CN115013249A - 一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，包括浮式风机和包括调谐多液柱阻尼器、数据采集器、信号处理器与作动控制器的智能调谐多液柱阻尼器系统；阻尼器包括多个相互连通的垂直、水平管道；数据采集器包括安装在垂直管道内的波高仪、浮子加速度感应器、置于风机顶部的倾角传感器与位移感应器；信号处理器包括高频滤波、波浪识别、智能调频和应急处理模块；作动控制器通过开关电源控制抽水泵和吸水泵运作，并通过控制转动轴和滑轮的正负旋转调节移动舱壁和多孔介质层位置，从而实时保持阻尼器自振周期与外部波浪一致，使阻尼器效果最大化。本发明可有效提高浮式风机的稳定性和安全性，并降低风机运行与维护成本。

Description

一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机。
背景技术
风力发电作为重要的可再生能源，海上风电靠近能源消耗中心且不占用土地资源，故近年来发展迅猛。但随着作业水深不断增加到蕴藏有丰富资源的深海海域(水深大于50m)，传统底部固定式风机是不可行的，更经济、更灵活的海上浮式风机成为最佳选择。
浮式风机的动力学特性较为复杂，在风浪流载荷作用下，浮体的持续摆动会降低风机发电质量、影响风电机组使用寿命、加剧平台疲劳损伤。调谐液体阻尼器作为被动式阻尼设备，吸收结构运动所产生的能量，并通过自身液体晃荡将这部分能量反作用于结构以实现振动控制。调谐液体阻尼器具有造价成本低、维护方便、无需外部能量输入的优势，通过合理的调频、优化，就能达到很好的减振效果，但在复杂的海洋环境中，风浪的角度是多向的，海浪谱属于宽频激励，传统调谐液体阻尼器并不具有应对改变方向和调整减振频带的能力。近年来出现的隔板调频效果虽然显著，但可调控的频率点十分有限，并且隔板固体率改变的过程中，引起的高阶晃荡模态会导致负面激励；利用磁流变液体等辅助设备也可实现阻尼器的半主动化调频，但其造价和维护成本高昂并需要稳定的电源供应，对于深海浮式风机不具有工程实用性。因此，在深海中如何利用少量能源和低成本实现调谐液体阻尼器的智能化调频是目前亟待深入研究的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，可以识别周围海浪环境条件，实现浮式风机在宽频海浪谱激励下的阻尼器智能调频，可有效提升海上浮式风机平台的水动力性能。同时，本发明配有应急处理模块，解决了极端风浪条件下的风机大幅度摆动问题，降低了结构的疲劳损伤并保证风电机组的正常作业。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，包括浮式风机本体、以及设置在浮式风机本体上的智能调谐多液柱阻尼器系统；所述的智能调谐多液柱阻尼器系统包括调谐多液柱阻尼器、数据采集器、信号处理器和作动控制器；
所述的调谐多液柱阻尼器设置于浮式风机本体的下部，包括多个相互连通、内部具有阻尼液体的垂直管道和水平管道；
所述的数据采集器，包括波高仪、浮子加速度感应器、倾角传感器和位移感应器在每个垂直管道内部均安装一个所述的波高仪；浮子加速度感应器漂浮于水中；倾角传感器和位移感应器分别安装于浮式风机本体的顶部；数据采集器将调谐多液柱阻尼器内液柱高度、外部波浪频率、浮式风机转动和位移的实时数据传递给信号处理器；
所述的信号处理器，包括高频滤波模块、波浪识别模块、智能调频模块和应急处理模块；高频率波模块通过快速傅里叶变换将数据的时域信号转变为频域信号，去除5Hz以上高频信号后利用傅里叶逆变换返还滤波后的时域信号；波浪识别模块将浮子加速度感应器获取的垂向加速度信号连续积分得到运动的位移信号，再通过快速傅里叶变换获得外部波浪主频率；智能调频模块通过实时迭代求解调谐多液柱阻尼器的尺度参数，使之固有频率与外部波浪频率相一致；应急处理模块在检测到浮式风机转动角、位移异常时，采取应急措施；作动控制器采用电力驱动，通过开关电源控制抽水泵和吸水泵运作，并分别通过控制转动轴和滑轮的正负旋转调节移动舱壁和多孔介质层的位置，从而实时保持调谐多液柱阻尼器的自振周期与外部波浪一致，从而实现阻尼器效果的最大化；所述的抽水泵和吸水泵连接液体储存器和调谐多液柱阻尼器，在智能调频模块的控制下调整各垂直管道内的平均水位即内液柱的长度；推杆由转动轴固定在垂直管道外壁面上，利用旋转推动移动舱壁，推杆与移动舱壁之间用随动轴进行连接，从而改变垂直管道的截面积Av；滑轮通过吊绳控制多孔介质层的高度。
