CN105756848A - 一种超大型浮体调谐透空减振发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超大型浮体调谐透空减振发电装置，竖直安装于浮体的迎浪端部和水下的尾部，包括第一透空减振板、第二透空减振板和液压传动约束系统，浮体与第一透空减振板之间通过第一液压传动约束系统竖向连接，第一透空减振板与第二透空减振板之间通过第二液压传动约束系统竖向连接，第一透空减振板与浮体之间以及第一透空减振板与第二透空减振板之间分别进行相对垂直运动，然后分别通过第一液压传动约束系统和第二液压传动约束系统来带动发电机发电。本发明利用减振板与来波的相互作用显著减小透射波高，降低超大型浮体的水弹性响应，还可通过减振装置的垂向运动进行波浪能发电，降低超大型浮体?减振发电装置集成结构体系的建造成本和难度。

Description

一种超大型浮体调谐透空减振发电装置
技术领域
本发明涉摄于海洋工程及船舶工程技术领域，具体涉及一种适用于超大型浮体减振发电装置。
背景技术
超大型海上浮式结构物Very Large Floating Structure(简称VLFS)是国际海洋工程界80年代后期提出的一种新型海洋结构物，目前借助VLFS利用海洋空间和开发海洋资源已成为海洋工程界的研究热点。VLFS一个显著的特点就是水平尺度远大于垂向尺度，垂向弯曲刚度比较小，结构在波浪作用下的弹性变形可能与刚体位移统一量级，甚至更高。公开发表的资料表明，VLFS的各种应用如石油储备基地、海上机场、浮桥和娱乐城等都以安全、舒适为重中之重，即使很小的波浪荷载也会引起结构的不稳定变形，并且长期的变形和周期性波浪荷载会慢慢降低结构的舒适性，带来一些疲劳问题。
基于此，国内外学者提出各种措施来减小水波引起的结构振动，以达到增加安全性、扩大适用性和提高舒适性等目的。在各种措施中，增加结构本身的弯曲刚度是减小水弹性响应最传统、直接措施。但是，提高刚度会增加施工和材料费用，且这一措施对于已存在并服役的VLFS很难实施。另一个普遍采用的措施是在VLFS外围修建固定式防波堤或浮式防波堤。然而，对于固定式防波堤，存在水下施工困难、建造费用高、不可移动性、破坏生态环境等不可回避的缺点，而浮式防波堤的深吃水要求导致整个结构体系的漂移位移大大增加，并且防波堤、锚链、VLFS和流体之间的相互耦合更加复杂，使得结构体系的动力特性必须仔细研究。
从OWC(Oscillating-Water-Column)浮式防波堤的消浪机理可以发现水下平板对于波能的消耗非常重要，即在一定波长范围内，平板通过对入射波浪产生破碎、分裂和漩涡，达到消散表面水波能量和减少透射波高的目的，因此一些学者提出了更简单、有效的VLFS水下减振设备包括垂直透空减振板和水平透空减振板。垂直透空减振板或方箱需要具有一定的吃水深度才能达到要求的减振效率，而设置的垂向尺度太大会导致透空减振板的弹性变形和所受漂移力增大等不利影响。
因此，水平水下透空减振板被越来越多的采用作为消能装置，但目前均选择水下不透空水平透空减振板，减振效果有限，且安装于VLFS迎浪端水下一定位置，与浮体刚性相连，对连接杆件的刚度和强度要求非常高。
此外，海洋中波浪能资源非常可观，如何利用波浪作用下透空减振板与VLFS的相对运动将波浪能转化为电能，支撑浮体结构和配套电力传输系统，提高可再生能源的利用效率，降低单位发电成本，需引起人们重视。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种超大型浮体调谐透空减振发电装置，本发明既能够显著减小透射波高，降低超大型浮体的水弹性响应，又能够通过减振装置的垂向运动进行波浪能发电，降低超大型浮体-减振发电装置集成结构体系的建造成本和难度。
