CN115306858A - 用于结构的运动吸收系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于结构的运动吸收系统和方法，包括将容器联接到结构。该容器具有设置在其中的液体，其中在该液体的表面上方限定出空缺部。弹性元件定位在液体中。弹性元件具有调谐到阻尼液体运动的固有频率。

Description

用于结构的运动吸收系统和方法
本申请是2021年4月30日提交的序列号为17/290,518的美国申请的部分继续申请，该美国申请要求2019年11月4日提交的国际申请PCT/US2019/059628的优先权，该国际申请要求2018年11月2日提交的美国临时专利申请62/754,699的优先权。
发明来源
本文所述的发明是根据NASA合同并由美国政府的雇员在执行工作时做出的，并受公法96-517(35U.S.C.§202)的规定的约束，并且可以由政府制造和使用以用于政府用途而无须为此或因此而支付任何特许权使用费。
技术领域
本发明涉及运动吸收系统和方法。更具体地，本发明是用于经受由外部环境引起的振荡运动的结构的运动吸收系统和方法，如漂浮在水体上的结构的情况。
背景技术
各种结构必须能够承受由结构所在的环境引起的运动。例如，桥梁和建筑物必须能够承受风和/或地面运动引起的运动。驳船、轮船、油气或风力涡轮机平台等水上浮动结构必须能够承受由海流、波浪和/或风引起的运动。不幸的是，当结构设计师/工程师必须完全依赖基于静力学的机械设计来实现可承受运动的结构时，设计通常过于复杂、成本过高和/或过于沉重，无法使其实用或在商业上可行。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供用于结构的运动吸收系统和方法。
本发明的另一个目的是提供可用于现有或新结构的运动吸收系统和方法。
本发明的又一个目的是提供运动吸收系统和方法，其可用于阻尼由结构所在的环境引起的结构的运动。
本发明的又一个目的是提供用于漂浮在水体上的各种结构的运动吸收系统和方法。
本发明的其它目的和优点将在下文的说明书和附图中变得更加明显。
根据本发明，提供用于结构的运动吸收系统和方法。容器联接到结构。该容器具有设置在其中的液体，其中在该液体的表面上方限定出空缺部。弹性元件定位在液体中。弹性元件具有调谐到阻尼液体运动的固有频率。
附图说明
本发明的其它目的、特征和优点将在参考以下优选实施例的描述和附图时变得明显，其中对应的附图标记在附图的几个视图中表示对应的部分，并且其中：
图1是根据本发明的一个实施例的用于结构的运动吸收系统的示意图；
图2是根据本发明的另一个实施例的利用浮动结构的压载舱的用于浮动结构的运动吸收系统的示意图；
图3是根据本发明的另一个实施例的用于浮动结构的运动吸收系统的示意图，其中多个运动吸收器被配置为用于它们之间的流体连通；
图4是根据本发明的一个实施例的采用设置在吸收器液体中的管的单个运动吸收器的孤立示意图；
图5是根据本发明的另一个实施例的采用设置在吸收器液体中的变径管的单个运动吸收器的孤立示意图；
图6是根据本发明的另一个实施例的采用设置在吸收器液体中并联接到吸收器容器的波纹管的单个运动吸收器的孤立示意图；
图7是根据本发明的另一个实施例的采用设置在吸收器液体中的气囊的单个运动吸收器的孤立示意图；
图8是根据本发明的另一个实施例的用于浮动结构的运动吸收系统的示意图，其被配置为具有与周围水体流体连通的运动吸收器的弹性元件；
图9是根据本发明的另一个实施例的用于浮动结构的运动吸收系统的示意图，其被配置为具有与周围水体流体连通的、来自多个运动吸收器的弹性元件；
图10是根据本发明的另一个实施例的用于浮动结构的运动吸收系统的示意图，该浮动结构的多个压载舱被配置为与周围水体流体连通的多个运动吸收器；
图11是根据本发明的另一个实施例的用于浮动结构的运动吸收系统的示意图，该浮动结构的多个压载舱被配置为与周围水体流体连通的多个运动吸收器，并且其多个运动吸收器进一步被配置为在它们之间进行流体连通；