优选的，所述的垂直管道和水平管道分别为3个。
进一步的，所述的阻尼液体的质量为浮式风机本体总质量的1％至5％。优选的，所述的阻尼液体的质量为浮式风机本体总质量的2％。
进一步的，所述的波高仪在长度方向上贯穿整个垂直管道3，其长度至少不小于垂直管道的长度。优选的，所述的波高仪在长度方向上贯穿整个垂直管道3，其长度为32m。进一步的，所述的智能调频模块通过实时迭代求解调谐多液柱阻尼器的尺度参数，使之固有频率与外部波浪频率相一致，所述的固有频率为：
Figure BDA0003723678740000021
式中，Av和 Ah分别为垂直管道和水平管道的截面面积，Lv和Lh分别为垂直管道和水平管道的液柱长度， g为重力加速度；其中Av的大小可通过调节移动舱壁进行调节，Lv的液柱长度可通过抽水泵和吸水泵进行调节。
进一步的，所述的应急处理模块，在检测到浮式风机转动角大于10°、位移大于8m时采取以下应急措施：将一种多孔介质层沉入垂直管道中。
具体的，所述的多孔介质层采用含一定数量孔洞的弹性可压缩固体材料，其孔洞的边界包括支柱或平板。
优选的，所述的多孔介质层采用压缩成块状的尼龙丝线的制品。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明针对浮式风机平台空间布局，能够识别外界风浪环境的激励参数，智能地调整阻尼器的自振频率，从而有效提升风电机组发电效率，降低结构疲劳损伤，保证浮式风机的使用寿命。
1.本发明的智能调频模块利用浮子感应器识别外部波浪的激励频率，通过控制可移动式舱壁位置和垂直液柱高度实现对调谐多液柱阻尼器固有频率的智能实时调节，在维持阻尼器高阻尼性能的同时，拓宽了其减振频带，克服了传统阻尼设备减振频带单一的缺陷。
2.本发明的阻尼系统还配有应急处理模块，利用多孔介质涡流紊动耗能的性质以抑制极端风浪条件下的风机大幅度摆动，提高了海上浮式风机的稳定性和安全性，降低了风机运行和维护成本。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的结构示意图。
图2是本发明的一种实施例的智能调谐多液柱阻尼器系统的示意图。
图3是本发明半主动式调谐多液柱阻尼器示意图。
图中，1-浮式风机本体、2-调谐多液柱阻尼器、3-垂直管道、4-水平管道、5-阻尼液体、6-波高仪、7-浮子加速度感应器、8-倾角传感器、9-位移感应器、10-抽水泵、11-吸水泵、12- 滑轮、13-推杆、14-吊绳、15-转动轴、16-随动轴、17-移动舱壁、18-多孔介质层、19-载重块、 20-液体储存器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1至图3所示，一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，包括浮式风机本体1、以及设置在浮式风机本体上的智能调谐多液柱阻尼器系统，该系统包括调谐多液柱阻尼器2、数据采集器、信号处理器和作动控制器，其电源由风机平台自身发电系统提供。调谐多液柱阻尼器2设置于浮式风机本体1的下部，包括多个数目相同、相互连通的垂直管道3和水平管道4，优选设置为三个垂直管道3和水平管道4。所述的垂直管道3和水平管道4内具有阻尼液体5。阻尼液体5一般选用易于取材的海水，也可选用其他具有不同密度和粘性的液体作为备选，其质量为浮式风机本体1总质量的1％至5％，优选值为2％，确保不影响浮式风机本体1的自身惯性。
数据采集器包括波高仪6、浮子加速度感应器7、倾角传感器8、位移感应器9，三个波高仪6分别安装在垂直管道3内部用于监测三个液柱的液位变化，目的是获取调谐多液柱阻尼器2实时提供的阻尼力周期。波高仪在长度方向上贯穿整个垂直管道3，其长度至少不小于垂直管道的长度，优选长度为32m；浮子加速度感应器7漂浮于水中，用于测量浮式风机本体1外部波浪频率；倾角传感器8和位移感应器9安装于浮式风机本体1的顶部，用于获取浮式风机本体1的实时位移和转动数据。
