CN114475942A - 一种带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海上风电开发领域，具体涉及一种带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台。包括三台水平轴风力机、减速箱、连接三台风机的支架、主塔架、浮筒、浮筒连接主塔架的支架、减摇陀螺仪和锚链和平台支座；所述三台水平轴风力机包括风力机1、风力机2和风力机3；风力机1通过连接三台风机的支架与主塔架顶部连接，风力机2通过连接三台风机的支架连接在风力机1的左斜下方，风力机3位于风力机1的右斜下方，并与风力机2成镜像布置；三台风力机上均安装一个减速箱；主塔架通过浮筒连接主塔架的支架与平台连接，平台支座连接在浮筒下方。本发明拥有更好的稳性，对于多变的风浪方向能保证基础的稳性和发电效率。

Description

一种带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台
技术领域
本发明属于海上风电开发领域，具体涉及一种带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台。
背景技术
2021年，随着我国第一台浮式机组在明阳智能阳江基地装配完成并测试下线，标志着国内首台海上漂浮式试验样机即将安装应用，我国也打开了浮式风机商业化的大门。显然随着水深的限制，风力发电必然会朝着深远海发展，风机直径也逐步趋向大型化，但是风机叶片越做越大，其面临的设计制造甚至是理论上的问题仍未解决，显然，用多个直径较小的风机替代大直径风机是目前切实可行的方案，而且陆上风机在近十年的发展里已经设计出许多优秀的适用范围广的小直径风机，这不仅节约了大量的风机叶片设计试验成本，而且发电功率得到了保证。此外，许多海上风电场的海底地质松软，淤泥较多并不适用于固定式风机下桩，为使固定式平台稳定，需要较深的桩基深度，安装费用必然陡增，此时浮式平台就体现出了其优点。另外，风机的纵摇问题一直平台设计的一个重要考虑因素，而多风机平台的纵摇问题更是被扩大，本发明通过减摇陀螺仪对风机摇荡运动进行主动控制，很好地解决了这一问题。因此，开发出一种能同时适用不同水深，通过自身调整能抵抗较强的风浪，更为经济的浮式海上风电结构，具有极大的工程意义。
但与此同时，水平轴多风机的设计存在其自身的几个设计难点：1.由于工程误差的原因，左右两台风机很难做到完全的对称分布，这将导致风机系统的重心略微的往一边偏移；2.即使有减速箱对风机转速进行控制，但是三个风机间产生的力矩很难完全平衡；3.由于风机间由支架连接，支架本身存在一定的迎风面积，加上三个风机的扫风面积，在风机工作时会在迎风面产生一较大的力矩，产生的纵摇理论上会比单风机的要大，而且如果重心过高会导致恢复力不足，平台容易倾覆。综上三点，多风机平台主要的问题是稳性相对较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于深远海及各种风浪条件覆盖的带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
包括三台水平轴风力机、减速箱、连接三台风力机的支架、主塔架、浮筒、浮筒连接主塔架的支架、减摇陀螺仪、锚链和平台支座；所述三台水平轴风力机包括风力机1、风力机2和风力机3；风力机1与主塔架顶部连接，风力机2位于风力机1的左斜下方，风力机3位于风力机1的右斜下方，并与风力机2成镜像布置，三台水平轴风力机之间由连接三台风力机的支架连接，三台水平轴风力机上各安装一个减速箱；主塔架通过浮筒连接主塔架的支架与平台连接，平台支座连接在浮筒下方；减摇陀螺仪安装在主塔架底部，并位于平台支座内部，浮筒下面连接有三根两两夹角为120°的锚链。
进一步地，所述减摇陀螺仪包括陀螺仪外支架、陀螺仪转盘、传动轴和外载小型电机；减摇陀螺仪通过陀螺仪外支架固定在主塔架底部，陀螺仪外支架内部安装陀螺仪转盘7.2，陀螺仪转盘上方通过传动轴连接外载小型电机。
本发明的有益效果在于：
1、在同一平台上，三台小直径风机的扫风面积基本能跟单台大直径风机一致，这说明在发电效率上基本能实现等效替换，但相对而言，小直径风机的设计制造运输安装应用的过程都比大直径风机要简便很多，能节约很多成本。而且叶片直径越大，工作中发生共振或颤振的概率会增加，产生结构应力也很多，发生事故的风险也提高了。而且在大直径风机叶片上目前仍存在很多设计盲点，安全性仍需进一步评估。显然，要进一步提高单位平台的发电量，多个风机同时工作是一种很好的选择。
2、使用单个压载浮筒充当平台，获得较大的水线面半径，能保证平台重心较低且在主塔架中轴线处，还能根据不同风浪条件通过调整压载水，调整初稳性高，拥有更好的稳性，对于多变的风浪方向能保证基础的稳性和发电效率。
3、为了克服多风机平台纵摇运动较大的弱点，采用减摇陀螺仪，通过让质量较大的转盘高速旋转，能使平台产生一个较大的力矩，该力矩能抵抗或者削弱外力矩，起到减摇稳定的作用，通过控制转盘的转速，可以主动调节力矩的大小，能迅速地对外部力矩做出反应，较低摇荡幅值。
4、本发明采用了主动调节和被动调节的方式，首先是主动调节，风机底座连接一大型浮筒，通过调整压载水可以调整风机系统的吃水，从而降低重心高度，这是保证风机系统稳性的最重要一块。同时，在风机主塔架底部安装了一个减摇陀螺仪，通过陀螺仪的高速旋转产生升力和回复力矩，主动对风机系统的摇荡运动进行调节，减低了风机系统的运动响应。另外，通过安装锚链，对风机的漂移运动进行被动约束，在风机系统产生较大位移时，锚链能给系统一个较大恢复力，使得风机系统不会产生过大的往复漂移运动。