图12是根据本发明的一个实施例的用于浮动结构的运动吸收系统的示意图，其在与周围水体流体连通的运动吸收器的开口端处采用水活塞；
图13是根据本发明的另一个实施例的用于浮动结构的运动吸收系统的示意图，其在与周围水体流体连通的运动吸收器的开口端处采用弹性隔膜；
图14是根据本发明的另一个实施例的用于浮动结构的运动吸收系统的示意图，其在与周围水体流体连通的运动吸收器的开口端处采用波纹管；
图15是根据本发明的另一个实施例的用于浮动结构的运动吸收系统的示意图，其在与周围水体流体连通的运动吸收器的开口端处采用气囊；
图16是浮动海上风力涡轮机(FOWT)平台的透视图，其上安装有风力涡轮机并具有根据本发明的改进的调谐质量阻尼器(TMD)系统；
图17是图16中所示的FOWT平台的一部分的局部剖视放大图；
图18是图16和17中所示的FOWT平台的替代剖视图；
图19是具有根据本发明的改进的TMD系统的第二实施例的半潜式FOWT平台的俯视平面图；
图20是沿图19的线20-20截取的剖视图；
图21是具有根据本发明的改进的TMD系统的第三实施例的张力腿FOWT平台的俯视平面图；
图22是沿图21的线22-22截取的剖视图；
图23是根据本发明的具有改进的TMD系统的第四实施例的翼梁(spar)型FOWT平台的俯视平面图；
图24是沿图23的线24-24截取的剖视图；
图25是图19和10中所示的改进的TMD系统的第二实施例的放大剖视图；
图26是图21和22中所示的改进的TMD系统的第三实施例的放大剖视图；和
图27是图23和24中所示的改进的TMD系统的第四实施例的放大剖视图。
具体实施方式
现在参考附图，更具体地参考图1，示出了根据本发明的实施例的用于结构100的运动吸收系统，该运动吸收系统总体上用数字10表示。结构100可以是经受由结构100所处的环境引起的运动(例如，摇摆、振动、俯仰、滚动、起伏等)的任何结构。结构100的所引起的运动基本上被运动吸收系统10吸收，该运动吸收系统将在下文中简称为运动吸收器10。通常，运动吸收器10与结构100联接并阻尼该结构100的由环境引起的运动。
运动吸收器10包括容器12，该容器与结构100的一部分联接，使得结构100的由环境引起的运动被施加到容器12。容器12通常是刚性的并且可以由用于结构100的相同或不同材料制成而不脱离本发明的范围。设置在容器12内的是液体14，其表面16与容器12的顶部间隔开，从而在液体表面16上方限定出空缺部18。液体14的选择不是对本发明的限制。施加到容器12的由环境引起的结构100的运动最终被传递到液体14，该液体继而在容器12内经历其自身的运动。
设置在液体14内的是弹性元件20，其作用是阻尼液体14的运动，作为阻尼由环境引起的结构100的运动的手段。通常，弹性元件20用作定位在大体积流体(即，液体14)内的工程可压缩自由度，其在容器12内捕获的流体质量用作从属或阻尼质量。弹性元件20具有调谐到阻尼容器12内的液体14的运动的固有频率。以这种方式，运动吸收器10通过产生调谐质量阻尼器效应来改变所引起的结构100的运动特性。运动吸收器10的调谐可以针对所关注的特定频率进行定制。
一个或多个运动吸收器10可以联接到结构100。多个吸收器可以针对不同的频率进行调谐，以提供更广泛的运动吸收谱。多个吸收器的放置和/或取向也可以用于阻尼多个维度上的运动。一个或多个运动吸收器10可以是添加到现有结构的独立单元，或者可以集成到新结构中。在一些应用中，本发明可以利用现有结构的特征以便随时并入其中。例如并且如下文将进一步解释的，本发明很容易结合到具有压载舱的浮动结构中，压载舱中装有压载水。这种浮动结构包括驳船、轮船、用于支撑石油/天然气钻机的浮动平台、风力涡轮机、浮标等。
现在参考图2，浮动结构200示出为漂浮在可以是河流、湖泊、海洋等的水体500中。与大多数浮动结构的典型情况一样，一个或多个压载舱212设置在浮动结构212中并且刚性结合到浮动结构中。每个压载舱212可用于提供上述容器12的功能。因此，通过在压载水214中包含弹性元件220，可以将压载舱212中的压载水214用作根据本发明产生的运动吸收器的从属质量。压载水214的表面以216表示，其中空缺部218被限定在压载水表面216上方。每个压载舱运动吸收器的调谐可以根据特定应用的需要进行定制。
