CN112761177A - 一种多功能综合型风机单桩式基础及其阻尼动态调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能综合型风机单桩式基础及其阻尼动态调节方法，包括带有作业平台的单桩式基础本体、液压阻尼器、固定架和固定桩，所述液压阻尼器设有供单桩式基础本体穿过的安装位，所述单桩式基础本体穿过液压阻尼器的安装位并通过固定架与液压阻尼器连接固定在一起，所述固定桩的一端安装在液压阻尼器的底部，其另一端打入海床固定，用于将液压阻尼器固定在海床上，所述液压阻尼器上布置有多个单向阀，在液压阻尼器的内部容积改变过程中，通过单向阀能够将外部水体注入液压阻尼器内部或者将液压阻尼器内部已有的水体排出，同时对水流进行调节，从而实现对阻尼的动态调节，提高单桩式基础的结构稳定性，提高经济性。

Description

一种多功能综合型风机单桩式基础及其阻尼动态调节方法
技术领域
本发明涉及海上风机单桩式基础的技术领域，尤其是指一种多功能综合型风机单桩式基础及其阻尼动态调节方法。
背景技术
基础为风电机组提供至少25年的关键支撑，在遭受风载荷、风电机组运行载荷以及波浪、海流等载荷作用的同时，还经受着海上恶劣环境的严酷考验。同时，在海上风电场的总投资中，基础成本占20％-30％，远高于陆上风电场的同类比重。因此，在深入分析不同海上风电机组基础结构特点，风电场所处海域的地质、风能资源、海洋水文等环境条件的前提下，合理的基础选型，是推动海上风电成本下降、保障风电机组长期安全运行的主要途径之一。
单柱式基础为我国海上风电采用的最主要基础型式之一，单桩基础结构相对简单，主要采用大型沉桩设备将一根钢管桩打入海床。在钢管桩上设置靠船设施、钢爬梯及平台等，钢管桩顶部通过灌浆或直接通过法兰连接顶部塔筒。单桩基础一般采用单根直径4.5-9.0m钢管桩定位于海底，承受波流荷载及风电机组荷载。存在如下问题，为防止桩周冲刷，沿单桩一定范围内进行防冲刷处理，传统的防冲刷方法有砂被、抛石、仿生草、固化土等，目前效果仍不太明显；同时，结构刚度小，固有频率低，在水平外力作用下易产生侧向变形；结构安全受海床冲刷影响较大；当沉桩深度范围内存在较为坚硬岩土时，通常需用钻孔工艺将桩基安装至设计标高，但成本较高。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供了一种多功能综合型风机单桩式基础及其阻尼动态调节方法，采用单桩式基础配置液压阻尼器，能够实现阻尼的动态调节，提高单桩式基础结构稳定性，同时减少了水平外力作用下侧向变形，可以减少桩基安装深度，无需额外的海床冲刷保护，提高经济性。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种多功能综合型风机单桩式基础，包括带有作业平台的单桩式基础本体，还包括液压阻尼器、固定架和固定桩，所述液压阻尼器设有供单桩式基础本体穿过的安装位，所述单桩式基础本体穿过液压阻尼器的安装位并通过固定架与液压阻尼器连接固定在一起，所述固定桩的一端安装在液压阻尼器的底部，其另一端打入海床固定，用于将液压阻尼器固定在海床上；其中，所述液压阻尼器从上至下划分为竖直舱、水平舱和流动舱，所述竖直舱和水平舱之间以及水平舱和流动舱之间分别设有第一分隔板和