CN102720209A - 可伸缩阻尼装置以及海上漂浮式风机基础 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于海上漂浮式风机基础的可伸缩阻尼装置以及包含所述可伸缩阻尼装置的海上漂浮式风机基础，所述可伸缩阻尼装置包括阻尼盘以及连接在阻尼盘上侧的伸缩主梁，所述伸缩主梁内设置有调谐质量阻尼器结构。本发明能显著降低漂浮式风机整机运动幅度的，投资省，效果明显，可以用于支撑大兆瓦海上风电机组的正常运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种可伸缩阻尼装置以及具有所述可伸缩阻尼装置的海上漂浮式风机基础。
背景技术
海上有着丰富的风资源和广阔的开发面积，因此随着陆地优质风场资源日趋开发完毕，世界范围内各主要风机制造商都开始把发展重点向海上转移。与陆地风电场建设相比，海上风电场要面对风浪流等多重载荷的考验，环境条件更复杂，技术开发难度更大，面临许多新的挑战。目前，潮间带、潮下带滩涂风电场及近海风电场，这些水深不超过50米的海上风电场通常采用固定式基础结构形式，主要包括重力式基础、单桩或多桩基础、导管架基础、负压桶式基础等。
2011年，国家能源局与国家海洋局联合制定并出台了《海上风电开发建设管理暂行办法实施细则》，根据该细则，海上风电场原则上应在离岸距离不少于10公里、滩涂宽度超过10公里时海域水深不得少于10米的海域布局，可见，未来海上风电的发展方向是向远离岸边的深海发展。在远离大陆的深海区域，可开发利用的风资源更多更优质，市场前景也更广阔。
现阶段，为了开发深海风电的需要，人们将海洋石油行业常用的深海漂浮式石油平台型式应用在风电领域，相继开发了采用单立柱平台(SPAR)、半潜式平台(Semi-submersible)、张力腿平台(TLP)的漂浮式风机。采用这三种类型的典型漂浮式风机的定位型式如表1所示：
表1
| 项目名称 | 基础结构型式 | 系泊定位方式 |
| 挪威Hywind项目 | 单立柱基础 | 悬链线定位系统 |
| Vestas与Windfloat合作项目 | 半潜式基础 | 悬链线定位系统 |
| 荷兰Blue H项目 | 张力腿平台 | 张力腿定位系统 |
表1中示出的三种漂浮式基础型式最早应用在石油行业，石油钻采平台与海上漂浮式风机基础所受上部载荷差异很大，具体表现为：除了承受风浪流等环境载荷作用外，石油钻采平台承受的上部载荷较为单一，主要为组块及设备自重Fz，而海上漂浮式风机基础需要承受风机这一高耸结构运行所引起的陀螺回转效应，倾覆力矩Mx、My以及绕垂直轴的扭矩Mz，整个风机会产生六个自由度的剧烈运动，包括X轴、Y轴和Z轴的轴向运动和绕轴的摆动，给风机的变桨和偏航控制系统带来巨大挑战，会影响到风机的正常运行，影响发电量，甚至会危及整个系统结构的安全。
Hywind项目中采用的SPAR平台由于本身水线面面积较小，提供的水体附加阻尼很小，在风机载荷Mx、My、Mz的作用下，整个平台的转角会很大，风机极限工况下甚至会达到40°以上，这是风机设计所不允许的。因而Hywind项目采用SPAR平台型式时，需要在转角方向设计阻尼器，但这将会额外增加设计难度及工程造价。
Vestas与Windfloat合作项目采用的风机基础形式为半潜式结构，主体由三个相距35m的浮筒组成，风机安装在其中一个浮筒上，基础的定位系统采用系泊定位。为了有效地降低风机基础的升沉、纵摇和首摇方向的运动幅度，该半潜式结构需要在每个浮筒的底部设置阻尼板增大升沉运动的阻尼。