在不脱离本发明的范围的情况下，结构的多个运动吸收器(即，静态的或浮动的)可以独立操作或可以联接以彼此依赖。例如，如图3所示，上述浮动结构200的压载舱运动吸收器中的两个通过管道230彼此流体连通。管道230可提供两个空缺部218之间、弹性元件220的两个气室(未示出)之间或者气室与空缺部两者之间的流体连通。在两个或更多个运动吸收器之间提供流体连通基本上联接了吸收器的从属质量。结果，位于不同压载舱中的从属质量可以动态地联接在一起，从而允许单独的从属质量成分协同工作以缓和整体系统动力学。本质上，管道在位于结构的不同部段中的压载从属质量之间提供了方便的运动连接。
在不脱离本发明的范围的情况下，在本发明的运动吸收器中使用的弹性元件(例如，20或220)可以以多种方式构造。图4-7中示出了几个非限制性示例，并将在下面进行描述。在每个示例中，单独示出了单个运动吸收器10。在包括图4-7所示的那些的本发明的所有实施例中，弹性元件提供了一种结构布置形式，该结构布置形式允许系统的流体质量被弹起并用作缓和质量。即，本发明的弹性元件在更大的流体质量(例如，14或214)内引入小的扫掠体积，而不是像常规吸收器的情况那样在吸收器内捕获大的运动缓和质量。随着弹性元件分别膨胀或压缩，较大的流体质量将自然地朝向或远离弹性元件流动。以这种方式，非常小的弹性元件将大得多的流体质量用作从属质量。这种情况非常有利，因为可以使用比常规方法小得多的系统来实现期望量的利用质量。对于在装置外部可利用的流体明显多于装置内实际捕获的流体的应用而言，尤其如此。在运动或振动吸收方面，吸收器使用较大的流体质量实质上将液体运动模式分开得更远，并降低了其合成峰值的响应。
首先参考图4，弹性元件20包括具有封闭端31和开口端32的管30。管30设置在液体14中，使得液体14的活塞33驻留在管30中，从而密封开口端32。在不脱离本发明的范围的情况下，管30可以完全浸没在液体14中(如图所示)或部分浸没在液体14中。气体34(例如空气)填充管30的在活塞33和封闭端31之间的区域。在容器12中的液体14运动期间，活塞33在其在管30中向上移动时尺寸/质量增加，并且在其在管30中向下移动时尺寸/质量减小，如双箭头35所示。由此产生的气体34的压缩/膨胀充当吸收/阻尼液体14的运动的弹簧。为了使气体弹簧的衰减最大化，限流器36可以设置在管30中以控制气体34在管30的在活塞33和封闭端31之间的区域中的运动。管30可以通过将管30联接到容器12的支撑件37支撑在容器12中。尽管不是必需的，但支撑件37可以将管30定位在液体14中，使得管的纵向轴线38大致垂直于液体表面16。
通常，当运动吸收器10暴露于振动能量时，液体14对这种能量起反应，使得表面16在容器12中上下移动，如双箭头15所示。对应于表面16的上下移动，活塞33的尺寸在表面16向下移动时增大，而在表面16向上移动时减小。由于管30的开口端32联接到液体14，因此气体34形成具有单一自由度的可压缩气体阻尼器。在所示实施例中，可压缩气体阻尼器的单一自由度与表面16的上/下运动大致一致。
活塞33中振动引起的增量变化触发反应流体质量或从属质量，该流体质量或从属质量很好地延伸到液体14中，即在管30的开口端32和表面16之间延伸。由液体14提供的从属质量的反应对抗由气体34限定的可压缩气体阻尼器。从属质量是将活塞33联接到液体14的反应质量。使用牛顿物理学的基本定律和质量方程的守恒(例如，使用计算流体动力学或有限元方法进行分析的拉格朗日或欧拉方法)，管30的体积和直径被设计为在液体14中产生期望幅度的从属质量，其以期望频率(即，要被阻尼的频率)谐振，从而将可压缩气体阻尼器联接到液体14。