附图说明
图1是本发明带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台的总布置图；
图2是本发明带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台的正视图；
图3是本发明带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台的侧视图；
图4是本发明带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台的俯视图；
图5是本发明带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台的风机细节图；
图6是本发明带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台的浮式平台细节图；
图7是本发明带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台的陀螺仪细节图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1-4所示，本发明带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台包括三台水平轴风力机、减速箱2、连接三台风力机的支架3、主塔架4、压载浮筒5、浮筒连接主塔架的支架6、减摇陀螺仪7、锚链8和平台支座9。
在本实施例中，如图5所示的三台水平轴风力机，风力机1.1布置在主塔架4顶部，旋向为逆时针旋转，风力机1.2设计和直径与风力机1.1相同，布置在左斜下方，逆时针旋转，由支架3支撑，风力机1.3沿主塔架与风力机1.2成镜像布置，且旋向为顺时针旋转，由支架3支撑。三台风机按等腰三角形布置，一台在顶部由主塔架4支撑，其余两台由钢制支架支撑，对称分布在顶部风机斜下方，为避免尾流间相互干扰，三台风机安装在同一平面，风机间直线距离大于风机直径，避免发生碰撞。这样对称布置使得风力机1.2和风力机1.3产生的力矩能相互平衡，仅剩风力机1.1产生的力矩作用在平台上，引起平台的横摇。但很明显相对于单风机平台，横摇力矩要小很多。风力机1.1上安装的减速箱2可以在风速过高时降低风力机转速甚至刹车，避免转速过高破坏发电机。支架3与主塔架4为焊接。
在本实施例中，如图6所示，主塔架4与平台支座9之间可拆卸，安装时可以分开运输，等平台用锚链8固定好后，再采用吊装船对主塔架4进行吊装，并采用高强螺栓连接，导缆孔布置在平台外侧液面以下，较低的系泊位置能获得较大的系泊恢复力臂，让系泊缆避开自由液面处较大的波浪载荷。减摇陀螺仪7可在工厂提前安装到平台支座9内，保留电机接口。在吊装结束后再在塔筒内连接电路。由于水平轴多风机这种布置方式纵摇比较明显，特别是在大风浪条件下，通过应用减摇陀螺仪7，通电后转盘高速旋转会产生一个较大的回复力矩，在控制系统的调节下能使风机系统从大幅值纵摇运动中迅速恢复。
在本实施例中，如图7所示，减摇陀螺仪7通过陀螺仪外支架7.1固定在主塔架4底部，陀螺仪外支架7.1上安装有陀螺仪转盘7.2，陀螺仪转盘7.2通过传动轴7.3连接一个外载小型电机7.4。陀螺仪外支架7.1使得陀螺仪转盘可以实现在平台支座9内空转，提供回复力矩。电机用电直接由风机提供，开启电机后经传动轴7.3带动陀螺仪转盘7.2旋转，提供向上升力以及一个较大回复力矩，一般在额定工况下可以不工作或低转速工作，随时调整平台姿态，在极端工况下可以减少风机在各个自由度下的摇荡幅度，保证主塔架4的稳性和发电效率，避免风机系统倾覆。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台，其特征在于：包括三台水平轴风力机、减速箱(2)、连接三台风力机的支架(3)、主塔架(4)、浮筒(5)、浮筒连接主塔架的支架(6)、减摇陀螺仪(7)、锚链(8)和平台支座(9)；所述三台水平轴风力机包括风力机1(1.1)、风力机2(1.2)和风力机3(1.3)；风力机1(1.1)与主塔架(4)顶部连接，风力机2(1.2)位于风力机1(1.1)的左斜下方，风力机3(1.3)位于风力机1(1.1)的右斜下方，并与风力机2(1.2)成镜像布置，三台水平轴风力机之间由连接三台风力机的支架(3)连接，三台水平轴风力机上各安装一个减速箱(2)；主塔架(4)通过浮筒连接主塔架的支架(6)与平台连接，平台支座(9)连接在浮筒(5)下方；减摇陀螺仪(7)安装在主塔架(4)底部，并位于平台支座(9)内部，浮筒(5)下面连接有三根两两夹角为120°的锚链(8)。
2.根据权利要求1所述的一种带减摇陀螺仪的水平轴多风机浮式平台，其特征在于：所述减摇陀螺仪(7)包括陀螺仪外支架(7.1)、陀螺仪转盘(7.2)、传动轴(7.3)和外载小型电机(7.4)；减摇陀螺仪(7)通过陀螺仪外支架(7.1)固定在主塔架(4)底部，陀螺仪外支架(7.1)内部安装陀螺仪转盘(7.2)，陀螺仪转盘(7.2)上方通过传动轴(7.3)连接外载小型电机(7.4)。
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