BlueH项目采用的是张力腿平台，采用了多根张紧的张力腿，在这种定位方式下，较大的预张力使张力腿平台在平面外的运动(横摇、纵摇和垂荡)幅度较小，近似于刚性。但是，该定位方式下，张力腿平台在平面内的运动(横荡、纵荡和首摇)幅度却相对较大。因而，为了抑制该漂浮式基础平面内的运动，就需要在各个运动方向上设置阻尼器，这无疑将增加基础的设计建造难度。
因此，需要研发一种经济实用、结构紧凑、运动特性优异的漂浮式风机，使海上风电场的建设可以向深海区域发展，充分利用我国广阔的海洋风能资源。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种结构简单可靠，投资省，方便安装施工，能有效减少整机运动幅值的漂浮式风机基础，采用此种基础型式的漂浮式风机，运动性能上要优于传统的漂浮式风机基础，为漂浮式风机运行最大可能的提供稳定运行环境，保障风机正常运行发电。
根据本发明的一方面，提供了一种用于海上漂浮式风机基础的可伸缩阻尼装置，其特征在于，所述可伸缩阻尼装置包括阻尼盘以及连接在阻尼盘上侧的伸缩主梁，所述伸缩主梁内设置有调谐质量阻尼器结构。
所述阻尼盘可包括环形或圆形垂荡板。
所述伸缩主梁包括两端开口的外筒以及插入外筒中的内筒，外筒下端连接阻尼盘，内筒上端连接到风机基础，调谐质量阻尼器结构设置在内筒的外壁和外筒的内壁之间。
所述调谐质量阻尼器结构包括顺次连接的阻尼器、可移动滑块和弹簧，阻尼器上端连接到外筒的上端内壁上，弹簧的下端连接到外筒的下端内壁上，内筒上安装有可沿内筒径向伸缩的锁定销，当锁定销缩回内筒中时，外筒连同垂荡板可沿内筒的外壁上下滑动，当锁定销伸出时，锁定在可移动滑块的凹槽中。
所述垂荡板上侧设置有减摇鳍，并且所述垂荡板上设置有扰流孔。所述垂荡板开设扰流孔的透空率为8％～12％。所述垂荡板上设置有加强筋。
所述伸缩主梁的下端连接在减摇鳍片上。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括上述可伸缩阻尼装置的海上漂浮式风机基础。
所述伸缩主梁连接在海上漂浮式风机基础的底部或侧部。
所述海上漂浮式风机基础包括多个浮筒以及连接在所述多个浮筒之间的桁架。所述浮筒的数量为三个，呈正三角形排列，伸缩主梁连接在浮筒的中心部或者连接在浮筒的外侧部。所述浮筒和伸缩主梁的数量均为三个，并对应连接。
所述海上漂浮式风机基础为单立柱基础、半潜式基础或张力腿平台。
所述漂浮式风机基础上还包括控制系统，并在漂浮式风机基础上贴有加速度位移传感器，加速度位移传感器实时监控漂浮式风机基础的位移和加速度响应情况，控制系统根据基础响应自动调节伸缩量。
本发明能显著降低漂浮式风机整机运动幅度的，投资省，效果明显，可以用于支撑大兆瓦海上风电机组的正常运行。
附图说明
通过下面结合附图对本发明的示例性实施例进行描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明实施例的带可伸缩阻尼盘的海上漂浮式风机基础；
图2示出了根据本发明实施例的可伸缩阻尼装置中的伸缩主梁与调谐质量阻尼器的连接结构；
图3示出了根据本发明实施例的可伸缩阻尼装置与海上漂浮式风机基础的连接示例。
具体实施方式
现在，将参照附图来详细描述本发明的示例性实施例。虽然参照特定示例描述了本发明，然而，本发明可以以多种不同的形式实施，并且不应该被解释为限于在此阐述的示例性实施例。
图1是根据本发明实施例的带可伸缩阻尼盘的海上漂浮式风机基础。图2示出了根据本发明实施例的可伸缩阻尼装置中的伸缩主梁与调谐质量阻尼器的连接结构。图3示出了根据本发明实施例的可伸缩阻尼装置与海上漂浮式风机基础的连接示例。