接下来参考图5，示出了基于管的弹性元件20的另一个实施例。在图5的实施例中，弹性元件20包括允许其在整个扩展频率范围内被调谐的若干设计选项。直径相对较小的管40的封闭端由密封的充气室41限定，其开口端42由液体14的活塞43密封。气体44填充活塞43和气室41之间的管40的区域。类似于图4中描述的实施例，活塞43向上和向下移动，与表面16的对应移动相反，如双箭头45所示。限流器46可以设置在管40中。弹性元件可以通过支撑件47支撑在容器12中。
充气室41和限流器46的组合增强了运动吸收器的可调谐性。充气室41用作气动弹簧，而限流器46限制进出充气室41的气体流速。充气室41的容积可用于控制可压缩气动弹簧刚度以调节弹性元件的固有频率，而限流器46确定固有阻尼。取决于实施例的性能目标和实际架构，限流器46可以沿着内部气体流动路径定位在任何点处。直径相对较小的管40的尺寸可以设计成允许弹性元件20用作亥姆霍兹谐振器以控制初级阻尼质量的频率。这种设计特征的主要优点是管40的较小直径内接的高速气体用作附加质量项，从而降低弹性元件的谐振频率。
可以改变管40的直径和长度以调节弹性元件的动态响应特性。例如，与气体速度放大器49连接的扩径室或扩散器48可以设置在活塞43附近。管40内的气体44的速度由活塞43的位移以及扩散器48的横截面积与管40的横截面积之间的比率控制。扩散器48的扩展区域也可用于增加开口端42中所含流体的质量，从而增加活塞43的横截面积和管40内的气体速度。
本发明不限于管型弹性元件。例如，图6示出了利用密封波纹管50的运动吸收器10，该密封波纹管设置在液体14中并联接到容器12。气体54可以密封在波纹管50内以有助于由波纹管结构提供弹簧力。在其它实施例中，波纹管可以被抽空，使得波纹管本身的刚度和/或内部定位的弹簧提供弹簧力。在其它实施例中，气体、波纹管本身和内部弹簧的组合可以提供弹簧力。一个或多个波纹管50可以安装在容器12的底部和/或侧面上。当液体表面16如双箭头15所示上下移动时，波纹管50分别经历膨胀和压缩，如双箭头55所示。这种膨胀和压缩利用液体14提供的从属质量来阻尼液体14的运动。容器12中的多个波纹管50的布置形式可以设计成捕获液体14的从属质量，该从属质量是恒定的并且独立于容器12中液体14的运动。
图7示出了根据本发明的另一个运动吸收器10，其采用填充有气体64的气囊。如图所示，气囊60可以联接到容器12或者可以被配置为在液体14内具有中性浮力。不管液体表面16是上下移动还是左右移动，球囊60都能够经历如双箭头65所示的各种尺寸的膨胀和压缩。
应当理解，在本发明的运动吸收器中可以采用多种其它类型的弹性元件。例如，弹性元件可以使用柔性隔膜或滚动膜构成。
对于一些应用，本发明的运动吸收系统可以利用由结构所在的环境提供的非常大的从属质量。例如，设计为漂浮在水体上的结构可以被配置为具有一个或多个运动吸收器，这些运动吸收器利用周围的水体作为吸收器的从属质量。因此，图8说明了设置在水体500上的浮动结构200，其中单个运动吸收器70联接到结构200，图9说明了使用联接到浮动结构200的多个运动吸收器70。在每种情况下，运动吸收器70可以被配置为联接到现有的浮动结构，或者可以被配置为在其初始设计/建造期间集成到浮动结构中。
运动吸收器70包括联接到浮动结构200的容器72以及由容器72支撑并处于容器72内的弹性元件74。弹性元件74与水体500流体连通并在容器72内捕获一定体积的气体76。作用在弹性元件74上的水500中的水运动使弹性元件压缩气体76或使气体在容器76内膨胀，从而引起气体76的压力变化。在吸收器70的所有实施例中，弹性元件的质量被最小化，从而最小化其对动态系统的寄生贡献。同时，最小质量的弹性元件74利用水500中的非常大的、非寄生的从属质量。
如图10所示，本发明可以结合到使用压载舱的现有浮动结构中，其中压载舱212用作上述运动吸收器的容器72。弹性元件74定位在压载舱212中以与水体500流体连通并将气体76捕获在压载舱212中。当将多个运动吸收器连接在浮动结构中时，图11示出了管道240以提供两个或更多个体积的气体76之间的流体连通，从而联接两个或更多个运动吸收器。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以以多种方式构造用于运动吸收器70的弹性元件74。图12-15中示出了几个非限制性示例，并将在下面进行描述。在每个示例中，单独示出了单个运动吸收器70。
