CN103708004B - 减摇装置、浮动基础和海上风力发电机 - Google Patents

减摇装置、浮动基础和海上风力发电机 Download PDF

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Abstract

本公开公开了一种减摇装置、浮动基础和海上风力发电机,所述减摇装置包括:U形水舱,包括中空的第一立柱和第二立柱以及连接于这两个立柱的底部之间的底浮箱,所述第一立柱和第二立柱与底浮箱彼此连通,所述第一立柱和第二立柱的顶部通过空气连通管路连通。所述浮动基础至少具有第一立柱、第二立柱和第三立柱,所述浮动基础包括至少一个减摇装置。所述海上风力发电机包括:所述浮动基础;系泊缆,与浮动基础的外边缘连接,并被锚固至海底;塔架,塔架的底端安装在浮动基础上;叶片和风力发电机组,安装在塔架的顶端。通过采用根据本公开的减摇装置可利用双共振原理简单有效地实现浮动式风机的减摇。

Description

减摇装置、浮动基础和海上风力发电机
技术领域
[0001] 本公开设及一种海上风力发电机,更具体地讲,设及一种减摇装置W及具有该减 摇装置的浮动基础。
背景技术
[0002] 现阶段为了开发深海风电场的需要,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) 的浮动式风机及其它复合形式的浮动式风机。到 目前为 止,已有Ξ个浮动式风机项目建成,如图1所示,分别是Hywind、Blue Η和WindfloatDHywind 是由挪威国家海油海德罗公司(S化to i 1 Hy化ο )、法国德克尼普公司(Technip )和德国西口 子公司联合开发成功,于2009年在挪威附近的北海建成。Hywind采用的基础概念为SPAR,漂 浮结构是一个约为117m长的细长钢质管,一端是底座,另一端为风机法兰。安装Hywind的浮 动基础时,用压载水舱填满的钢管被运送至安装地点并立于海面,使浮体的整个结构与海 底通过Ξ点缆索系错相连。2007年,荷兰Blue Η公司在意大利沿海安装了一台两叶片风力 满轮原型机,使用了张力腿平台设计,平台的浮力大于重力,张力腿始终处于张紧状态,W 保持平台的稳定。2011年底,Principle化wer、Vestas与抓Ρ合作,在葡萄牙西海岸合作完 成Windfloat项目,该浮动基础为半潜式概念,主体由Ξ个浮筒组成,风机立于其中一个浮 筒上,动态压载水可W自动抵消风倾力矩,底部通过四根悬链线系固在水深超过50m的海 底。
[0003] Hywind项目中采用的SPAR平台由于是传统的单柱式平台,不同于化uss-spar,流 体的附加阻尼较小,在风机载荷Mx、My、MZ的作用下,整个平台的摇动会很大,风机极限工况 下甚至会达到40° W上,运是风机设计所不允许的。如果采用SPAR平台型式,需要附加阻尼 器或调整缆索系固方式,运会给设计大大增加了难度,工程造价也会增加。
[0004] Blue Η项目采用的是传统张力腿平台,采用多根张紧的张力腿,运种定位方式较 大的张力腿预张力使平台平面外的运动(横摇、纵摇和垂荡)较小,近似于刚性。但是张力腿 在平面内的运动(横荡、纵荡和首摇)幅度较大,为了抑制平面内运动同样需要在运些方向 上设置阻尼器,运也会增加设计建造难度。
[0005] Vestas与Windfloat合作项目采用半潜式结构,主体由Ξ个相距35m的浮筒组成, 风机安装在其中一个浮筒上,压载水自动调整W抵御风倾力矩,定位系统采用系泊定位,在 每个浮筒底部的设置阻尼板来增大垂荡运动的阻尼,能有效的降低垂荡运动幅度。该半潜 式浮动风机安装在其中一个浮筒上,作用在基础上的重力载荷不对称,需要调整Ξ个浮筒 中的压载W抵消运部分载荷,而且在实际风机运行过程中,风向会发生变化,整个风机受到 的风倾力矩方向会发生改变,需要动态调整压载水的数量,运样对风机控制策略和压载累 的可靠性要求较高,设计难度大成本高。
[0006] 应用于海上风电领域的浮动式风机基础,承受的载荷不同于传统的海油工程中的 移动式平台,浮动式海上风机基础除了承受风浪流的联合作用外,还要承受风机运一高耸 结构运行所引起的巧螺回转效应,倾覆力矩Mx,MyW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Χ、Υ和Z轴的轴向平动和绕轴的转动,即横荡、纵荡、垂荡和横 摇、纵摇、首摇,运些运动给风机的变奖和偏航控制系统带来巨大挑战,会影响到风机的正 常运行,横/纵摇运动的影响尤其严重,将削减到达叶轮的来流风速,降低发电量,甚至会危 及整个系统结构的安全。
[0007] 由于浮动式风电发展时间尚短,可借鉴的工程经验较少,只能借鉴与浮动式海上 风电基础工程比较接近的船舶行业和海油工程中的移动式平台。目前,船舶行业中的减摇 装置主要有减摇罐、舰龙骨、减摇水舱、减摇舱等,其中减摇罐、舰龙骨和减摇舱都是利用船 舶航行时作用在运些结构上的流体升力保持船舶稳定,航速越高船舶越稳定,而减摇水舱 则是利用左右艇边舱压载水的压差抵消船舶的横摇倾覆力矩,保持船舶稳定。减摇水舱主 要分为被动式和主动式两类,其中被动式适用的频率范围窄,在许用频率范围外会产生增 摇的不利后果;主动控制式主要靠开/关阀口控制,但相位反应迟滞和控制复杂限制了其使 用;此外还有借助外力驱动减摇水舱中的液柱(比如西口子初期的研究成果),可做到较准 确减摇,但能耗很大,且控制复杂,不具工程实用价值。海油工程中的移动式平台的运动抑 制装置主要有阻尼板、减摇板,通过增加附加质量和附加阻尼,降低浮体的运动。