第二分隔板；所述竖直舱设有第一活塞杆和第一阻尼活塞，所述第一活塞杆的一端竖直向上穿出竖直舱的舱体并与作业平台的底部连接，其另一端与第一阻尼活塞的顶部连接，所述第一阻尼活塞位于竖直舱的内腔中，其形状大小与该内腔相匹配；所述水平舱设有第二活塞杆和第二阻尼活塞，所述第二活塞杆的一端横向穿出水平舱的舱体后与单桩式基础本体连接，其另一端与第二阻尼活塞连接，所述第二活塞杆上套设有弹性元件，所述弹性元件的一端与水平舱的舱体连接，其另一端与第二阻尼活塞连接，所述第二阻尼活塞位于水平舱的内腔中，其形状大小与该内腔相匹配；所述竖直舱、水平舱、流动舱、第一分隔板和第二分隔板上布置有多个单向阀。
进一步，还包括对接桩和爬梯架；所述对接桩安装在液压阻尼器的舱体外侧，并靠近液压阻尼器的顶部，所述对接桩采用凹槽接口或环形肋板设计，用于增加对运维船的连接装置的夹力；所述爬梯架安装在单桩式基础本体的外侧，并位于作业平台的下方，其包括活节钩、伸缩式渡板和爬梯，所述爬梯的一端与作业平台的底部连接，其另一端与伸缩式渡板的一端铰接，能够围绕铰接点转动，从而灵活调节爬梯架角度，所述伸缩式渡板能够在水平方向上伸缩，其另一端连接有活节钩，所述活节钩挂在对接桩上。
进一步，所述伸缩式渡板包括伸缩组件和踏板，所述伸缩组件有两组且相互平行，所述踏板有多块设置在两组伸缩组件之间，所述伸缩组件包括母节、子节、顶簧和卡头，所述子节承插在母节内，两者同一轴线，并采用圆柱设计，所述母节的内壁上设有多个环形沟槽，且环形沟槽与母节同一轴线，所述环形沟槽内开有贯穿母节内壁的沉孔，所述母节的内壁上沿其长度方向设有与环形沟槽相交的直线滑沟，供卡头滑动，所述子节的外壁上开有座孔，所述顶簧的一端固定在座孔内，其另一端与卡头连接，移动子节时能够引导卡头在直线滑沟中滑动，待卡头滑动至环形沟槽和直线滑沟的交叉处时周向转动子节，卡头便能够进入到环形沟槽内滑动，直至卡头卡在沉孔内，从而实现伸缩组件的伸缩移动以及卡定。
进一步，所述单向阀包括阀体、弹簧、阀芯、过滤板和限流板，所述弹簧和阀芯置于阀体内，两者相互抵触，所述限流板安装在阀体的一端口处，所述过滤板安装在阀体的另一端口处，所述过滤板上设有多个小孔，各小孔之间形成流体通道，防止大颗粒杂质和水生生物进入。
进一步，所述液压阻尼器为低密度聚乙烯液压阻尼器，并采用变径圆柱体设计，能够充当防撞击装置使用，进而防止海冰挤压或船舶撞击；所述竖直舱、水平舱和流动舱采用同心圆设计。
进一步，所述单桩式基础本体、液压阻尼器、固定架和固定桩的表面均设有耐腐蚀层。
进一步，所述弹性元件为金属制品或橡胶制品。
进一步，所述爬梯架采用60°倾斜设计。
本发明也提供了上述多功能综合型风机单桩式基础的阻尼动态调节方法，具体如下：
当风机向上运动时，带动第一活塞杆和第一阻尼活塞向上运动，竖直舱内部容积增大，压强小于外水体压强，外水体在大气压和水压的作用下，冲开竖直舱上的单向阀和第一分隔板上的单向阀进入竖直舱，当第一阻尼活塞向上运动的速度降低到零时，竖直舱上的单向阀和第一分隔板上的单向阀将停止进水；
当风机向下运动时，带动第一活塞杆和第一阻尼活塞向下运动，竖直舱内部容积减小，内部液体受压缩而压强增大，从而冲开竖直舱上的单向阀和第一分隔板上的单向阀，使内部液体快速从竖直舱流出，当风机向下运动的速度降低到零时，竖直舱上的单向阀和第一分隔板上的单向阀将停止进水；