首先参考图12，容器72在其置于水500中的端部73处开口，使得吸收器的弹性元件包括水500的活塞80，该活塞密封开口端73，从而将气体76捕获在容器72中。当水500的表面502如双箭头504所示上下移动(由于风、水流和/或波浪作用)时，由于气体76用作活塞80上的弹簧，使得水活塞80如双箭头85所示在容器72中上下移动。由于水活塞80与水500邻接，因此活塞80利用大质量的水500作为弹性元件的从属质量84。如果弹性元件被设计成最小化水活塞80的质量，则运动吸收器70的寄生重量对浮动结构200的影响最小。通过改变由气体76提供的弹簧力，可以提供加压气体源82以用于运动吸收器70的调谐。
现在参考图13，示出了运动吸收器70的另一个实施例，其中柔性隔膜90用于密封置于水500中的容器72的开口端73。当隔膜90根据水500的运动而弯曲(如双箭头95所示)进出容器72时，捕获体积的气体76向隔膜90施加弹簧力。再一次，运动吸收器的从属质量94由水500提供。隔膜90可以通过多种结构来实现，包括滚动隔膜、柔性隔膜等，而不脱离本发明的范围。
其它类型的柔性装置可用于容器72的开口端，用于与水体500流体连通。例如，图14示出了密封容器72的开口端73的波纹管92，而图15示出了密封容器72的开口端73的气囊96。在这两种情况下，柔性装置利用来自周围水体500的大从属质量94。
本发明的各种实施例特别适用于“浮动式海上风力涡轮机”(FOWT)平台。本发明对FOWT平台的示例性应用在图16-27中示出并且将在下面进一步描述。
下面公开的本发明的实施例总体上提供了对各种类型的FOWT平台的改进，例如驳船型平台、潜型或半潜型平台、翼梁浮标型平台和张力腿型平台。本发明包括FOWT平台，其具有改进的调谐质量阻尼器系统，以减少操作期间的运动和载荷。
如本文所用，术语平行定义为处于与地平线基本平行的平面中。术语竖向定义为基本上垂直于地平面。
参考附图，特别是图16至18，具有改进的调谐质量阻尼器(TMD)系统1034的FOWT平台1010的第一实施例被示出为部署在水体BW中并锚固到海床(未示出)。图示的FOWT平台1010是驳船型平台的一个实施例并且包括支撑塔架1014的基础或船体1012。塔架1014支撑风力涡轮机1016。船体1012是半潜式的，并且被构造和配置为在水体BW中半潜地漂浮。因此，当船体1012漂浮在水体BW中时，船体1012的一部分将在水面之上。如图所示，船体1012的一部分位于水线WL下方。如本文所用，水线WL被定义为水的表面与FOWT平台1010相遇处的近似线。常规的系泊线(未示出)可以附接到FOWT平台1010并且进一步附接到海床(未示出)中的锚(未示出)以限制FOWT平台1010在水体BW上的移动。
如所示实施例中所示，船体1012由四个船体腿1018形成，这四个船体腿1018从基石1020径向向外延伸并提供浮力。船体1012因此基本上是十字形的。内部或中心柱1022安装到基石1020，并提供安装塔架1014的平台。或者，船体1012可包括三个船体腿1018或多于四个的船体腿1018。在所示实施例中，船体腿1018具有在约10m至约75m范围内的长度，这取决于安装的商用风力涡轮机的尺寸。
尽管驳船型FOWT平台1010的船体1012是十字形的，但应理解改进的TMD系统1034可用于具有其它船体形状的驳船型平台，包括但不限于具有矩形、正方形、圆形、椭圆形和其它几何形状的船体。
在本文所示的实施例中，风力涡轮机1016是水平轴风力涡轮机。或者，风力涡轮机可以是常规的竖向轴风力涡轮机(未示出)。涡轮机1016的尺寸将基于FOWT平台1010被锚固的位置处的风况和期望的功率输出而变化。例如，涡轮机1016可具有约10MW的输出。或者，涡轮机1016可具有在从约1MW至约20MW范围内的输出。