[0008] 由于浮动式风机基础与船舶和移动式平台的结构特点不同,所搭载的机械装置运 转产生的载荷差别较大,因此需要继续开发针对海上浮动式风机整机运动的减摇装置和配 套的浮动基础。
发明内容
[0009] 本公开的目的在于提供一种能够减小浮动基础的横/纵摇运动的减摇装置、浮动 基础和海上风力发电机。
[0010] 本公开的另一目的在于提供一种满足双共振原理的减摇装置、浮动基础和海上风 力发电机。
[0011] 本公开的另一目的在于提供一种主动可控的减摇装置、浮动基础和海上风力发电 机。
[0012] 本公开的另一目的在于提供一种结构简单、响应快速的减摇装置、浮动基础和海 上风力发电机。
[0013] 本公开的另一目的在于提供一种能够整体湿拖的海上风力发电机
[0014] 根据本公开的一方面,提供一种减摇装置,包括U形水舱,该U形水舱包括中空的第 一立柱和第二立柱W及连接于运两个立柱的底部之间的底浮箱,所述第一立柱和第二立柱 与底浮箱彼此连通,所述第一立柱和第二立柱的顶部通过空气连通管路连通。
[0015] 所述减摇装置还可包括安装在所述空气连通管路上的周期调节器,该周期调节器 包括:壳体,被分隔成不连通的第一腔室和第二腔室,第一腔室和第二腔室中容纳水并分别 与第一立柱的顶部和第二立柱的顶部空气连通;可动阀瓣,设置在壳体中并具有转轴,可动 阀瓣能够绕转轴枢转;摆动机构,与可动阀瓣联动并根据浮动基础的运动周期控制U形水舱 中水柱的运动周期,当可动阀瓣的位置改变时,第一腔室和第二腔室的容积互补地改变。
[0016] 所述摆动机构可包括:连杆,与可动阀瓣的转轴固定地连接;至少一个滑块,安装 在连杆上,滑块的位置能够被改变;控制器,控制滑块的位置变化。
[0017]连杆的中部可与可动阀瓣的转轴连接。
[001引滑块可安装在连杆下部。
[0019] 所述摆动机构还可包括刚度可变的弹黃,弹黃的一端与连杆的一个端部连接,弹 黃的另一端被固定。
[0020] 滑块可安装在连杆的上部,弹黃可与连杆的下端连接。
[0021] 滑块可安装在连杆下部,弹黃可与连杆的下端连接。
[0022] 通过改变弹黃的所述另一端的固定位置可改变弹黃的刚度。
[0023] 所述立柱可具有圆形、圆角矩形、圆角方形或楠圆形横截面。
[0024] 所述周期调节器可包括两组摆动机构,分别设置在可动阀瓣的转轴的两端。
[0025] 所述减摇装置还可包括传感器,传感器感测浮动基础的运动周期并将感测到的信 号传输给所述控制器,控制器根据从传感器接收到的信号控制摆动机构的摆动周期。
[0026] 所述周期调节器还可包括驱动滑块运动的驱动装置,控制器可根据从传感器接收 到的信号控制驱动装置改变滑块的位置和/或改变弹黃的刚度。
[0027] 所述驱动装置可包括液压马达或电动马达,所述驱动装置可通过传动机构改变滑 块在连杆上的位置。
[0028] 所述传动机构可W是齿轮传动机构、皮带传动机构、连杆传动机构或链条传动机 构。
[0029] 所述弹黃可包括位于连杆两侧的第一弹黃和第二弹黃。
[0030] 所述第一立柱和第二立柱均可通过刚性的水平撑杆与周期调节器连接,W形成空 气连通管路。
[0031 ]所述水平撑杆可通过软管或弯管与周期调节器连接。
[0032] 所述软管或弯管可与周期调节器的顶端连接。
[0033] 所述周期调节器还可包括包围壳体和摆动机构的外壳。
[0034] 所述周期调节器还可包括包围壳体和摆动机构的外壳,弹黃的所述另一端可被固 定至所述外壳。
[0035] 所述弹黃可W为拉压弹黃、扭转弹黃或液压弹黃。
[0036] 在所述水平撑杆上可设置有护栏。
[0037] 所述周期调节器还可包括设置在壳体中的固定隔板,固定隔板设置在壳体中的上 部,可动阀瓣设置在壳体中的下部,转轴设置在固定隔板的下端。
[0038] 所述壳体可具有彼此相对并平行的的一对平面侧壁,转轴垂直于所述一对平面侧 壁安装,其中,每个侧壁的下部分按照圆弧形状形成,转轴的中屯、位于圆弧形状的圆屯、,使 得可动阀瓣能够沿着所述圆弧形状滑动。
[0039] 第一腔室可靠近第二立柱,第二腔室可靠近第一立柱。
[0040] 根据本公开的一方面,提供一种浮动基础,所述浮动基础至少具有第一立柱、第二 立柱和第Ξ立柱W及如上所述的至少一个减摇装置。
[0041] 所述浮动基础还可包括第四立柱。
[0042] 所述减摇装置的数量可W为两个,其中,两个减摇装置的底浮箱彼此垂直交叉布 置。
[0043] 两个减摇装置的底浮箱可互相接触的部位卡合连接,W使两个减摇装置的立柱的 顶端处于同一水平面。
[0044] -个减摇装置的底浮箱的底表面和另一个减摇装置的底浮箱的顶表面上均可形 成有凹槽。