如图1所示，根据本发明实施例的带可伸缩阻尼装置的海上漂浮式风机基础100包括浮筒110和桁架120。在本示例中，三个浮筒110呈正三角形排列，浮筒110之间通过桁架120相连，构成风机基础100的主体。海上漂浮式风机基础100正中设一短立柱，与风机塔架180相连，用以支撑风力发电机组。
根据本发明实施例的可伸缩阻尼装置可连接在漂浮式风机基础的底部(例如，图1所示)或侧部(例如，图3所示)。在图1所示的示例中，可伸缩阻尼装置连接在浮筒110的下部。可伸缩阻尼装置包括阻尼盘130、伸缩主梁140和调谐质量阻尼器150。伸缩主梁140的上端连接在风机基础的底部，下端连接到阻尼盘130上。在本示例中，阻尼盘130通过三根伸缩主梁140与浮筒110底部连接。伸缩主梁140与浮筒110的垂向通过调谐质量阻尼器(TMD)150可伸缩地连接，其他方向为刚性连接。在一个示例中，TMD 150的刚度可设置为漂浮式风机基础100的垂向静水力刚度的20％。
图2示出了根据本发明实施例的可伸缩阻尼装置中的伸缩主梁与调谐质量阻尼器的连接结构。如图2所示，伸缩主梁140包括外筒1410和内筒1420。调谐质量阻尼器150内嵌在外筒1410和内筒1420之间。下面详细描述伸缩主梁140与调谐质量阻尼器150之间的连接关系。
如图2所示，外筒1410固定连接在阻尼盘130的垂荡板1301上，外筒1410上下两端均具有开口，内筒1420穿过外筒1410而插入外筒1410中。内筒1420上设置有按照预定间隔隔开的多个锁定销1421。所述锁定销1421可根据控制沿内筒径向伸出或缩回内筒1420中。图2中示出的两个锁定销仅仅是示例，锁定销的数量和间隔可以根据设计需要进行设置。
调谐质量阻尼器150包括顺次连接的阻尼器1501、可滑动块1502和弹簧1503。阻尼器1501的上端连接到外筒1410的上端内壁上，弹簧1503的下端连接到外筒1410的下端内壁上。可滑动块1502连接在阻尼器1501的下端和弹簧1503的上端之间，具有与锁定销1421卡接的凹槽。
外筒1410的上端还连接有牵引杆(或牵引绳索)160，用于通过对牵引杆施力来拖动外筒连同阻尼盘上下移动。通过驱动连接在外筒1410上的牵引杆160，可将外筒1410连同垂荡板1301一起沿着内筒1402上下移动。当移动到某一位置时，通过控制装置使内筒1420上的锁定销1421伸出，并卡在阻尼器1501和弹簧1503之间的可移动滑块1502的卡槽内，从而将垂荡板定位。如再次需上下调节垂荡板的位置，可以通过控制使内筒1420的锁定销1421收回，然后通过牵引杆160移动垂荡板，直到预定位置，再通过锁定销1421定位。
阻尼盘130为开有扰流孔的垂荡板1301。阻尼盘130优选为环形和圆形。在图1所示的示例中，垂荡板1301的上表面上可竖直安装多个减摇鳍片。但是，减摇鳍片不是必须的。例如，在图3所示的示例中，垂荡板可以不具有减摇鳍片。
在图1和图3所示的实施例中，阻尼盘130由开有扰流孔(例如，8％～12％的透空率)的环形垂荡板1301和减摇鳍片1302组成。垂荡板1301上可设置纵横加筋以增强结构的刚度，提高阻尼盘130的可靠性。
从稳定性上考虑，伸缩主梁140可固定到与减摇鳍片1301对应的位置上，使得通过减摇鳍片1301加强伸缩主梁140与垂荡板1302的连接刚度。但是，伸缩主梁140也可以直接安装在与减摇鳍片1301分开的位置，而直接安装在垂荡板1302上。此外，在示例性实施例中，减摇鳍片1301的数量被设置为与伸缩主梁的数量相同，但是，本发明不限于此，减摇鳍片的数量可以与伸缩主梁的数量不同，可以多于或少于三个。
