CN109026551B - 基于调谐液柱振荡阻尼器的新型漂浮式风力机基础平台 - Google Patents

基于调谐液柱振荡阻尼器的新型漂浮式风力机基础平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于调谐液柱振荡阻尼器的新型漂浮式风力机基础平台。压载舱中，四个侧立柱分别布置在中心立柱周围，每个侧立柱包括主立柱和垂荡立柱，垂荡立柱固定于主立柱底部，中心立柱内部中空，主立柱和垂荡立柱均内部中空并连通形成独立圆柱腔，独立圆柱腔中设有柱形的环形隔板将独立圆柱腔分为内舱室和外舱室的两部分；沿平行于纵横荡方向的同一直线上的两个侧立柱独立圆柱腔内部的两个外舱室之间通过纵横向水平管道连通组成一个液柱振荡阻尼器，每个侧立柱的垂荡立柱上连接有系泊缆，系泊缆一端固定于海底，另一端固定于垂荡立柱外周。本发明能有效地减小平台在强耦合海况下的振动响应，从而增加整个半潜式浮式风机系统的稳定性。

Description

基于调谐液柱振荡阻尼器的新型漂浮式风力机基础平台
技术领域
本发明涉及了一种海上浮式风机发电基础设施，尤其是一种基于调谐液柱振荡阻尼器的新型漂浮式风力机基础平台，能应用于大于60m水深海域漂浮式风力发电机。
背景技术
近年来，各国逐渐意识到海上风能产业发展的巨大潜力，一是由于海上的风力资源随着海域深度的增加而更加丰富，并且与陆地风能相比，更是成倍增长；二是因为海上风电的发展更加环保、性价比更高，它可以减少陆地占用面积，不产生噪声污染和视觉污染，风力的获得更加便捷等等。丹麦、挪威、荷兰以及美国等国家在海上风力的发展中已经走在世界前列，在海上浮式风力机的研究下，更是率先提出了TLP、Barge、Spar-buoy三种浮式支撑平台的基础概念，最具有代表性的是美国可再生能源实验室(NREL)所提出的5MW半潜式浮式海上风力机平台和挪威于2009年在北海水深220m的水域建成的世界上第一座2.3MW浮式海上风力机平台。
目前，海上风电机组的基础结构可分为重力式、单桩结构、导管架结构、水上三桩、水下三桩和漂浮式结构。漂浮式风机基础结构主要应用于深海海域(大于50m)，主要包括半潜式、TLP型、Spar型基础。现有的半潜式风机平台多为驳船式或三立柱桁架式结构，具有很强的回复力矩和良好的稳定性，但其由于结构的压载水舱为各个独立的舱室，所以压载水的运动行程受限，在风浪流的强耦合作用下，平台较易出现抗振性不足的情况。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，为了解决现有半潜式风机平台在风浪流的强耦合作用下抗振性不足的情况，本发明提供一种基于调谐液柱振荡阻尼器的新型漂浮式风力机基础平台，既能保证传统半潜式平台的特性，又能有效地减小平台在强耦合海况下的振动响应，还能更有效地避免风机与基础之间在强耦合海况下产生共振，从而增加整个半潜式浮式风机系统的稳定性，能应用于大于60m水深海域漂浮式风力发电机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括压载舱、桁架结构和系泊系统，所述的压载舱包括一个中心立柱、四个侧立柱，四个侧立柱分别布置在中心立柱周围，中心立柱位于四个侧立柱围成的正方形的中心，且使得四个侧立柱围成的正方形其中对称的两侧边平行于纵荡方向；每个侧立柱包括主立柱和垂荡立柱，垂荡立柱固定于主立柱底部，垂荡立柱的径向尺寸大于主立柱的径向尺寸；中心立柱内部中空，主立柱和垂荡立柱均内部中空并连通形成独立圆柱腔，独立圆柱腔中设有柱形的环形隔板将独立圆柱腔分为内舱室和外舱室的两部分。