[0045] 所述浮动基础还可包括设置在浮动基础的中央的中间支撑立柱,中间支撑立柱的 顶部支撑海上风力发电机的塔架、叶片和风力发电机组,中间支撑立柱的内部形成容纳空 间。
[0046] 减摇装置的周期调节器可布置在容纳空间中。
[0047] 至少两个减摇装置的周期调节器可依次竖直地布置在容纳空间中。
[0048] 所述减摇装置的底浮箱之间可彼此不连通。
[0049] 根据本公开的另一方面,提供了一种海上风力发电机,包括:如上所述的浮动基 础;系泊缆,与浮动基础的外边缘连接,并被错固至海底;塔架,塔架的底端安装在浮动基础 上;叶片和风力发电机组,安装在塔架的顶端。
[0050] 本公开由于采用W上技术方案,具有如下优点:
[0051] 根据本公开的减摇装置结构形式简单,并且能够与浮动基础一体形成,方便制造。
[0052] 此外,根据本公开的减摇装置还可通过包括一个U形减摇水舱和一个周期调节器, 克服了常规被动减摇水舱由于要适应各种不同频率成分,而设置多个结构复杂的减摇水舱 的问题。由于根据本公开的减摇装置适用于各种波浪条件,显著的降低了整个浮动风机系 统的横/纵摇运动幅度,减小了来风流与叶轮的夹角,增加了风机在额定风速W下的发电 量。
[0053] 根据本公开的浮动基础由于采用了十字形布置的U形减摇装置,可有效的降低横 摇、纵摇运动幅度和加速度达30%~60%,可满足浮动式风机整机拖航时的耐波性要求,W及 整个生命周期内正常运行发电时对运动幅度的要求。本公开浮动基础作为一种开发深海风 电场的重要海工装备,能够支撑5MWW上大容量风电机组的安全运行。
[0054] 根据本公开的具有减摇装置的浮动基础,由于运动性能佳,适应更恶劣海况和气 象条件,甚至在台风边沿,可保证风机正常发电而不会因为机舱运动超限而报警停机,从而 提高了发电量。而且,根据本公开的浮动基础由于装配了减摇装置,大大提高了其运动性 能,可适当缩小基础的主尺度和用钢量;同时由于减小了运动加速度,降低了载荷水平,可 适当减小塔架和机组机械部件尺度而节省结构用钢量,从而提高了整机的经济性。
[0055] 根据本公开的浮动式基础尽量避免了传统的导管架节点的使用,减小了疲劳损 伤,保证了整个结构的疲劳寿命;
[0056] 根据本公开的海上风力发电机具有明显的安装施工优势:在岸边港口码头整机拼 装时,通过调整四个立柱及底浮箱中的压载水,使基础的吃水满足整个浮动结构的拼装要 求,运时吃水较浅(不超过8米),拼装完毕后调整压载水到一定吃水,整机湿拖至安装地点 就位,可打开连通底浮箱内部的阀口,灌入压载水直到设计吃水,整个操作简单方便,成本 较低。
附图说明
[0057] 通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述,本公开的上述和其它目的和 特点将会变得更加清楚,其中:
[0058] 图1是示出根据本公开的实施例的海上风力发电机的立体图;
[0059] 图2是示出图1中所示的海上风力发电机的浮动基础的立体图;
[0060] 图3是示出图2中所示的第一减摇装置的立体图;
[0061 ]图4和图5是示出图2中所示的第一减摇装置的周期调节器的立体图;
[0062] 图6是用于解释第一减摇装置内水和空气的流动方向的原理图;
[0063] 图7A至图7D是示出浮动基础与第一减摇装置的舱内水发生共振时的相位循环图;
[0064] 图8是示出图2中所示的第二减摇装置的立体图。
具体实施方式
[0065] W下,参照附图来详细说明本公开的实施例。
[0066] 图1是示出根据本公开的实施例的海上风力发电机的立体图。如图1所示,海上风 力发电机主要包括:浮动基础4;多条系泊缆5,一端与浮动基础4连接,另一端被错固在海 底;塔架3,安装在浮动基础4上并由浮动基础4支撑;风力发电机组2和叶片1,安装在塔架3 的顶端。塔架3的底端可通过塔架支撑装置被连接在浮动基础4上,在本公开中,塔架支撑装 置为设置在浮动基础4的中央的支撑立柱18(将在下面进行详细描述)。
[0067] 图2是示出图1中所示的海上风力发电机的浮动基础的立体图。总体地说,根据本 公开的实施例的浮动基础4具有按照十字形布置的两套主动可控式减摇阻尼装置41和42W 及设置在浮动基础4的中央(或者说,两套可控式减摇阻尼装置41和42的交叉处)的中间支 撑立柱18运样的结构,每套减摇装置主要包括由一对方形立柱和底部连接浮箱组成的U形 减摇水舱、连接于一对方形立柱的顶部之间并用作空气连通管路的水平撑杆1〇、11(或12、 13)W及安装在空气连通管路上的周期调节器16(或17),其中,周期调节器被布置在支撑立 柱18内。所述周期调节器主要靠改变连杆上的滑块位置和/或连接弹黃的刚度来调节整个 系统运动周期,从而实现U形水舱中的水柱振荡周期主动可控,并覆盖各种复杂海况的波浪 频率范围,W满足双共振原理,最终减小整个浮动基础4的横/纵摇运动。连接一对方形立柱 和周期调节器16或17的水平撑杆10、11(或12、13),不仅可W作为承力构件,而且可W作为 减摇装置的空气联通管道,二者功能合而为一,提高了结构的利用率,因此,水平撑杆10-13 可与支撑立柱18固定地连接。