技术方案：本发明所述的一种超大型浮体调谐透空减振发电装置，竖直安装于浮体的迎浪端部和水下的尾部，包括第一透空减振板、第二透空减振板和液压传动约束系统，所述浮体与第一透空减振板之间通过第一液压传动约束系统竖向连接，第一透空减振板与第二透空减振板之间通过第二液压传动约束系统竖向连接，第一透空减振板与浮体之间以及第一透空减振板与第二透空减振板之间分别进行相对垂直运动，然后分别通过第一液压传动约束系统和第二液压传动约束系统来带动发电机发电。
其中，第一透空减振板安置在接近自由水面的水下一定位置，以便于表面波浪更充分作用进而最大限度的降低透射波高和利用波浪能发电。第二透空减振板能够进一步提高第一透空减振板的减振效率，另外还能够在潮汐变化频繁时，通过调节第二透空减振板的位置来保持减振系统的工作效率。
进一步的，所述第二透空减振板位于第一透空减振板正下方且与第一透空减振板平行布置，为避免遮蔽效应，上下层透空减振板之间应保持一定距离，同时第一透空减振板和第二透空减振板的长度均等于浮体的宽度，第一透空减振板和第二透空减振板的宽度沿浮体端部对称相等；第一透空减振板和第二透空减振板均由透空减震板制成，且两个透空减振板上的孔隙大小一致，均匀分布，孔隙率相等，均沿各自纵向中心线倾斜相同角度(例如＜9°)，采用这样的结构设计，双层透空减振板可以最大程度地减小超大型浮体的水弹性响应。
进一步的，所述浮体与第一透空减振板之间的两侧各设有一个第一液压传动约束系统，第一透空减振板与第二透空减振板之间的两侧也各设有一个第二液压传动约束系统；第一液压传动约束系统和第二液压传动约束系统外周均裹覆有圆柱形密封壳(能够防止海洋环境对液压传动系统的腐蚀和波浪力破坏)，第一液压传动约束系统通过螺栓固定于浮体，第二液压传动约束系统分别通过滑轮接触装置连接于第一透空减振板和第二透空减振板。
进一步的，所述第一液压传动约束系统和第二液压传动约束系统均包括液压缸、控制电路和发电机，发电机连接于液压马达，液压马达分别连接于高压储能器和低压储能器，高压储能器和低压储能器分别由控制电路控制，控制电路上还连接有液压缸。
进一步的，所述滑轮接触装置包括滑轮、滑道和锁定杆，滑轮通过锁定杆连接于透空减振板上，滑轮的滑行轨道安装于对应的连接杆上。锁定滑轮-滑道接触约束，则减振板与连接杆固定连接，解锁滑轮-滑道接触约束，则减振板可通过滑轮在连接杆上的滑道上自由垂直滑行。
进一步的，所述第一液压传动约束系统中的液压缸通过第一连接杆和定位螺栓连接于浮体端部，第一液压传动约束系统底部的活塞末端通过第二连接杆依次连接于第一透空减振板和第二液压传动约束系统的液压缸，第二液压传动约束系统底部的活塞末端通过第三连接杆连接于第二透空减振板。
进一步的，所述第二连接杆和第三连接杆的底端均通过滑轮接触装置分别连接于第一透空减振板和第二透空减振板；第二连接杆和第三连接杆的顶端均分别插入相对应的缸体油腔中连接于活塞，并通过压紧盖密封，在缸体油腔内的活塞通过压缩缸体内部液压油从阻尼通道中流出，从而驱动液压马达进而带动发电机进行发电。基于能量等效方法进行等效线性化处理，可以得到液压传动系统的线性化阻尼系数C和弹簧系数K，在具体应用中可随液压油的性质及PTO系统的构造而变化，其力学模型一般表示为Fs(弹簧力)＝K(弹簧系数)*d(相对位移)，Fc(阻尼力)＝C(阻尼系数)*V(相对速度)。根据计算得到的K和C选择具体型号的PTO装置，即用于超大型浮体减振发电系统。