数据采集器将调谐多液柱阻尼器2内液柱高度、外部波浪频率、浮式风机转动和位移的实时数据传递给信号处理器。
信号处理器包括高频滤波模块、波浪识别模块、智能调频模块、应急处理模块。水域的液位变化、波浪激励和平台响应都属于低频运动，而所传递的数据中往往存在高频信号的干扰，因此高频率波模块首先通过快速傅里叶变换将数据的时域信号转变为频域信号，去除5Hz 以上高频信号后利用傅里叶逆变换返还滤波后的时域信号；波浪识别模块将浮子加速度感应器7获取的垂向加速度信号连续积分得到运动的位移信号，再通过快速傅里叶变换可获外部波浪主频率；智能调频模块通过实时迭代求解调谐多液柱阻尼器2的尺度参数，使之固有频率与外部波浪频率相一致，调谐多液柱阻尼器2的固有频率为：
Figure BDA0003723678740000041
式中， Av和Ah分别为垂直管道3和水平管道4的截面面积，Lv和Lh分别为垂直管道3和水平管道4 的液柱长度，g为重力加速度，其中Av的大小可通过调节移动舱壁17进行调节，Lv的液柱长度可通过抽水泵10和吸水泵11进行调节；应急处理模块在检测到浮式风机转动角大于10°位移大于8m后采取应急措施，将多孔介质层18沉入垂直管道3中，利用涡流紊动耗散整个浮式风机本体1的机械能，起到应急保护的作用。
作动控制器采用电力驱动，通过开关电源控制抽水泵10和吸水泵11运作，此外，作动控制器分别通过控制转动轴15和滑轮12的正负旋转调节移动舱壁17和多孔介质层18的位置，实时保持调谐多液柱阻尼器2的自振周期与外部波浪一致，从而实现阻尼器效果的最大化，抽水泵10和吸水泵11连接液体储存器20和调谐多液柱阻尼器2，受智能调频模块的控制以调整三个垂直管道3内的平均水位，即垂直管道3内液柱的长度Lv；推杆13由转动轴 15固定在垂直管道3的外壁面上，利用旋转推动移动舱壁17，推杆13与移动舱壁17之间用随动轴16进行连接，目的是改变垂直管道3的截面积Av；滑轮12通过吊绳14控制多孔介质层18的高度，多孔介质层18为含一定数量孔洞的弹性可压缩固体材料，孔洞的边界由支柱或平板构成，本发明中选用压缩成块状的尼龙丝线制成，通常情况下多孔介质层18位于液柱水面以上5m，随着浮式风机本体1运动的加剧，多孔介质层18的高度不断下降，其耗能效果随着浸水体积增加而不断上升，抑制浮式风机本体1的大幅度运动。
综上所述，本发明的一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，能够识别外部海浪条件，通过智能调频系统调节阻尼器自身的固有频率，实现对宽频海浪谱激励下浮式风机平台的运动控制，其应急处理模块可有效抑制极端风浪条件下的风机大幅度摆动；此外，该智能调谐多液柱阻尼器方向性好、施工方便、建造成本低，仅通过少量能量输入即可实现智能调频功能，为海上浮式风机的减振抑摇提供了有效、可行的新途径。

Claims (10)

1.一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，其特征在于，包括浮式风机本体(1)、以及设置在浮式风机本体(1)上的智能调谐多液柱阻尼器系统；所述的智能调谐多液柱阻尼器系统包括调谐多液柱阻尼器(2)、数据采集器、信号处理器和作动控制器；
所述的调谐多液柱阻尼器(2)设置于浮式风机本体(1)的下部，包括多个相互连通、内部具有阻尼液体(5)的垂直管道(3)和水平管道(4)；
所述的数据采集器，包括波高仪(6)、浮子加速度感应器(7)、倾角传感器(8)和位移感应器(9)；在每个垂直管道(3)内部均安装一个所述的波高仪(6)；浮子加速度感应器(7)漂浮于水中；倾角传感器(8)和位移感应器(9)分别安装于浮式风机本体(1)的顶部；数据采集器将调谐多液柱阻尼器(2)内液柱高度、外部波浪频率、浮式风机转动和位移的实时数据传递给信号处理器；