[0068] 如图1和图2所示,浮动基础4包括十字形底浮箱W及分别设置在底浮箱的伸出端 上的中空的立柱6、7、8和9。支撑立柱18为圆柱形,设置在十字形底浮箱的中央部分,从而立 柱6、7、8和9围绕支撑立柱18对称地布置。立柱6、7、8和9均具有圆角矩形截面。支撑立柱18 用作塔架支撑底座,W在其顶部支撑塔架3、叶片1和风力发电机组2。支撑立柱18可具有圆 形的横截面,其除了支撑塔架和风机W外,还可W在其内部形成容纳空间,W在其中放置电 气柜等,从而增大了辅助设备的布置空间。
[0069] 底浮箱14和15的一个重要作用是位于水面W下的深处,大大减小了波浪作用力。 优选地,该底浮箱为矩形截面。底浮箱有效地增加了整个浮动基础的垂荡、横摇、纵摇和首 摇的附加阻尼和附加质量,进一步降低了横纵摇运动幅度,从而达到降低整个浮动式风机 运动幅度的目的,减小了来风流速的损失W保证提高发电量;并且减小了首摇运动幅度,保 证风机对风而提高了发电量。
[0070] 在本公开的实施例中,十字形底浮箱包括彼此不连通的第一底浮箱14和第二底浮 箱15,第一底浮箱14和第二底浮箱15彼此交叉地布置。具体地讲,立柱8和9分别竖直地设置 在第一底浮箱15的两端,并与第一底浮箱15流体地连通,由此第一底浮箱15与立柱8和9形 成U形水舱,而立柱6和7分别竖直地设置在第二底浮箱14的两端,并与第二底浮箱14流体地 连通,由此第二底浮箱14与立柱6和7形成U形水舱。每个U形水舱的两个立柱的顶部通过空 气连通管路连通,从而形成浮动基础的减摇装置。
[0071] 第一底浮箱15和第二底浮箱14具有长条形状,并具有矩形截面。然而,本公开不限 于此,第一底浮箱15和第二底浮箱14可具有圆形、矩形、方形、圆角矩形、圆角方形或楠圆形 横截面,类似地,所述立柱8和9也可具有圆形、圆角矩形、圆角方形或楠圆形横截面。立柱或 底浮箱具有圆滑的横截面形状能够缓和海水对浮动基础4的冲击,延长浮动基础4的使用寿 命。
[0072] 方形立柱和底浮箱中的水不仅可W作为减摇装置耗散能量的介质,而且作为压载 之用,使浮动基础维持设计吃水,降低重屯、,提高基础的稳性和耐波性
[0073] 立柱8和9也可被称为第一立柱8和第二立柱9,而立柱6和7也可被称为第Ξ立柱6 和第四立柱7。在本公开的实施例中,立柱的数量为4个,然而,本公开不限于此,立柱也可W 为3个、5个、6个或更多个。优选地,立柱的数目为4个或多于4个的偶数个,运样一对立柱可 与一个底浮箱形成一个U形水舱。
[0074] 构成每个U形水舱的一对立柱的顶端分别与周期调节器连接W形成一套主控可调 的减摇装置。换句话说,周期调节器被安装在减摇装置的U形水舱的空气连通管路上。具体 地,如图2所示,与第一底浮箱15连通的第一立柱8和第二立柱9的顶端分别与第一周期调节 器16连接,W构成浮动基础4的第一减摇装置41。类似地,与第二底浮箱14连通的第Ξ立柱6 和第四立柱7的顶端分别与第二周期调节器17连接,W构成浮动基础4的第二减摇装置42。 对于具有=个立柱的浮动基础而言,可设置一个减摇装置,对于5个或更多个立柱的浮动基 础而言,可设置两个或更多个减摇装置,其中,底浮箱的形状可根据减摇装置的数量进行适 当改变,W在浮动基础上合理地布置各个减摇装置。
[0075] 下面将W第一减摇装置41的第一周期调节器16为例描述减摇装置的周期调节器。
[0076] 图3是示出图2中所示的第一减摇装置的立体图;图4和图5是示出图2中所示的第 一减摇装置的周期调节器的立体图。
[0077] 如图3至图5所示,周期调节器16包括:壳体25,形成内部空间;固定隔板23,设置在 壳体25的内上部;可动阀瓣22,设置在壳体25的内下部,并通过转轴24与固定隔板23的下边 缘连接,由此将壳体25的内部空间分隔为两个气密的腔室,即,第一腔室和第二腔室,每个 腔室的下部容纳水,而上部容纳空气;连杆20,分别设置在壳体25的相对两侧,并与转轴24 的两端连接;滑块19,安装在连杆20的上部,并能够在外部驱动装置(未示出)的作用下运 动,从而改变滑块19在连杆20上的位置;弹黃21,包括第一弹黃和第二弹黃,每个弹黃的一 端与连杆20的下端连接,由此作为弹黃的活动端,而弹黃的另一端被固定,作为弹黃的固定 端。连杆20、滑块19和弹黃21也可被称为周期调节器16的摆动机构,用于对可动阀瓣22的运 动进行约束,从而实现主动可控地调节U形水舱中的水柱的振荡周期。在运里,弹黃21的刚 度应当是可变的,运将在说明减摇装置的原理时进行更详细的阐述。
[0078] 为了对周期调节器进行保护,还可设置外壳(未示出)将壳体、连杆、滑块和弹黃包 围起来,W免周期调节器的部件受到损害或干扰。在运种情况下,弹黃21的固定端可被固定 至外壳。根据需要,弹黃21是刚度可变的弹黃,例如液压弹黃;或者,可改变弹黃21的固定端 与外壳的连接位置而实现弹黃的刚度可变的等同效果。如图4所示,弹黃21是水平拉压弹 黃,然而,本公开不限于此,弹黃21还可W是扭转弹黃等。
[0079] 下面W沿横向布置的第一减摇装置41为例,说明该减摇装置在一个运动周期内的 工作原理,同样,沿纵向布置的第二减摇装置42工作原理与此类似。