沿平行于纵荡方向的同一直线上的两个侧立柱独立圆柱腔内部的两个外舱室之间通过纵向水平管道连通组成一个液柱振荡阻尼器，纵向水平管道连接于两个侧立柱的垂荡立柱之间，纵向水平管道中部内设有阻尼孔，从而使得纵荡方向上共形成两个液柱振荡阻尼器。
沿平行于横荡方向的同一直线上的两个侧立柱独立圆柱腔内部的两个内舱室之间通过横向水平管道连通组成一个液柱振荡阻尼器，横向水平管道连接于两个侧立柱的垂荡立柱之间并且两端贯穿垂荡立柱伸入到内舱室内，横向水平管道中部内设有阻尼孔，从而使得横荡方向上共形成两个液柱振荡阻尼器。
所述的纵荡方向为浪流来流方向，所述的横荡方向为垂直于浪流来流方向。
所述的桁架结构包括第一桁架连接杆、第二桁架连接杆、第三桁架连接杆和第四桁架连接杆，四个侧立柱的垂荡立柱和中心立柱底部之间通过水平的第一桁架连接杆固定连接，相邻侧立柱的主立柱底部之间通过水平的第二桁架连接杆固定连接，四个侧立柱的主立柱顶部和中心立柱顶部之间通过水平的第三桁架连接杆固定连接，四个侧立柱的垂荡立柱和中心立柱顶部之间通过倾斜的第四桁架连接杆固定连接；
所述的系泊系统包括连接于每个侧立柱的垂荡立柱上的系泊缆，系泊缆一端固定于海底，另一端固定于垂荡立柱外周。
所述的内舱室和外舱室的压载物为海水，且压载水的体积小于舱室的体积，而中心立柱的内部压载物为非液体，调节中心立柱的压载物重力、内舱室和外舱室的压载物使得整个所述的半潜式风机平台的浮心高于重心。
所述的中心立柱顶面安装风机。
连接于四个侧立柱的垂荡立柱上的四根系泊缆以关于中心立柱中心对称。
所述的桁架结构的桁架连接杆均为若干空心耐腐蚀结构钢管。
本发明的半潜式风机平台置于海上并浮于水面上。
本发明采用四大一小组合立柱桁架式结构代替传统的半潜式平台结构，并分别对四个主立柱内部进行内外压载水的舱室划分，主立柱内外舱室分别与相邻主立柱的内外舱室通过带有阻尼孔的空心桁架连通，在横向和纵向分别形成一对液柱振荡阻尼器，能有效地减小平台在强耦合海况下的振动响应，从而增加整个半潜式浮式风机系统的稳定性。
本发明适用于的强耦合海况为风浪流共同存在的恶劣海况环境，例如台风。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
所述的新型半潜式风机平台基础在纵荡方向和横荡方向各形成一对液柱振荡阻尼器，能有效地减小平台在强耦合海况下的振动响应，同时更有效地避免风机与基础之间在强耦合海况下产生共振。
连通垂荡立柱的各个桁架的中间位置处开有一阻尼孔，有效地增大液柱振荡阻尼器的阻尼系数，能有效地增加整个半潜式浮式基础的稳定性。
所述的新型半潜式风机平台基础拥有四个主立柱，比传统半潜式平台多一个主立柱，并且每个主立柱划分为两个内外舱室，能有效地提高破舱稳定性和抗沉性。
附图说明
图1是本发明的结构立体剖视图；
图2是本发明的结构立体图。