风力涡轮机1016可以是常规的，并且可以包括可旋转的轮毂1024。至少一个转子叶片1026联接到轮毂1024并从轮毂1024向外延伸。轮毂1024可旋转地联接到发电机(未示出)。发电机可以通过变压器(未示出)和水下电力电缆(未示出)联接到电网(未示出)。在所示实施例中，轮毂1024具有三个转子叶片1026。在其它实施例中，轮毂1024可具有多于或少于三个的转子叶片1026。
如图17和18所示，基石1020包括限定上表面的上壁1020A、下壁1020B，并进一步限定具有四个径向向外延伸的基石腿1030的中心腔1028。每个腿1030包括端壁1030A，端壁1030A限定了与四个船体腿1018附接的大致竖向的连接面1032。或者，基石1020可包括三个基石腿1030或多于四个的基石腿1030，对应于船体腿1018的数量。
常规的TMD是与动态体集成的机构，其使用内部或外部质量并通过弹簧和阻尼器连接到动态体。阻尼器用于通过将阻尼器设置为异相响应并以不期望的响应的频率来减少动态体中的不期望的响应，该过程通常称为调谐质量阻尼。TMD的固有频率可以通过选择用于阻尼器和动态体之间的连接的质量和刚度的组合来进行调谐。阻尼器的相位可以通过调节质量阻尼器和动态体之间的连接中的阻尼来进行调谐。有利地，本文描述和图示的TMD的实施例使用船体中的水压舱室中的现有水，例如船体腿1018中的水或船体腿1018外部的水，来作为质量，使用加压空气作为弹簧，以及将孔口配置为用于调谐阻尼。
图16至18中所示的改进的TMD系统1034包括第一或低频TMD1036以及第二或高频TMD1038。低频TMD1036形成在每个船体腿1018的外侧端，并且包括第一水压舱室1040，第一水压舱室1040具有居中定位且纵向延伸的第一阻尼管1042，第一阻尼管1042从第一水压舱室1040的上端朝向第一水压舱室1040的下端延伸，但终止于第一水压舱室1040的底板上方。
第一阻尼管1042可以具有在大约1m至大约20m范围内的直径、封闭的第一端1042A(当查看图17和18时的上端)以及开口的第二端1042B(当查看图17和图18时的下端)。低频压力室1044位于船体腿1018中。在所示实施例中，低频压力室1044位于第一水压舱室1040附近。或者，低频压力室1044可位于船体腿1018中的其它期望位置。第一连接管1046在低频压力室1044和第一阻尼管1042的上部之间延伸。
类似地，高频TMD1038形成在每个船体腿1018的内侧端，并且包括第二水压舱室1048，该第二水压舱室1048具有居中定位且纵向延伸的第二阻尼管1050，第二阻尼管1050从第二水压舱室1048的上端朝向下端延伸，但终止于第二水压舱室1048的底板上方。第二阻尼管1050的直径可显著大于第一阻尼管1042的直径，例如在约1m至约20m的范围内，第二阻尼管1050可具有封闭的第一端1050A(查看图17和18时的上端)和开口的第二端1050B(查看图17和18时的下端)。高频压力室1052也位于船体腿1018中。在所示实施例中，高频压力室1052位于第二水压舱室1048附近并且位于第一水压舱室1040下方。或者，高频压力室1052可位于船体腿1018中的其它期望位置。第二连接管1054在高频压力室1052和第二阻尼管1050的上部之间延伸。
通风管1056安装到每个船体腿1018的上部外表面。每个通风管1056具有多个连接通风管1058，以连接第一水室1040和第二水室1048中的每一个，每个通风管1056的开口端终止于中心柱1022内。在图示的实施例中，两个连接通风管1058与第一水室1040和第二水室1048中的相应一个连接并连通。通风管1056的内侧端连接到中心柱1022内的中心通风毂1060。通风管1056和连接通风管1058将第一水室1040和第二水室1048中的每一个通风到大气。