[0080] 如图7A至7D所示,给出了浮动基础4与舱内水发生共振时的相位循环图。
[0081] 在如图7A中所示的相位,浮动基础4向右侧横摇到最大角度,由于惯性作用,运时U 形水舱中的水还未移动,但开始W最大的速度从左侧的第一立柱8流向右侧的第二立柱9。 此时,横摇角速度为零,两侧立柱内的水位对水舱而言高度相同,而浮动基础4由于横摇复 原力矩的作用开始向左侧扶正。
[0082 ]浮动基础4继续向左侧扶正,至Ij达如图7 B中所示的相位时,浮动基础4 W最大横摇 角速度从右侧摇向左侧,此时,U形水舱中绝大部分的水已流至右侧第二立柱9,并且右侧第 二立柱9内达到最高水位,于是U形水舱产生了 一个最大的减摇力矩Mmax,来抵消浮动基础4 向左侧的横摇运动。
[0083] 在如图7B和7C所示的相位之间,浮动基础4继续向左侧横摇,而右侧第二立柱9内 的水开始向左侧第一立柱8流动。
[0084] 到达如图7C所示的相位时,水舱中的水W最大速度从右侧第二立柱9流向左侧第 一立柱8,运时浮动基础达到左侧最大横摇角,并开始向右侧扶正。而两侧立柱内水位基本 相等,对浮动基础4不产生横摇力矩作用。基础继续向右侧扶正,到达如图7D所示的相位时, 左侧第一立柱8内的水位达到最高,于是又W最大的减摇力矩Mmax抵消基础向右侧的横摇运 动。当基础再向右横摇时,水舱内的水又一次向右侧第二立柱9流动,达到如图7A所示的相 位,并重复上述循环。
[0085] 由上述分析可知,U形水舱的作用就是周期性的将水聚集于一侧立柱,即舱内水的 重屯、沿横轴往复振荡,通过水的重力作用,产生一个施加于浮动基础上的稳性力矩,该力矩 与基础横摇角速度方向刚好相反。运意味着基础横摇和U形水舱内水连续振荡,U形水舱产 生的与基础横摇角速度相反的力矩实际上是增加了基础横摇阻尼,耗散了能量,从而大大 减小了基础横摇运动幅值。
[0086] W上是假设水舱中水柱的固有振荡周期满足双共振原理时的减摇装置的理想工 作模型,即水舱中水柱运动周期=浮动基础横摇周期=波浪周期。因此,对于海浪的周期能够 较长时间地保持稳定的某些海域而言,海上风力发电机的浮动基础的如果采用根据本公开 的减摇装置也可W不安装周期调节器,而只需将U形水舱中的水柱的运动周期设计为大致 等于浮动基础的横摇周期,并且使U形水舱中的水柱的运动周期在该海域的波浪的能量比 较集中的波浪周期附近,其同样能够取得比较好的应用效果。
[0087] 但是在大多数情况下,浮动式风机在整个生命周期要经历多重复杂的海况和工况 条件,各种不同频率成分的波浪并存,浮动基础的运动规律变得很复杂,要想持续地发挥该 减摇装置的效果,需要调整水舱中水柱的振荡周期。为此该发明专口设计了周期调节器,其 原理类似于钟摆,通过调整摆动机构的连杆的质量分布和/或连接弹黃的刚度,改变其摆动 周期,从而改变与水舱相通的空气柱的运动周期,空气柱推动液柱或者说水柱振荡,从而最 终改变液柱的振荡周期。通过调整调节器的控制参数,可实现振荡周期的"无级变速",总保 持与浮动基础运动周期和波浪周期一致,维持双共振,跟踪基础运动的相位,最大程度地发 挥减摇作用。
[0088] 下面将对周期调节器16的结构和工作原理进行更详细和全面的描述。
[0089] 图3是示出图2中所示的第一减摇装置41的立体图;图4和图5是示出图2中所示的 第一减摇装置的周期调节器的立体图;图6是用于解释第一减摇装置内水和空气的流动方 向的原理图;图7A至图7D是示出浮动基础与第一减摇装置的舱内水发生共振时的相位循环 图。如图3-6所示,下面将周期调节器的相关结构和工作原理进行更详细的描述。
[0090] 如图4所示,壳体25包括彼此相对的一对侧壁、顶壁和连接于一对侧壁之间的周侧 壁形成,由此限定壳体25的内部空间。上下布置的固定隔板23和可动阀瓣22位于壳体25的 中央,并将壳体25的内部空间分为彼此气密的第一腔室和第二腔室,其中,第二腔室靠近第 一立柱8,而第一腔室靠近第二立柱9。实际上,如参照图第一腔室靠近第一立柱8,而第二腔 室靠近第二立柱9也是可W的,只要第一腔室和第二腔室的容积能够互补性地改变都能够 较好地实现空气连通管路对U形水舱中的水柱的振荡周期的控制作用。第一腔室通过在壳 体25的顶表面上形成的一个孔与第一水平撑杆10连通,第二腔室通过在壳体25的顶表面上 形成的另一个孔与第二水平撑杆11连通。运里,两个孔可形成于壳体25的顶表面上,也可形 成在周侧壁的上端部,同样能够形成腔室与立柱之间的空气连通。在前一种情况下,可通过 弯头或软管将水平撑杆10和11分别与第一腔室和第二腔室连接。水平撑杆10和11的作用不 仅是形成减摇装置41的空气连通管路,而且提供支撑力保证浮动基础4的结构强度。此外, 还可W在水平撑杆上设置护栏,便于现场运维人员通过并登爬风机进行维护。