图中：1.系泊缆，2.第一桁架连接杆，3.纵向水平管道，4.阻尼孔，5.横向水平管道，6.垂荡立柱，7.主立柱，8.第二桁架连接杆，9.中心立柱，10.第三桁架连接杆，12.第四桁架连接杆，13.内舱室，14.外舱室。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明具体实施包括压载舱、桁架结构和系泊系统，压载舱包括一个中心立柱9、四个侧立柱，四个侧立柱分别布置在中心立柱9周围，中心立柱9位于四个侧立柱围成的正方形的中心，且使得四个侧立柱围成的正方形其中对称的两侧边平行于纵荡方向，中心立柱9顶面安装风机。每个侧立柱包括主立柱7和垂荡立柱6，垂荡立柱6固定于主立柱7底部，垂荡立柱6的径向尺寸大于主立柱7的径向尺寸，垂荡立柱6的竖直轴向尺寸远小于主立柱7的竖直轴向尺寸；中心立柱9内部中空，主立柱7和垂荡立柱6均内部中空并连通形成独立圆柱腔，独立圆柱腔中设有柱形的环形隔板将独立圆柱腔分为内舱室13和外舱室14的两部分，环形隔板上下端连接到独立圆柱腔的上顶面和下底面。内舱室13和外舱室14提供主要浮力，立柱间通过桁架结构连接，提高基础的结构强度。
沿平行于纵荡方向的同一直线上的两个侧立柱独立圆柱腔内部的两个外舱室14之间通过纵向水平管道3连通组成一个液柱振荡阻尼器，纵向水平管道3连接于两个侧立柱的垂荡立柱6之间，纵向水平管道3中部内设有阻尼孔4，阻尼孔4沿周向，从而使得纵荡方向上共形成两个液柱振荡阻尼器；纵荡方向的液柱振荡阻尼器主要由两个侧立柱独立圆柱腔内部的两个外舱室14以及两个侧立柱之间的纵向水平管道3和第二桁架连接杆8、阻尼孔4构成。
沿平行于横荡方向的同一直线上的两个侧立柱独立圆柱腔内部的两个内舱室13之间通过横向水平管道5连通组成一个液柱振荡阻尼器，横向水平管道5连接于两个侧立柱的垂荡立柱6之间并且两端贯穿垂荡立柱6伸入到内舱室13内，横向水平管道5中部内设有阻尼孔4，阻尼孔4沿周向，从而使得横荡方向上共形成两个液柱振荡阻尼器；横荡方向的液柱振荡阻尼器主要由两个侧立柱独立圆柱腔内部的两个内舱室13以及两个侧立柱之间的横向水平管道5和第二桁架连接杆8、阻尼孔4构成。
最终形成两个沿同一横荡方向的内压载舱通过横向水平管道5连通，形成一对横向液柱振荡阻尼器；两个沿同一纵荡方向的外压载舱通过纵向水平管道3连通，形成一对纵向液柱振荡阻尼器。
内舱室13和外舱室14的压载物为海水，且压载水的体积小于舱室的体积，体积其余部分为空气。而中心立柱9的内部压载物为非液体，调节中心立柱9的压载物重力、内舱室13和外舱室14的压载物使得整个半潜式风机平台的浮心高于重心。中心立柱9的内部压载物可以采用混凝土或者水泥。
如图1和图2所示，本发明桁架结构包括第一桁架连接杆2、第二桁架连接杆8、第三桁架连接杆10和第四桁架连接杆12，四个侧立柱的垂荡立柱6和中心立柱9底部之间通过水平的第一桁架连接杆2固定连接，相邻侧立柱的主立柱7底部之间通过水平的第二桁架连接杆8固定连接，四个侧立柱的主立柱7顶部和中心立柱9顶部之间通过水平的第三桁架连接杆10固定连接，四个侧立柱的垂荡立柱6和中心立柱9顶部之间通过倾斜的第四桁架连接杆12固定连接，从而立柱间通过第一桁架连接杆2、第二桁架连接杆8、第三桁架连接杆10和第四桁架连接杆12进行连接。桁架结构的桁架连接杆均为若干空心高强度耐腐蚀结构钢管。
如图1和图2所示，系泊系统包括连接于每个侧立柱的垂荡立柱6上的系泊缆1，系泊缆1一端固定于海底，另一端固定于垂荡立柱6外周。连接于四个侧立柱的垂荡立柱6上的四根系泊缆1以关于中心立柱9中心对称。
本发明的工作原理过程是：对主立柱7和垂荡立柱6进行内外舱室划分后，通过桁架对内舱室13和外舱室14进行相应的连通，在平台的横荡和纵荡方向分别形成一对带有阻尼孔4的液柱振荡阻尼器，不仅能有效地减小平台在强耦合海况下的振动响应，还能更有效地避免风机与基础之间在强耦合海况下产生共振。