当风机前后摆动时，带动第二活塞杆、弹性元件和第二阻尼活塞横向运动，弹性元件发生形变，外水体在大气压和水压作用下，冲开第一分隔板上的单向阀、水平舱上的单向阀和第二分隔板上的单向阀产生流动，从而使整个结构振动产生的一部分机械能转变为液体动能进入水体，另一部分机械能转变为弹性元件的弹性势能，同时流动舱起到水流调节的作用。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明的液体阻尼器可以实现结构阻尼的动态调节，提高结构稳性，同时减少了水平外力作用下侧向变形，可以减少桩基安装深度，提高使用寿命，可以相应减小单桩式基础本体的桩柱直径，无需额外的海床冲刷保护，提高经济性。
2、采用固定桩连接液压阻尼器和海床，构成防冲刷结构，充当地基加固桩使用，可以降低整体结构的重量，减少制造材料，节约成本。
3、液压阻尼器缸体为低密度聚乙烯液压阻尼器，强度高，而且不会与液体发生反应，减少腐蚀，进而增加装置的使用寿命，同时能够充当防撞击装置以防止海冰挤压或船舶撞击。
4、单柱式基础本体、液压阻尼器、固定架和固定桩的表面均设有耐腐蚀层，能够防止海水腐蚀对部件带来的破坏，提高风力机的使用寿命和安全性。
附图说明
图1为多功能综合型风机单桩式基础的结构示意图。
图2为作业平台的俯视图。
图3为作业平台的剖视图。
图4为液压阻尼器的结构剖视图。
图5为液压阻尼器的结构俯视图。
图6为单向阀的结构示意图。
图7为爬梯架的结构示意图。
图8为伸缩组件的结构剖视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，其中：
参见图1至图8所示，本实施例所提供的多功能综合型风机单桩式基础，包括带有作业平台1a的单桩式基础本体1、液压阻尼器2、固定架3、固定桩4、对接桩5和爬梯架6；
所述作业平台1a设有用于与液压阻尼器2a的第一活塞杆2a-1连接的固定座1a-3、固定插销和用于安装风机塔筒的过渡法兰1a-1，所述固定座1a-3上设有固定槽，所述固定槽的两侧内壁开对称孔，所述固定插销能够横穿对称孔和液压阻尼器2a的第一活塞杆2a-1，将液压阻尼器2a的第一活塞杆2a-1固定，所述过渡法兰1a-1采用阶梯设计，所述过渡法兰1a-1设有锥形孔1a-2，并通过过盈配合与单桩式基础本体1的桩柱连接。
所述液压阻尼器2为低密度聚乙烯液压阻尼器，采用变径圆柱体设计，能够充当防撞击装置使用，进而防止海冰挤压或船舶撞击，所述液压阻尼器2设有供单桩式基础本体1穿过的安装位，所述单桩式基础本体1穿过液压阻尼器2的安装位并通过固定架3与液压阻尼器2连接固定在一起，所述液压阻尼器2的底部设有多个固定桩安装孔，该固定桩安装孔沿着液压阻尼器2的周边和安装位的周边分布，固定桩安装孔根据固定桩4和液压阻尼器2的安装方式，分为动孔和静孔两种设计：当单桩式基础本体1和液压阻尼器2的尺寸位置确定，并需先安装固定桩4时，即需要采用动孔设计，动孔由半圆槽、活动槽和插销组成，对正动孔的半圆槽和固定桩4，通过插销连接活动槽和半圆槽，从而实现液压阻尼器2的固定；当单桩式基础本体1和液压阻尼器2尺寸位置确定，并需先安装液压阻尼器2时，即需要采用静孔设计，所述静孔为通孔，通过将固定桩4的一端安装在通孔处，实现液压阻尼器2的固定；其中，所述液