[0091] 壳体25的一对侧壁是平板状的并彼此平行,转轴24垂直于一对侧壁安装。每个侧 壁的下部分按照圆弧形状形成,转轴24的中屯、位于圆弧形状的圆屯、,使得可动阀瓣22能够 沿着所述圆弧形状滑动。阀瓣22与外壳25间无缝隙接触,将两侧的气密室(即,第一腔室和 第二腔室)中的水隔开。在运里,每个侧壁的下部分是半圆形,上部是矩形。当可动阀瓣22绕 着转轴24转动时,可使第一腔室和第二腔室的容积互补地改变。优选地,可动阀瓣22和转轴 24-体地形成。虽然未示出,但是壳体25的形状也不局限于上方下圆的运种形状,例如,壳 体25可按照半圆形状形成,而去掉上部的方形部分,在运种情况下,转轴24被安装在壳体25 的顶壁上,而无需设置固定隔板23。
[0092] 另外,虽然在本实施例中,两套摆动机构分别设置在转轴24的端部,但是也可W仅 设置一套摆动机构。通过设置两套摆动机构能够避免在转轴24上产生扭矩,提高转轴24的 使用寿命。
[0093] 下面将结合图6详细描述周期调节器在本公开中的工作原理。
[0094] 如图6所示,当左侧的第一立柱8中水柱上升时,推动顶部空气沿左侧空气管路(主 要指第一水平撑杆10)进入周期调节器16的右侧气密室(即,第一腔室),该气密室内空气压 缩推动底部水往左流动,同时推动可动阀瓣21往左侧摆动角度Θ,同时带动连杆20往右侧摆 动角度Θ,弹黃21中的左侧一根被压缩,右侧一根被拉伸。与此同时,周期调节器16中左侧气 密室(即,第二腔室)中的空气被压缩,然后通过右侧空气管路(主要指第二水平撑杆11)进 入右侧的第二立柱9,该立柱中水柱下降,然后再往复循环,在运个振荡循环过程中,立柱中 水柱的横向振荡周期与连杆20的摆动周期相同。当风机在实际海况中运行时,根据风机上 安装的传感器,探知浮动基础4的横摇周期并将相关的信号提供给控制器(未示出),然后通 过驱动装置(未示出)改变连杆20上的滑块19的位置和/或弹黃21的刚度,改变其摆动周期, 从而调整U形水舱中水柱的振荡周期与横摇周期和遭遇的波浪周期相同,达到双共振,从而 根据图7A至7B的减摇装置的工作原理,可达到降低横摇幅度的目的。在周期调节器调整时, 滑块19的位置越远离转轴24,周期越大,反之越小;弹黃21的刚度越大,提供的回复力越大, 周期越小,通过内部计算程序求解减摇装置系统内的运动方程,并根据相应参数的敏感性 进行合理调整,W得到所要达到的周期值。整个系统的运动方程可表示为:
[0095]
Figure CN103708004BD00131
[0096] 其中,mm为底浮箱15和两个立柱8和9中水柱质量,mr为周期调节器16中水柱质量, Xh为U形水舱中水柱行程,Xr为周期调节器16中水柱质量,Cm为U形水舱中水阻尼和空气阻尼 的合成阻尼,为周期调节器16中水阻尼和空气阻尼的合成阻尼,km为U形水舱中水柱动刚 度和空气动刚度的合成动刚度,kr为周期调节器16中水柱动刚度和空气动刚度的合成动刚 度,R为浮动基础4的横摇半径,α为横摇角度。W上刚度、阻尼值可通过cnn十算得到,求解W 上运动方程可W得到在不同浮动基础横摇角度下,整个减摇装置中水柱的运动和周期调节 器的运动,通过改变W上周期调节器16相关参数,可达到降低横摇角度的目的。
[0097] 在本公开中的周期调节器16主要通过调节连杆20上的滑块19的位置和弹黃21的 刚度,改变其摆动机构的摆动周期,从而改变U形水舱中液柱的振荡周期,保持双共振,其结 构简单可靠。通过有效地调节水舱中液柱的振荡周期,壳保证双共振,覆盖了广阔的波浪范 围,提高了该减摇装置的普适性。如此通过增加有限的成本,大大提高了浮动基础的运动性 能,而且克服了常规的主动控制时响应慢或成本高的问题。
[0098] 根据上面的运动方程,滑块19和弹黃21的安装位置和布置方式还可进行各种变 化。此外,根据上面的描述可W看出,在滑块19的位置可变的情况下,可W仅通过改变滑块 19的位置调节U形水舱中的水柱的振荡周期,因此用作减摇装置41的阻尼器的弹黃21也可 W被省略。滑块19不仅可被安装在连杆20的上部,也可W被安装在连杆20的下部,W形成类 似钟摆的摆动机构。不仅如此,弹黃21的安装位置和安装形式也不限于此,例如,可仅安装 一个弹黃21,或者将弹黃21安装在连杆20的上端。弹黃21和滑块19可W被安装在连杆的同 一端,只要它们的运动不互相干设即可。而且,滑块19的数量也不限于一个,例如,可设置两 个或更多个滑块。在调节U形水舱中的水柱的振荡周期的过程中,可改变其中的一个或更多 个滑块的位置W达到调节的目的。
[0099] 用于驱动滑块19的驱动装置可W是液压马达或电动马达,该驱动装置通过传动机 构改变滑块在连杆上的位置。优选地,传动机构可W是齿轮传动机构、皮带传动机构、连杆 传动机构或链条传动机构等任何合适的传动机构。在运里,连杆传动机构除了指一般意义 上的传动机构W外,也包含W液压缸、气缸等作为运动执行部件的传动机构。驱动装置与控 制器连接,W根据从传感器接收的信号来改变滑块的位置。另外,控制器还可控制弹黃21的 刚度的变化。通过运样的调节,可实现主动可控地对浮动基础和/或浮动风机进行减摇。
[0100] 下面将参照图8继续描述浮动基础4的第二减摇装置42。
[0101] 与第一减摇装置41不同的是,第二减摇装置42的周期调节器17相对于立柱6和7的 安装高度降低,为此,第Ξ水平撑杆12和第四水平撑杆13与周期调节器17的连接采用了更 多的软管或弯头,运样第二减摇装置42的周期调节器17和第一减摇装置41的周期调节器16 可上下布置,W有效利用支撑立柱18的内部空间。