进一步的，所述液压缸的下端压紧盖上设有一个套筒式锁定装置，当解锁高压油从油孔经过导管槽到达锁定装置内部后，使锁定装置向外膨胀，此时锁定装置与连接杆之间为间隙配合，处于解锁状态，油缸正常工作；当高压油卸除后，导管槽两端的密封圈密封，锁定装置和连接杆之间的间隙配合转化为过盈配合，从而产生巨大的锁定力锁定活塞在液压缸内的任意位置，使活塞和液压缸之间不发生相对运动。
上述的套筒式锁定装置也可以采用其他现有锁定装置替换，例如钢球摩擦式锁定装置。
在极端工况下，调谐透空减振发电装置与超大型浮体之间可能会产生较大的相对运动，此时对液压传动约束系统的安全设计提出严峻挑战，为了避免减振发电系统在大幅波浪下的破坏，设置一种自存锁定-解除策略：考虑到PTO系统的最大抵抗力和最大变形追随能力，在液压传动系统下端安装套筒式锁定装置，锁定液压传动约束系统的液压缸体和连接杆件之间的连接，两者之间不发生相对运动作为整体研究；另一方面，解除透空减振板与连接杆件的滑道-滑轮接触约束，透空减振板可沿杆件上下自由垂向运动，即透空减振板与液压传动系统之间垂直方向无任何约束，使两个透空减振板可沿相应的杆件自由垂向运动。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明中的减振装置由尺寸相对较小的两层透空透空减振板组成，建造难度及成本大大降低；透空减振板安装和拆卸方便，当超大型浮体完成作业后，可随之在下一个海域应用；未阻断海水的流动，保护生态环境；
2、本发明中的双层透空减振板依靠自身的孔隙率进一步降低透射波高，从而减小超大型浮体在波浪作用下的弹性变形响应，提高超大型浮体的安全性和舒适性；另外，将透空减振板倾斜一定角度也可以使短波发生破摔现象如浪溅，降低透射波能；
3、当潮汐变化较大时，本发明中可通过调节第二透空减振板的位置来保持透空减振板在最优水下位置范围内，从而保证本发明系统的减振效率；
4、波浪作用下，利用上下两层透空减振板的相对运动动以及第一透空减振板与超大型浮体的相对运动将波浪能转为电能，配合浮体上部设备工作和人员生活需要，提高了减振系统的利用效率，降低了单位发电成本，顺应构件清洁、安全、可靠、可再生能源系统的重大战略需求；
5、本发明采用液压传动系统将不稳定波浪能转化为液压能存储在储能器中，此PTO系统更适用捕捉低速运动的波浪能；
6、设定极端工况下的自存策略：根据PTO系统的最大抵抗力和最大变形追随能力，在液压传动系统下端安装套筒式锁定装置，对液压缸和连接杆件实行强制锁定，另外，解除减振板与连接杆件之间的耦合动力约束，避免减振发电系统在大幅波浪下的破坏。
7、此调谐透空减振发电装置支持深水工作，适用于我国南海重要岛礁的海域条件。
综上所述，本发明安装和拆卸方便，可重复使用；消浪效果明显，且适用于潮汐变化频繁时的海况；将不稳定的波浪能转化为可利用的液压能进行发电，支持浮体结构和配套电力传输系统，提高可再生能源的利用效率；设定自存锁定-解除策略，避免该装置在极端工况下的破坏；支持深水工作，适用于我国南海重要岛礁的海域条件。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为图1中A点局部放大示意图；
图3为本发明的液压传动约束系统示意图；
图4为本发明中的滑道-滑轮接触装置示意图；
图5为图4中B点局部放大示意图；
图6为本发明的使用安装流程图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1至图5所示，本发明的一种超大型浮体4调谐透空减振发电装置，竖直安装于浮体4的迎浪端部和水下的尾部，包括第一透空减振板1、第二透空减振板2和液压传动约束系统，浮体4与第一透空减振板1之间通过第一液压传动约束系统6竖向连接，第一透空减振板1与第二透空减振板2之间通过第二液压传动约束系统5竖向连接，第一透空减振板1与浮体4之间以及第一透空减振板1与第二透空减振板2之间分别进行相对垂直运动，然后分别通过第一液压传动约束系统6和第二液压传动约束系统5来带动发电机16发电。