压阻尼器2从上至下划分为竖直舱2a、水平舱2b和流动舱2c，所述竖直舱2a、水平舱2b和流动舱2c采用同心圆设计，所述竖直舱2a和水平舱2b之间以及水平舱2b和流动舱2c之间分别设有第一分隔板2d和第二分隔板2e；所述竖直舱2a设有第一活塞杆2a-1和第一阻尼活塞2a-2，所述第一活塞杆2a-1的一端竖直向上穿出竖直舱2a的舱体并与作业平台1a的底部连接，其另一端与第一阻尼活塞2a-2的顶部连接，所述第一阻尼活塞2a-2位于竖直舱2a的内腔中，其形状大小与该内腔相匹配；所述水平舱2b设有第二活塞杆2b-1和第二阻尼活塞2b-3，所述第二活塞杆2b-1的一端横向穿出水平舱2b的舱体后与单桩式基础本体1连接，其另一端与第二阻尼活塞2b-3连接，所述第二活塞杆2b-1上套设有弹性元件2b-2，所述弹性元件2b-2为金属制品(如弹簧、波纹管等)或橡胶制品或其它具有弹性的元器件或结构，所述弹性元件2b-2的一端与水平舱2b的舱体连接，其另一端与第二阻尼活塞2b-3连接，所述第二阻尼活塞2b-3位于水平舱2b的内腔中，其形状大小与该内腔相匹配；所述竖直舱2a、水平舱2b、流动舱2c、第一分隔板2d和第二分隔板2e上均布置有16个周向分布的单向阀2f，既保证了进水总面积，又减少了水生生物进入；所述单向阀2f包括阀体2f-1、弹簧2f-2、阀芯2f-3、过滤板2f-4和限流板2f-5，所述弹簧2f-2和阀芯2f-3置于阀体2f-1内，两者相互抵触，所述限流板2f-5安装在阀体2f-1的一端口处，能够通过更换限流板2f-5改变水流量，所述过滤板2f-4安装在阀体2f-1的另一端口处，所述过滤板2f-4上设有多个小孔，各小孔之间形成流体通道，防止大颗粒杂质和水生生物进入。
所述对接桩5安装在液压阻尼器2的舱体外侧，并靠近液压阻尼器2的顶部，所述对接桩5采用凹槽接口或环形肋板设计，用于增加对运维船的连接装置的夹力；所述爬梯架采用60°倾斜设计，所述爬梯架6安装在单桩式基础本体1的外侧，并位于作业平台1a的下方，其包括活节钩6c、伸缩式渡板6b和爬梯6a，所述爬梯6a的一端与作业平台1a的底部连接，其另一端与伸缩式渡板6b的一端铰接，能够围绕铰接点转动，从而灵活调节爬梯架6角度，所述伸缩式渡板6b能够在水平方向上伸缩，其另一端连接有活节钩6c，所述活节钩6c挂在对接桩5上，并采用3/4圆设计，所述活节钩包括连接柄和1/4圆钩一体设计的固定钩和1/2圆设计的活动钩，所述活动钩和固定钩的端部开有相互对应的连接孔，所述活动钩和固定钩通过设置在连接孔内的压簧和连接钉连接，在向前推力减少时能够自动脱离对接桩5；其中，所述伸缩式渡板6b包括伸缩组件和踏板，所述伸缩组件有两组且相互平行，所述踏板有多块设置在两组伸缩组件之间，所述伸缩组件包括母节6b-1、子节6b-2、顶簧6b-4和卡头6b-5，所述母节6b-1和子节6b-2采用圆柱设计，所述子节6b-2承插在母节6b-1内，两者同一轴线，所述母节6b-1的内壁上设有多个环形沟槽6b-3，且环形沟槽6b-3与母节6b-1同一轴线，所述环形沟槽6b-3内开有贯穿母节6b-1内壁的沉孔，所述母节6b-1的内壁上沿其长度方向设有与环形沟槽6b-3相交的直线滑沟，供卡头6b-5滑动，所述子节6b-2的外壁上开有座孔，所述顶簧6b-4的一端固定在座孔内，其另一端与卡头6b-5连接，移动子节6b-2时能够引导卡头6b-5在直线滑沟中滑动，待卡头6b-5滑动至环形沟槽6b-3和直线滑沟的交叉处时周向转动子节6b-2，卡头6b-5便能够进入到环形沟槽6b-3内滑动，待卡头6b-5滑动到沉孔处时，因顶簧6b-4的弹性力而卡在沉孔内，从而实现伸缩组件的伸缩移动以及卡定。