[0102] 另外,第二底浮箱14的顶表面上形成有凹槽,W与第一底浮箱15的底表面上的凹 槽进行卡合,运样浮动基础4的4个立柱可处于同一高度。
[0103] 此外在根据本公开的实施例的浮动基础4中,四个方形立柱6、7、8和9和底浮箱14 和15的内部需要进行合理加强W承受静水压力和波浪压力载荷,其结构尺寸可在满足浮 性、稳性和强度要求,并避开波浪能量集中频段、塔架一阶频率、风机1P和3P频率范围W及 系泊缆(或张力腿)满激振动的前提下,可W通过水动力软件或模型试验优化基础水动力性 能,得到最优尺寸。方形立柱6-7、8-9的作用不仅提供浮力来支撑风机、其内部空间用作减 摇水舱而作为整个减摇装置的一部分,此外还可W提供较大的附加质量和附加阻尼,辅助 降低横摇和纵摇运动。
[0104] 上述实施例中,对于每个减摇装置和整个浮动基础而言,除活动部件外所有部件 均通过焊接连在一起,水平撑杆10-13、周期调节器16和17和方形立柱6-9间之间的连接应 保证气密性,周期调节器的相应部件的设计应根据整个减摇装置系统考虑水柱、气柱W及 气密室内空气压缩性通过CFD数值W及实验方法进行求解,W合理的优化连杆20长度、滑块 19质量和弹黃21刚度W及空气连通管路,即水平撑杆10和11的长度和截面积。在上面的实 施例中,虽然描述了不同的减摇装置的底浮箱是不连通的,然而,本公开不限于此,在一个 浮动基础中,不同减摇装置的底浮箱之间彼此连通也是可行的。
[0105] 本公开的浮动基础系全钢制结构,针对不同容量的风力发电机组2,在建造时可W 选择靠近岸边的港口码头进行拼装,再整体湿拖至安装地点,然后通过系泊定位,本公开的 浮动基础装置没有日常维护要求。本公开的减摇装置,主要是周期调节器通过周期性的理 性检查可实现排除隐患,维修更换方便,且维修期间不妨碍风机运行。
[0106] 通过上面的描述清楚的是,根据本公开的装置还具有如下优点:
[0107] 1、本公开采用了周期可调的主动可控式减摇装置,覆盖浮动式风机作业海域的几 乎全部波浪频率范围,使浮动基础具有优异的横和/或纵摇运动性能,增加了风机的发电时 间,提高了发电量,创造了更多的经济价值。
[0108] 2、根据本公开的减摇装置结构简单,与整个浮动基础自然的融为一体,周期调节 过程响应快且连续,实现成本低,检修维护方便。
[0109] 3、根据本公开的浮动基础与常规未装配减摇装置的基础相比,横/纵摇运动幅度 和加速度降低30~60%,总成本可降低20%~40%。
[0110] 4、根据本公开的浮动基础适用海域范围广、适用水文和气象条件宽,在50mW上海 域,应用于大型海上风机具有明显的竞争力。
[0111] 5、本公开采用的主动可控式减摇装置可有效降低浮动基础在多种工况下的运动 幅度,其中包括整机拖航工况,从而可实现整个浮动式风机湿拖安装,避免了使用昂贵的大 型海上运输船和安装船。因此,对于采用了根据本公开的主动可控式减摇装置的浮动式风 机,当需要大部件更换或遇台风来袭时,可W解缆,只需要一条普通拖船即可整体拖航回港 进行部件更换或避风,机动灵活性能好,节省了大型浮吊船和运输船的高昂费用,避免了台 风对机组造成的危害。
[0112] 6、在本公开中,立柱和底浮箱均为矩形或大致矩形截面,工艺简单,加工方便、易 于实现,可在船巧或船台上建造,不需要复杂的高空作业,并可在岸边码头通过陆上吊机完 成整个浮动式风机的拼装,然后整体拖航(湿拖)至安装地点,通过系泊定位。因此根据本公 开的装置具备结构形式简单、加工方便、成本较低、易于实现的特点。
[0113] 7、根据本公开的设备加工制造方便,可在一般船巧中或船台上建造,在岸边码头 实行整机拼装。在岸边拼装时,该底浮箱提供浮力支撑整个浮动风机,使基础的吃水较浅, 满足港口浅吃水的要求;在设计吃水下,该底浮箱中充满压载水,降低了整个基础重屯、,提 高了稳性和耐波性。因此,根据本公开的海上风力发电机在拼装过程中对港口水深要求不 高,可整体湿拖,省去了常规海上吊装需要的大型浮吊船,给海上风力发电机安装带来便 利,大大节省运输安装成本。
[0114] 本公开不限于上述实施例,在不脱离本公开范围的情况下,可W进行各种变形和 修改。

Claims (35)

1. 一种减摇装置,其特征在于,包括: U形水舱,包括中空的第一立柱和第二立柱以及连接于这两个立柱的底部之间的底浮 箱,所述第一立柱和第二立柱与底浮箱彼此连通,所述第一立柱和第二立柱的顶部通过空 气连通管路连通, 所述减摇装置还包括安装在空气连通管路上的周期调节器,该周期调节器包括: 壳体,被分隔成不连通的第一腔室和第二腔室,第一腔室和第二腔室中容纳水并分别 与第一立柱的顶部和第二立柱的顶部空气连通; 可动阀瓣,设置在壳体中并具有转轴,可动阀瓣能够绕转轴枢转;和 摆动机构,与可动阀瓣联动并根据浮动基础的运动周期控制U形水舱中水柱的运动周 期,当可动阀瓣的位置改变时,第一腔室和第二腔室的容积互补地改变。