第一透空减振板1和第二透空减振板2均采用水平面积较大的矩形薄板结构，这样能够增加整个结构体系的附加质量和辐射阻尼，调整超大型浮体4的垂荡自振周期高于波浪周期范围，降低共振响应发生的概率，相比于光滑圆形薄板，矩形的四个角点进一步增加了板对波浪的分裂作用。并且本实施例中透空减振板孔隙大小一致，分布均匀、孔径远小于板水平尺寸，波浪与其相互作用时，小孔径能增加粘性消能效率。上下两层透空减振板的材料和结构特征均相同，长度等于超大型浮体4的型宽，宽度沿超大型浮体4端部横向线对称分布，且沿各自板的纵向中心线倾斜一定角度，提高短波破碎概率。
浮体4与第一透空减振板1之间的两侧各设有一个第一液压传动约束系统6，第一透空减振板1与第二透空减振板2之间的两侧也各设有一个第二液压传动约束系统5；第一液压传动约束系统6和第二液压传动约束系统5外周均裹覆有圆柱形密封壳18(能够防止海洋环境对液压传动系统的腐蚀和波浪力破坏)，第一液压传动约束系统6通过螺栓21固定于浮体4，第二液压传动约束系统5分别通过滑轮接触装置22连接于第一透空减振板1和第二透空减振板2。
第一液压传动约束系统6和第二液压传动约束系统5均包括液压缸9、控制电路10和发电机16，发电机16连接于液压马达15，液压马达15分别连接于高压储能器11和低压储能器19，高压储能器11和低压储能器19分别由控制电路10控制，控制电路10上还连接于液压缸9。
第一液压传动约束系统6中的液压缸9通过第一连接杆23和定位螺栓21连接于浮体4端部，第一液压传动约束系统6底部的活塞17末端通过第二连接杆20依次连接于第一透空减振板1和第二液压传动约束系统5的液压缸9，第二液压传动约束系统5底部的活塞17末端通过第三连接杆12连接于第二透空减振板2。
第二连接杆20和第三连接杆12的底端均通过滑轮接触装置22分别连接于第一透空减振板1和第二透空减振板2；第二连接杆20和第三连接杆12的顶端均分别插入相对应的缸体油腔13中连接于活塞17，并通过压紧盖14密封，在缸体油腔13内的活塞17通过压缩缸体内部液压油从阻尼通道中流出，从而驱动液压马达15进而带动发电机16进行发电。基于能量等效方法进行等效线性化处理，可以得到液压传动系统的线性话阻尼系数C和弹簧系数K，在具体应用中可随液压油的性质及PTO系统的构造而变化，其力学模型一般表示为Fs(弹簧力)＝K(弹簧系数)*d(相对位移)，Fc(阻尼力)＝C(阻尼系数)*V(相对速度)。根据计算得到的K和C选择具体型号的PTO装置，即用于超大型浮体4减振发电系统。
滑轮接触装置22包括锁定杆27、滑轮28和滑道29，滑轮装置28通过锁定杆27连接于第一透空减振板1或第二透空减振板2上，滑道29连接于第二连接杆20或第三连接杆12上，滑轮接触装置沿连接杆与减振板的接触圆周等份布置。
液压缸9的下端设有一个套筒式锁定装置8，当解锁高压油从油孔26经过导管槽24到达锁定装置8内部后，使锁定装置8向外膨胀，此时锁定装置8和连接杆12或20之间为间隙配合，液压传动约束系统正常工作，当卸除高压油后，导管槽24两端的密封圈25密封，则锁定装置8和连接杆12或20之间的间隙配合转化为过盈配合，从而产生巨大的锁定力锁定活塞在液压缸内任意位置，使活塞和液压缸之间不发生相对运动，此时液压传动约束系统停止工作。