下面为本实施例上述多功能综合型风机单桩式基础的阻尼动态调节方法，其具体情况如下：
当风机向上运动时，带动第一活塞杆2a-1和第一阻尼活塞2a-2向上运动，竖直舱2a内部容积增大，压强小于外水体压强，外水体在大气压和水压的作用下，冲开竖直舱2a上的单向阀和第一分隔板2d上的单向阀进入竖直舱2a，当第一阻尼活塞2a-1向上运动的速度降低到零时，竖直舱2a上的单向阀和第一分隔板2d上的单向阀将停止进水。
当风机向下运动时，带动第一活塞杆2a-1和第一阻尼活塞2a-2向下运动，竖直舱2a内部容积减小，内部液体受压缩而压强增大，从而冲开竖直舱2a上的单向阀和第一分隔板2d上的单向阀，使内部液体快速从竖直舱2a流出，当风机向下运动的速度降低到零时，竖直舱2a上的单向阀和第一分隔板2d上的单向阀将停止进水。
当风机前后摆动时，带动第二活塞杆2b-1、弹性元件2b-2和第二阻尼活塞2b-3横向运动，弹性元件2b-2发生形变，外水体在大气压和水压作用下，冲开第一分隔板2d上的单向阀、水平舱2b上的单向阀和第二分隔板2e上的单向阀产生流动，从而使整个结构振动产生的一部分机械能转变为液体动能进入水体，另一部分机械能转变为弹性元件2b-2的弹性势能，同时流动舱2c起到水流调节的作用。
以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多功能综合型风机单桩式基础，包括带有作业平台的单桩式基础本体，其特征在于：还包括液压阻尼器、固定架和固定桩，所述液压阻尼器设有供单桩式基础本体穿过的安装位，所述单桩式基础本体穿过液压阻尼器的安装位并通过固定架与液压阻尼器连接固定在一起，所述固定桩的一端安装在液压阻尼器的底部，其另一端打入海床固定，用于将液压阻尼器固定在海床上；其中，所述液压阻尼器从上至下划分为竖直舱、水平舱和流动舱，所述竖直舱和水平舱之间以及水平舱和流动舱之间分别设有第一分隔板和第二分隔板；所述竖直舱设有第一活塞杆和第一阻尼活塞，所述第一活塞杆的一端竖直向上穿出竖直舱的舱体并与作业平台的底部连接，其另一端与第一阻尼活塞的顶部连接，所述第一阻尼活塞位于竖直舱的内腔中，其形状大小与该内腔相匹配；所述水平舱设有第二活塞杆和第二阻尼活塞，所述第二活塞杆的一端横向穿出水平舱的舱体后与单桩式基础本体连接，其另一端与第二阻尼活塞连接，所述第二活塞杆上套设有弹性元件，所述弹性元件的一端与水平舱的舱体连接，其另一端与第二阻尼活塞连接，所述第二阻尼活塞位于水平舱的内腔中，其形状大小与该内腔相匹配；所述竖直舱、水平舱、流动舱、第一分隔板和第二分隔板上布置有多个单向阀。
2.根据权利要求1所述的一种多功能综合型风机单桩式基础，其特征在于：还包括对接桩和爬梯架；所述对接桩安装在液压阻尼器的舱体外侧，并靠近液压阻尼器的顶部，所述对接桩采用凹槽接口或环形肋板设计，用于增加对运维船的连接装置的夹力；所述爬梯架安装在单桩式基础本体的外侧，并位于作业平台的下方，其包括活节钩、伸缩式渡板和爬梯，所述爬梯的一端与作业平台的底部连接，其另一端与伸缩式渡板的一端铰接，能够围绕铰接点转动，从而灵活调节爬梯架角度，所述伸缩式渡板能够在水平方向上伸缩，其另一端连接有活节钩，所述活节钩挂在对接桩上。