2. 如权利要求1所述的减摇装置,其特征在于,所述摆动机构包括: 连杆,与可动阀瓣的转轴固定地连接; 至少一个滑块,安装在连杆上,滑块的位置能够被改变;和 控制器,控制滑块的位置变化。
3. 如权利要求2所述的减摇装置,其特征在于,连杆的中部与可动阀瓣的转轴连接。
4. 如权利要求2所述的减摇装置,其特征在于,滑块安装在连杆下部。
5. 如权利要求2所述的减摇装置,其特征在于,所述摆动机构还包括刚度可变的弹簧, 弹簧的一端与连杆的一个端部连接,弹簧的另一端被固定。
6. 如权利要求5所述的减摇装置,其特征在于,滑块安装在连杆的上部,弹簧与连杆的 下端连接。
7. 如权利要求5所述的减摇装置,其特征在于,滑块安装在连杆下部,弹簧与连杆的下 端连接。
8. 如权利要求5所述的减摇装置,其特征在于,通过改变弹簧的所述另一端的固定位置 来改变弹簧的刚度。
9. 如权利要求1所述的减摇装置,其特征在于,所述立柱具有圆形、圆角矩形、圆角方形 或椭圆形横截面。
10. 如权利要求1所述的减摇装置,其特征在于,所述周期调节器包括两组摆动机构,分 别设置在可动阀瓣的转轴的两端。
11. 如权利要求2所述的减摇装置,其特征在于,所述减摇装置还包括传感器,传感器感 测浮动基础的运动周期并将感测到的信号传输给所述控制器,所述控制器根据从所述传感 器接收到的信号控制摆动机构的摆动周期。
12. 如权利要求11所述的减摇装置,其特征在于,所述周期调节器还包括驱动滑块运动 的驱动装置,控制器根据从所述传感器接收到的信号控制驱动装置改变滑块的位置和/或 改变弹簧的刚度。
13. 如权利要求12所述的减摇装置,其特征在于,所述驱动装置包括液压马达或电动马 达,所述驱动装置通过传动机构改变滑块在连杆上的位置。
14. 如权利要求13所述的减摇装置,其特征在于,所述传动机构是齿轮传动机构、皮带 传动机构、连杆传动机构或链条传动机构。
15. 如权利要求5所述的减摇装置,其特征在于,所述弹簧包括位于连杆两侧的第一弹 簧和第二弹簧。
16. 如权利要求1所述的减摇装置,其特征在于,所述第一立柱和第二立柱均通过刚性 的水平撑杆与周期调节器连接,以形成所述空气连通管路。
17. 如权利要求16所述的减摇装置,其特征在于,所述水平撑杆通过软管或弯管与周期 调节器连接。
18. 如权利要求17所述的减摇装置,其特征在于,所述软管或弯管与周期调节器的顶端 连接。
19. 如权利要求2所述的减摇装置,其特征在于,所述周期调节器还包括包围壳体和摆 动机构的外壳。
20. 如权利要求5所述的减摇装置,其特征在于,所述周期调节器还包括包围壳体和摆 动机构的外壳,弹簧的所述另一端被固定至所述外壳。
21. 如权利要求5所述的减摇装置,其特征在于,所述弹簧为拉压弹簧、扭转弹簧或液压 弹簧。
22. 如权利要求16所述的减摇装置,其特征在于,在所述水平撑杆上设置有护栏。
23. 如权利要求1所述的减摇装置,其特征在于,所述周期调节器还包括设置在壳体中 的固定隔板,固定隔板设置在壳体中的上部,可动阀瓣设置在壳体中的下部,转轴设置在固 定隔板的下端。
24. 如权利要求23所述的减摇装置,其特征在于,所述壳体具有彼此相对并平行的的一 对平面侧壁,转轴垂直于所述一对平面侧壁安装,其中,每个侧壁的下部分按照圆弧形状形 成,转轴的中心位于圆弧形状的圆心,使得可动阀瓣能够沿着所述圆弧形状滑动。
25. 如权利要求1所述的减摇装置,其特征在于,第一腔室靠近第二立柱,第二腔室靠近 第一立柱。
26. -种浮动基础,所述浮动基础至少具有第一立柱、第二立柱和第三立柱,其特征在 于,所述浮动基础包括如权利要求1-25中的任一项所述的至少一个减摇装置。
27. 如权利要求26所述的浮动基础,其特征在于,所述浮动基础还包括第四立柱。
28. 如权利要求27所述的浮动基础,其特征在于,所述减摇装置的数量为两个,其中,两 个减摇装置的底浮箱彼此垂直交叉布置。
29. 如权利要求28所述的浮动基础,其特征在于,两个减摇装置的底浮箱互相接触的部 位卡合连接,以使两个减摇装置的立柱的顶端处于同一水平面。
30. 如权利要求29所述的浮动基础,其特征在于,一个减摇装置的底浮箱的底表面和另 一个减摇装置的底浮箱的顶表面上均形成有凹槽。
31. 如权利要求26所述的浮动基础,其特征在于,所述浮动基础还包括设置在浮动基础 的中央的中间支撑立柱,中间支撑立柱的顶部支撑海上风力发电机的塔架、叶片和风力发 电机组,中间支撑立柱的内部形成容纳空间。
32. 如权利要求31所述的浮动基础,其特征在于,减摇装置的周期调节器布置在容纳空 间中。
33. 如权利要求32所述的浮动基础,其特征在于,至少两个减摇装置的周期调节器依次 竖直地布置在容纳空间中。
34. 如权利要求26所述的浮动基础,其特征在于,所述减摇装置的底浮箱之间彼此不连 通。 35 · -种海上风力发电机,其特征在于,所述海上风力发电机包括: 如权利要求26至34中的任一项所述的浮动基础; 系泊缆,与浮动基础的外边缘连接,并被锚固至海底; 塔架,塔架的底端安装在浮动基础上; 叶片和风力发电机组,安装在塔架的顶端。
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