同时划分内舱室13、外舱室14的压载水体积，合理分配中心立柱9的压载重力和设置阻尼孔4的大小，能有效地增加整个半潜式浮式风机系统的稳定性。桁架结构减少整体结构重量，同时四个主立柱7能有效地提高破舱稳定性和抗沉性。垂荡立柱6能增加浮式基础的垂荡阻尼，提高垂荡方向上的稳定性。

Claims (4)

1.一种基于调谐液柱振荡阻尼器的新型漂浮式风力机基础平台，其特征在于：包括压载舱、桁架结构和系泊系统，所述的压载舱包括一个中心立柱（9）、四个侧立柱，四个侧立柱分别布置在中心立柱（9）周围，中心立柱（9）位于四个侧立柱围成的正方形的中心，且使得四个侧立柱围成的正方形其中对称的两侧边平行于纵荡方向；
每个侧立柱包括主立柱（7）和垂荡立柱（6），垂荡立柱（6）固定于主立柱（7）底部，垂荡立柱（6）的径向尺寸大于主立柱（7）的径向尺寸；
中心立柱（9）内部中空，主立柱（7）和垂荡立柱（6）均内部中空并连通形成独立圆柱腔，独立圆柱腔中设有柱形的环形隔板将独立圆柱腔分为内舱室（13）和外舱室（14）的两部分；
沿平行于纵荡方向的同一直线上的两个侧立柱独立圆柱腔内部的两个外舱室（14）之间通过纵向水平管道（3）连通组成一个液柱振荡阻尼器，纵向水平管道（3）连接于两个侧立柱的垂荡立柱（6）之间，纵向水平管道（3）中部内设有阻尼孔（4），从而使得纵荡方向上共形成两个液柱振荡阻尼器；
沿平行于横荡方向的同一直线上的两个侧立柱独立圆柱腔内部的两个内舱室（13）之间通过横向水平管道（5）连通组成一个液柱振荡阻尼器，横向水平管道（5）连接于两个侧立柱的垂荡立柱（6）之间并且两端贯穿垂荡立柱（6）伸入到内舱室（13）内，横向水平管道（5）中部内设有阻尼孔（4），从而使得横荡方向上共形成两个液柱振荡阻尼器；
所述的桁架结构包括第一桁架连接杆（2）、第二桁架连接杆（8）、第三桁架连接杆（10）和第四桁架连接杆（12），四个侧立柱的垂荡立柱（6）和中心立柱（9）底部之间通过水平的第一桁架连接杆（2）固定连接，相邻侧立柱的主立柱（7）底部之间通过水平的第二桁架连接杆（8）固定连接，四个侧立柱的主立柱（7）顶部和中心立柱（9）顶部之间通过水平的第三桁架连接杆（10）固定连接，四个侧立柱的垂荡立柱（6）和中心立柱（9）顶部之间通过倾斜的第四桁架连接杆（12）固定连接；所述的系泊系统包括连接于每个侧立柱的垂荡立柱（6）上的系泊缆（1），系泊缆（1）一端固定于海底，另一端固定于垂荡立柱（6）外周；
所述的内舱室（13）和外舱室（14）的压载物为海水，且压载水的体积小于舱室的体积，而中心立柱（9）的内部压载物为非液体，调节中心立柱（9）的压载物重力、内舱室（13）和外舱室（14）的压载物使得整个所述的风力机基础平台的浮心高于重心。
2.根据权利要求1所述的一种基于调谐液柱振荡阻尼器的新型漂浮式风力机基础平台，其特征在于：所述的中心立柱（9）顶面安装风机。
3.根据权利要求1所述的一种基于调谐液柱振荡阻尼器的新型漂浮式风力机基础平台，其特征在于：连接于四个侧立柱的垂荡立柱（6）上的四根系泊缆（1）以关于中心立柱（9）中心对称。
4.根据权利要求1所述的一种基于调谐液柱振荡阻尼器的新型漂浮式风力机基础平台，其特征在于：所述的桁架结构的桁架连接杆均为若干空心耐腐蚀结构钢管。
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