3.根据权利要求2所述的一种多功能综合型风机单桩式基础，其特征在于：所述伸缩式渡板包括伸缩组件和踏板，所述伸缩组件有两组且相互平行，所述踏板有多块设置在两组伸缩组件之间，所述伸缩组件包括母节、子节、顶簧和卡头，所述子节承插在母节内，两者同一轴线，并采用圆柱设计，所述母节的内壁上设有多个环形沟槽，且环形沟槽与母节同一轴线，所述环形沟槽内开有贯穿母节内壁的沉孔，所述母节的内壁上沿其长度方向设有与环形沟槽相交的直线滑沟，供卡头滑动，所述子节的外壁上开有座孔，所述顶簧的一端固定在座孔内，其另一端与卡头连接，移动子节时能够引导卡头在直线滑沟中滑动，待卡头滑动至环形沟槽和直线滑沟的交叉处时周向转动子节，卡头便能够进入到环形沟槽内滑动，直至卡头卡在沉孔内，从而实现伸缩组件的伸缩移动以及卡定。
4.根据权利要求1所述的一种多功能综合型风机单桩式基础，其特征在于：所述单向阀包括阀体、弹簧、阀芯、过滤板和限流板，所述弹簧和阀芯置于阀体内，两者相互抵触，所述限流板安装在阀体的一端口处，所述过滤板安装在阀体的另一端口处，所述过滤板上设有多个小孔，各小孔之间形成流体通道，防止大颗粒杂质和水生生物进入。
5.根据权利要求1所述的一种多功能综合型风机单桩式基础，其特征在于：所述液压阻尼器为低密度聚乙烯液压阻尼器，并采用变径圆柱体设计，能够充当防撞击装置使用，进而防止海冰挤压或船舶撞击；所述竖直舱、水平舱和流动舱采用同心圆设计。
6.根据权利要求1所述的一种多功能综合型风机单桩式基础，其特征在于：所述单桩式基础本体、液压阻尼器、固定架和固定桩的表面均设有耐腐蚀层。
7.根据权利要求1所述的一种多功能综合型风机单桩式基础，其特征在于：所述弹性元件为金属制品或橡胶制品。
8.根据权利要求2所述的一种多功能综合型风机单桩式基础，其特征在于：所述爬梯架采用60°倾斜设计。
9.一种权利要求1-8任意一项所述多功能综合型风机单桩式基础的阻尼动态调节方法，其特征在于：
当风机向上运动时，带动第一活塞杆和第一阻尼活塞向上运动，竖直舱内部容积增大，压强小于外水体压强，外水体在大气压和水压的作用下，冲开竖直舱上的单向阀和第一分隔板上的单向阀进入竖直舱，当第一阻尼活塞向上运动的速度降低到零时，竖直舱上的单向阀和第一分隔板上的单向阀将停止进水；
当风机向下运动时，带动第一活塞杆和第一阻尼活塞向下运动，竖直舱内部容积减小，内部液体受压缩而压强增大，从而冲开竖直舱上的单向阀和第一分隔板上的单向阀，使内部液体快速从竖直舱流出，当风机向下运动的速度降低到零时，竖直舱上的单向阀和第一分隔板上的单向阀将停止进水；
当风机前后摆动时，带动第二活塞杆、弹性元件和第二阻尼活塞横向运动，弹性元件发生形变，外水体在大气压和水压作用下，冲开第一分隔板上的单向阀、水平舱上的单向阀和第二分隔板上的单向阀产生流动，从而使整个结构振动产生的一部分机械能转变为液体动能进入水体，另一部分机械能转变为弹性元件的弹性势能，同时流动舱起到水流调节的作用。
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