每次可装载3台风机1，往返于码头和风电场的时间约为1天/次，采用大型浮吊在每个机位点处进行整机在位安装的时间约为1台/天。
若采用传统的整机安装方法，则通过大型浮吊平均每天安装1台风机1，之后将存在0.67天的等待期，整个风电场的风机1安装时间约为167天。
若采用本发明的海上风机整体运输的浮力装置及方法，则大型浮吊在平均每天安装1台风机1之后可移动至下一个安装的机位点，此期间不存在等待期，整个风电场的风机1安装时间约为100天。由此可见，本发明相对传统安装方法可节约40％的安装时间。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
1.一种海上风机整体运输的浮力装置，其特征在于，包含：
若干个沿所述风机的塔筒轴向设置的抱紧装置，所述抱紧装置固定的套设在所述塔筒外壁；
若干个相同的浮筒，所述浮筒具有中空的封闭结构，其固定连接设置在所述抱紧装置的外周，用于向所述风机提供浮力。
2.如权利要求1所述的海上风机整体运输的浮力装置，其特征在于，还包含：
若干根牵引绳，牵引绳第一端固定连接所述抱紧装置，牵引绳第二端固定连接拖船，通过拖船湿拖风机。
3.如权利要求1所述的海上风机整体运输的浮力装置，其特征在于，所述抱紧装置包含：若干个抱紧部，沿风机塔筒的周向方向依序固定连接形成一个与塔筒匹配的环状结构，所述环状结构的中心轴重合塔筒的中心轴。
4.如权利要求1所述的海上风机整体运输的浮力装置，其特征在于，所述若干个浮筒的总排水量大于风机、浮筒、抱紧装置总重量的30％。
5.如权利要求1所述的海上风机整体运输的浮力装置，其特征在于，所述浮筒等高；浮筒包含浮筒本体和浮筒盖；所述浮筒本体设有开口，通过所述浮筒盖封闭所述开口；浮筒的长度方向平行于风机塔筒的中心轴。
6.如权利要求1所述的海上风机整体运输的浮力装置，其特征在于，所述浮筒为橡胶材质或钢材质。
7.一种海上风机的整体运输方法，采用如权利要求1至6任一所述的海上风机整体运输的浮力装置实现的，其特征在于，包含步骤：
s1、在无水的船坞内完成风机的整体组装，组装过程中通过起重设备保持风机处于竖立状态；
s2、将若干个抱紧装置沿塔筒轴向，固定的套设在塔筒外壁；将若干个浮筒均匀的固定设置在抱紧装置外周，使风机、抱紧装置、浮筒形成一个组合结构；
s3、向船坞内注水，所述组合结构通过浮筒产生的浮力上浮，通过起重设备保持风机处于正浮姿态；
s4、向浮筒内注入重量为g2的水或配重块实现对浮筒配重，使组合结构的浮心位于重心之上，风机的叶片位于海面之上；
s5、通过牵引绳连接抱紧装置和拖船，撤去起重设备；湿拖所述组合结构至指定位置；
s6、将海上大型浮吊固定连接塔筒，保持风机处于竖立状态，清空浮筒，拆除塔筒上的抱紧装置；吊装风机。
8.如权利要求7所述的海上风机的整体运输方法，其特征在于，步骤s2中，所述若干个抱紧装置套设在塔筒底部至中部的外壁。
9.如权利要求7所述的海上风机的整体运输方法，其特征在于，步骤s4中所述重量g2满足：h＝(g1*h1 g2*h2)/(g1 g2)；其中g1为浮筒配重前所述组合结构的重量，h1为浮筒配重前组合结构的重心高度，h2为配重块的重心高度，h为浮筒配重后所述组合结构的重心高度。
技术总结