在极端工况下，调谐透空减振发电装置与超大型浮体4之间可能会产生较大的相对运动，此时对液压传动约束系统的安全设计提出严峻挑战，为了避免减振发电系统在大幅波浪下的破坏，设置一种自存锁定-解除策略：考虑到PTO系统的最大抵抗力和最大变形追随能力，在液压传动系统下端安装套筒式锁定装置8，锁定液压传动约束系统的液压缸9体和活塞17之间的连接，两者之间不发生相对运动作为整体研究；另一方面，解除透空减振板与连接杆件的滑道-滑轮接触约束，透空减振板可沿杆件上下自由垂向运动，即透空减振板与液压传动系统之间垂直方向无任何约束，使两个透空减振板可沿相应的杆件自由垂向运动。
本发明的具体工作原理为：
1、确定双层透空透空减振板的最优设计参数范围：
如图6所示，根据超大型浮体4参数和海况条件，应用三维水弹性响应算法确定双层透空减振板的最优参数范围，如板宽、板的孔隙率、板的倾斜角度、上层透空减振板的水下位置、双层板之间的距离，其中水弹性响应为实测数据或数值仿真结果，海况条件为观测数据，且透空减振板的长度与超大型浮体4宽度相等。
2、确定锁定装置8内部材料：
如图6所示，通过透空减振板所受的荷载情况、液压油的性质及PTO系统的构造，确定液压PTO系统的最大抵抗力和最大变形追随能力，由此确定每个液压传动系统下端锁定装置8的内部材料。
3、布置液压传动系统连接双层透空透空减振板：
如图2和5所示，第一透空减振板1和第二透空减振板2之间采用两个第二液压传动约束系统5相连，两个第二液压传动约束系统5分别布置于两个透空减振板的纵向中心线两端，相互平行，且垂直连接第一透空减振板1和第二透空减振板2。第一液压传动约束系统6上的第二连接杆20通过滑轮接触装置22连接于第一透空减振板1上，第三连接杆12的一端也通过滑轮接触装置22连接于第二减振板上，而另一端插进缸体油腔13中连接活塞17，并由压紧盖14密封。
滑轮接触装置22中的滑轮沿相应的连接杆和透空减振板接触位置均匀分布，滑轮个数取决于操作工况中透空减振板所受的荷载值。在操作工况时，连接杆跟透空减振板之间滑轮接触装置22处于强制锁定状态，使它们不在产生相对运动，这样可利用双层透空减振板之间的相对运动进行发电。而在自存工况下，滑轮接触装置22可用于解除透空减振板和PTO系统之间的连接，透空减振板可沿对应的杆件自由垂直滑动，即垂向相对运动等效弹簧和阻尼系数均为零，从而保证了减振发电装置安全性能。
4、安装新型超大型浮体4调谐透空减振发电装置：
具体的安装过程如图1和2所示，在超大型浮体4的迎浪端和尾端水下一定位置处安装此装置，第一透空减振板1和超大型浮体4端部通过两个第一液压传动约束系统6垂向相连，两个第一液压传动约束系统6布置位置、方向与第二液压传动约束系统5一致，第一液压传动系统上的第一连接杆23通过固定螺栓21连接在浮体4端部，第二连接杆20的一端通过滑轮接触装置22连接于第一透空减振板1上，一端插进缸体油腔13中连接活塞17，并由压紧盖14密封。在操作工况下，所有杆件与透空减振板之间的连接进行强制锁定，利用双层减振系统与超大型浮体4之间的相对运动带动发电机16进行发电工作。而在极端工况下，液压传动约束系统的下端锁定装置8强制锁定活塞17与液压缸9的连接，滑轮接触装置22解除杆件与上下透空减振板之间的连接，这样，即避免了过大相对运动对液压传动约束系统的损坏，也降低了透空减振板在波浪作用下的破损率。
在波浪荷载作用下，超大型浮体4通常由于自身的结构尺寸和刚度特征，除产生一般海洋结构物通常的刚体位移外，还将产生垂向的弹性变形。此时，由于本发明中的双层透空减振板粘性消浪性能好、使用范围广、支持深水服役以及保护环境等，被采用作为消浪装置安置在超大型浮体4迎浪端和尾端水下一定位置，可以减少透射波浪高度，降低超大型浮体4的水弹性响应；另一方面，本发明装置一端与浮体4端部连接产生相应的运动和相对速度，而另一端与双层倾斜透空减振相连也会产生相对运动和速度，由于浮体4做水弹性运动，而透空减振板做刚体运动，两者的运动幅度及速度均不相同，因此在与本发明的PTO系统的两个连接断点自然会产生一个运动位移和速度差，该位移和速度差通过缸内活塞17的挤压或收缩液压流，将不平稳的波浪能转化为稳定的液压能，存储在高压储能器11，从而带动发电机16组进行发电。