所述的信号处理器，包括高频滤波模块、波浪识别模块、智能调频模块和应急处理模块；高频率波模块通过快速傅里叶变换将数据的时域信号转变为频域信号，去除5Hz以上高频信号后利用傅里叶逆变换返还滤波后的时域信号；波浪识别模块将浮子加速度感应器(7)获取的垂向加速度信号连续积分得到运动的位移信号，再通过快速傅里叶变换获得外部波浪主频率；智能调频模块通过实时迭代求解调谐多液柱阻尼器(2)的尺度参数，使之固有频率与外部波浪频率相一致；应急处理模块在检测到浮式风机转动角、位移异常时，采取应急措施；
作动控制器采用电力驱动，通过开关电源控制抽水泵(10)和吸水泵(11)运作，并分别通过控制转动轴(15)和滑轮(12)的正负旋转调节移动舱壁(17)和多孔介质层(18)的位置，从而实时保持调谐多液柱阻尼器(2)的自振周期与外部波浪一致，从而实现阻尼器效果的最大化；所述的抽水泵(10)和吸水泵(11)连接液体储存器(20)和调谐多液柱阻尼器(2)，在智能调频模块的控制下调整各垂直管道(3)内的平均水位即内液柱的长度；推杆(13)由转动轴(15)固定在垂直管道(3)外壁面上，利用旋转推动移动舱壁(17)，推杆(13)与移动舱壁(17)之间用随动轴(16)进行连接，从而改变垂直管道(3)的截面积Av；滑轮(12)通过吊绳(14)控制多孔介质层(18)的高度。
2.根据权利要求1所述的一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，其特征在于，所述的垂直管道(3)和水平管道(4)分别为3个。
3.根据权利要求1所述的一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，其特征在于，所述的阻尼液体(5)的质量为浮式风机本体(1)总质量的1％至5％。
4.根据权利要求1或3所述的一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，其特征在于，所述的阻尼液体(5)的质量为浮式风机本体(1)总质量的2％。
5.根据权利要求1所述的一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，其特征在于，所述的波高仪(6)在长度方向上贯穿整个垂直管道3，其长度至少不小于垂直管道的长度。
6.根据权利要求1或5所述的一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，其特征在于，所述的波高仪(6)在长度方向上贯穿整个垂直管道3，其长度为32m。
7.根据权利要求1所述的一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，其特征在于，所述的智能调频模块通过实时迭代求解调谐多液柱阻尼器(2)的尺度参数，使之固有频率与外部波浪频率相一致，所述的固有频率为：
Figure FDA0003723678730000021
式中，Av和Ah分别为垂直管道(3)和水平管道(4)的截面面积，Lv和Lh分别为垂直管道(3)和水平管道(4)的液柱长度，g为重力加速度；其中Av的大小可通过调节移动舱壁(17)进行调节，Lv的液柱长度可通过抽水泵(10)和吸水泵(11)进行调节。
8.根据权利要求1所述的一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，其特征在于，所述的应急处理模块，在检测到浮式风机转动角大于10°、位移大于8m时采取以下应急措施：将一种多孔介质层(18)沉入垂直管道(3)中。
9.根据权利要求8所述的一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，其特征在于，所述的多孔介质层(18)采用含一定数量孔洞的弹性可压缩固体材料，其孔洞的边界包括支柱或平板。
10.根据权利要求8或9所述的一种具有智能调谐多液柱阻尼器系统的浮式风机，其特征在于，所述的多孔介质层(18)采用压缩成块状的尼龙丝线的制品。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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