对于采用根据本发明的可伸缩阻尼装置的海上风机漂浮式基础，可利用液压驱动、卷扬机或者滚珠丝杠或其他可以实现伸缩功能的装置完成伸缩主梁140的伸缩操作。整个伸缩系统为主动伸缩系统，漂浮式风机基础上贴有加速度位移传感器，实时监控漂浮式风机基础的位移和加速度响应情况，整机控制系统根据基础响应自动调节伸缩量，实现改变基础整体刚度与阻尼的作用，进而有针对性的降低基础响应。
虽然在本发明的示例性实施例中，可伸缩阻尼装置设置有3根伸缩主梁，但是，伸缩主梁的数量可以根据漂浮式基础的规模大小设置为多于3根。此外，在示例性实施例中，漂浮式风机基础的结构为通过桁架连接的三个浮筒，并与三根伸缩主梁连接。但是，本发明不限于此，浮筒的数量可以设置为多于3个。同时，采用本发明中的可伸缩阻尼装置的漂浮式基础也不限于示例中给出的示例性结构，本发明中的可伸缩阻尼装置可以应用于各种类型的漂浮式基础，例如，单立柱基础、半潜式基础、张力腿平台等。
对于单立柱基础，可以将可伸缩阻尼装置中的上部桁架用一个框架结构连接为一体，然后固定在单立柱基础外侧。对于多浮筒结构可以将可伸缩阻尼装置中的上部桁架用复合锚链线、钢丝绳或是其他刚度强度满足要求的连接材料进行连接。
风机漂浮式基础阻尼包含三种成分：第一种是风机上部平台的固有阻尼，取决于基础外形尺寸及吃水情况，阻尼值为恒定的；第二种是TMD150提供的阻尼成分，阻尼值为恒定；第三种为下端垂荡板提供的阻尼成分，阻尼值跟深度有关。当漂浮式基础位移、加速度较大时、通过控制系统驱动伸缩装置将垂荡板置于水深较深的位置，增加系统阻尼，进而减少漂浮式基础响应。
采用本发明的可伸缩阻尼装置的漂浮式基础可以具有如下优点：
(1)阻尼盘的较大面积的垂荡板，增加了漂浮式风机基础的垂荡、横/纵摇方向的附加质量、附加阻尼，极大的降低了漂浮式风机基础的垂荡、横/纵摇运动幅度。阻尼盘位于深水处，受波浪影响小，不会额外增加波浪激励，反而由于其所处位置较深，降低了整个基础的重心位置，增大了横/纵摇静水力回复刚度，增强了基础的稳性。垂荡板具有较大的垂荡附加质量系数Ca(Ca＞7)，增大了漂浮式风机基础的垂荡附加质量，使得基础垂荡周期Th(
M为整个浮动风机的总重量，Ca为垂向附加质量系数，K为垂向静水力刚度)保持在20s以上，从而避开了波浪能量集中的频率范围，避免共振，提高了海上漂浮式风机基础的耐波性；
(2)阻尼盘的减摇鳍片，增大了海上漂浮式风机基础的首摇运动的附加质量和附加阻尼，减小了由于风机运行过程中产生的绕垂直轴的扭矩引起的风机基础的首摇运动幅度，保证了风机偏航系统的可靠运行；
(3)阻尼盘与漂浮式风机基础之间通过调谐质量阻尼器(TMD)连接，通过水动力分析及动力学仿真分析，可以选取合理的刚度和阻尼系数，针对典型海况的波浪周期，使得漂浮式风机基础的垂荡运动幅度进一步减小可达20％；
(4)该漂浮式风机基础的阻尼盘通过伸缩主梁实现升降，可适用于在水深较浅的港口码头整机拼装，另一方面运输过程中也能避免横置运输，保证阻尼盘不被平台主体压坏，另外也方便拆卸移除。伸缩主梁可以通过多种连接方式与漂浮式风机基础连接，可以连接在风机基础的底部，也可以连接在风机基础的侧部；
(5)本发明中的阻尼盘结构，工艺简单，加工方便、易于实现，阻尼盘与基础主体之间的可伸缩连接也易于实现；
(6)安装了该可伸缩阻尼装置的海上漂浮式风机基础，比传统的半潜式风机基础的运动性能提高达40％～50％。
此外，可以通过具有气动力-水动力耦合功能的整机动力学软件计算海上浮式整机动力学响应，校核下部风机平台响应幅值，确保风力发电机在正常发电的位置范围内。再辅以模型水池试验，优化本发明方案。