Claims (8)

1.一种超大型浮体调谐透空减振发电装置，竖直安装于浮体的迎浪端部和水下的尾部，包括第一透空减振板、第二透空减振板和液压传动约束系统，其特征在于：所述浮体与第一透空减振板之间通过第一液压传动约束系统竖向连接，第一透空减振板与第二透空减振板之间通过第二液压传动约束系统竖向连接，第一透空减振板与浮体之间以及第一透空减振板与第二透空减振板之间分别进行相对垂直运动，然后分别通过第一液压传动约束系统和第二液压传动约束系统来带动发电机发电。
2.根据权利要求1所述的超大型浮体调谐透空减振发电装置，其特征在于：所述第二透空减振板位于第一透空减振板正下方，且与第一透空减振板平行布置，同时第一透空减振板和第二透空减振板的长度均等于浮体的宽度，第一透空减振板和第二透空减振板的宽度沿浮体端部对称相等；第一透空减振板和第二透空减振板均由透空减震板制成，且两个透空减振板上的孔隙大小一致，均匀分布，孔隙率相等，均沿各自纵向中心线倾斜相同角度。
3.根据权利要求1所述的超大型浮体调谐透空减振发电装置，其特征在于：所述浮体与第一透空减振板之间的两侧各设有一个第一液压传动约束系统，第一透空减振板与第二透空减振板之间的两侧也各设有一个第二液压传动约束系统；第一液压传动约束系统和第二液压传动约束系统外周均裹覆有圆柱形密封壳，第一液压传动约束系统通过螺栓固定于浮体，第二液压传动约束系统分别通过滑轮接触装置连接于第一透空减振板和第二透空减振板。
4.根据权利要求3所述的超大型浮体调谐透空减振发电装置，其特征在于：所述第一液压传动约束系统和第二液压传动约束系统均包括液压缸、控制电路和发电机，发电机连接于液压马达，液压马达分别连接于高压储能器和低压储能器，高压储能器和低压储能器分别由控制电路控制，控制电路上还连接有液压缸。
5.根据权利要求3所述的超大型浮体调谐透空减振发电装置，其特征在于：所述滑轮接触装置包括滑轮、轨道和锁定杆，滑轮通过锁定杆连接于透空减振板上，滑轮的滑行轨道安装于相对应的连接杆上。
6.根据权利要求4所述的超大型浮体调谐透空减振发电装置，其特征在于：所述第一液压传动约束系统中的液压缸通过第一连接杆和定位螺栓连接于浮体端部，第一液压传动约束系统底部的活塞末端通过第二连接杆依次连接于第一透空减振板和第二液压传动约束系统的液压缸，第二液压传动约束系统底部的活塞末端通过第三连接杆连接于第二透空减振板。
7.根据权利要求5或6所述的超大型浮体调谐透空减振发电装置，其特征在于：所述第二连接杆和第三连接杆的底端均通过滑轮接触装置分别连接于第一透空减振板和第二透空减振板；第二连接杆和第三连接杆的顶端均分别插入相对应的缸体油腔中连接于活塞，并通过压紧盖密封，在缸体油腔内的活塞通过压缩缸体内部液压油从阻尼通道中流出，从而驱动液压马达进而带动发电机进行发电。
8.根据权利要求4所述的超大型浮体调谐透空减振发电装置，其特征在于：所述液压缸的下端压紧盖上设有一个套筒式锁定装置，套筒式锁定装置中设有油孔、导管槽和密封圈，当解锁高压油从油孔经过导管槽到达锁定装置后，使锁定装置向外膨胀，此时锁定装置与连接杆之间为间隙配合，处于解锁状态，油缸正常工作；当高压油卸除后，锁定装置和各个连接杆之间的间隙配合转化为过盈配合，从而产生巨大的锁定力锁定活塞在液压缸内的任意位置，使活塞和液压缸之间不发生相对运动。
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