尽管已经结合附图示出并描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员应该理解的是，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对示例性实施例进行多种变型。
Claims (17)
1.一种用于海上漂浮式风机基础的可伸缩阻尼装置，其特征在于，所述可伸缩阻尼装置包括阻尼盘以及连接在阻尼盘上侧的伸缩主梁，所述伸缩主梁内设置有调谐质量阻尼器结构。
2.如权利要求1所述的可伸缩阻尼装置，其特征在于，所述阻尼盘包括环形或圆形垂荡板。
3.如权利要求2所述的可伸缩阻尼装置，其特征在于，所述伸缩主梁包括两端开口的外筒以及插入外筒中的内筒，外筒下端连接阻尼盘，内筒上端连接到风机基础，调谐质量阻尼器结构设置在内筒的外壁和外筒的内壁之间。
4.如权利要求3所述的可伸缩阻尼装置，其特征在于，所述调谐质量阻尼器结构包括顺次连接的阻尼器、可移动滑块和弹簧，阻尼器上端连接到外筒的上端内壁上，弹簧的下端连接到外筒的下端内壁上，内筒上安装有可沿内筒径向伸缩的锁定销，当锁定销缩回内筒中时，外筒连同垂荡板可沿内筒的外壁上下滑动，当锁定销伸出时，锁定在可移动滑块的凹槽中。
5.如权利要求2所述的可伸缩阻尼装置，其特征在于，所述垂荡板上侧设置有减摇鳍，并且所述垂荡板上设置有扰流孔。
6.如权利要求2-5中任一项权利要求所述的可伸缩阻尼装置，其特征在于，所述垂荡板开设扰流孔的透空率为8％～12％。
7.如权利要求2-5中任一项权利要求所述的可伸缩阻尼装置，其特征在于，所述垂荡板上设置有加强筋。
8.如权利要求2-5中任一项权利要求所述的可伸缩阻尼装置，其特征在于，所述伸缩主梁的下端连接在减摇鳍片上。
9.如权利要求3-5中任一项权利要求所述的可伸缩阻尼装置，其特征在于，所述外筒上设置有牵引杆或牵引绳索。
10.一种包括权利要求1-9中任一项所述的可伸缩阻尼装置的海上漂浮式风机基础。
11.如权利要求10所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述伸缩主梁连接在海上漂浮式风机基础的底部或侧部。
12.如权利要求10所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述海上漂浮式风机基础包括多个浮筒以及连接在所述多个浮筒之间的桁架。
13.如权利要求12所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述浮筒的数量为三个，呈正三角形排列，伸缩主梁连接在浮筒的中心部或者连接在浮筒的外侧部。
14.如权利要求12所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述浮筒和伸缩主梁的数量均为三个，并对应连接。
15.如权利要求10或11所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述海上漂浮式风机基础为单立柱基础、半潜式基础或张力腿平台。
16.如权利要求10至14中任一项权利要求所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，所述漂浮式风机基础上还包括控制系统，并在漂浮式风机基础上贴有加速度位移传感器，加速度位移传感器实时监控漂浮式风机基础的位移和加速度响应情况，控制系统根据基础响应自动调节伸缩量。
17.如权利要求1-14中任一项权利要求所述的海上漂浮式风机基础，其特征在于，还包括液压驱动、卷扬机或者滚珠丝杠，用于驱动伸缩主梁实现伸缩功能。
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