低频压力腔1044和高频压力腔1052内的气压可以在大约1.0psi到大约50.0psi的范围内，但是优选地，高频压力腔1052内的气压大于低频压力室1044内的气压。低频压力室1044和高频压力室1052中的每一个内的气压是可定制的，并且可以由FOWT平台1010内的空气压缩机(未示出)设定和改变。
第一水室1040和第二水室1048可以与压载泵(未示出)或用于泵送或移动水的其它装置流体连通，从而允许第一水室1040和第二水室1048填充有水，并根据需要改变其中的水体积。
第一连接管1046和第二连接管1054可在第一连接管1046和第二连接管1054中的每一个内设置有可调节孔口，分别以1047和1055示意性地示出。可调节孔口1047和1055的内直径可以根据需要进行调节，即，要么变大要么变小，以主动控制加压空气从低频压力室1044到第一阻尼管1042的流动以及从高频压力室1052到第二阻尼管1050的流动。可手动或远程调节可调节孔口1047和1055。因此，可以在低频TMD1036和高频TMD1038内保持期望的频率。例如，低频压力室1044和高频压力室1052内的频率优选地在约0.03Hz至约0.33Hz的范围内。优选地，高频TMD1038的频率大于低频TMD1036的频率。因此，高频TMD1038和低频TMD1036的阻尼特性可以通过分别改变通过第二连接管1054和第一连接管1046的气流速率来控制和调节。
更具体地，TMD1036和1038均可以被主动控制以缓和在一定频率范围内操作期间由风、水流和波浪载荷引起的FOWT平台运动和载荷的不利影响。
例如，TMD系统1034可以设置有安装在FOWT平台1010中的任何期望位置处的控制器。优选地，作为风力涡轮机1016的部件提供的控制器用作TMD1034的控制器。然而应当理解，用于控制TMD系统1034的操作的控制器可以独立于风力涡轮机1016的控制器。
再次参考图18，可调节孔口1047和1055可以配备有传感器，例如位置传感器，其被配置为在操作期间感测孔口1047和1055的尺寸，并将感测到的位置传送给控制器.或者，可以使用其它类型的传感器，包括但不限于流体流量传感器，以在操作期间测量通过孔口1047和1055的流体流量，并将感测到的流体流量传送到控制器。低频压力室1044和高频压力室1052中的每一个都可以配备有压力传感器，该压力传感器被配置为在操作期间感测压力室1044和1052中的气压，并将感测到的压力传送给控制器。
此外，船体1012可以包括传感器阵列，其被配置为感测海况变化并将感测到的海况变化传送给控制器。可以在船体1012上提供的海况传感器的示例包括但不限于加速度计、倾角计和其它角位置传感器、以及称重传感器。来自该海况变化传感器阵列的数据被传送到控制器。控制器内的算法分析接收到的数据，然后：(1)通过分别改变压力室1044和1052中的气压来改变TMD1036和1038的刚度；和/或(2)通过分别改变孔口1047和1055的尺寸，从而改变通过第一连接管1046和第二连接管1054的空气流量，来改变TMD1036和1038的阻尼频率。
在操作中，低频TMD1036和高频TMD1038中的每一个可以基于FOWT船体的几何形状和期望缓和的期望频率来进行调谐。有利地，FOWT平台1010的TMD系统1034可用于缓和两个或更多个频率下的运动。如图18中最佳所示，可以在低频TMD1036的低频压力室1044中建立期望气压。该期望气压将通过第一连接管1046传送到第一阻尼管1042，从而确定第一阻尼管1042内的水位。第一阻尼管1042中的水推压第一阻尼管1042中的加压空气，因此起到弹簧的作用。因为低频TMD1036形成在每个船体腿1018的外侧端并沿竖向取向，所以其提供了更大的利用，并且更有效地缓和了船体1012的横倾，或者减少了船体1012的旋转运动。
类似地，可以在高频TMD1038的高频压力室1052中建立期望气压。该期望气压将通过第二连接管1054传送到第二阻尼管1050，从而确定第二阻尼管1050内的水位。第二阻尼管1050中的水推压第二阻尼管1050中的加压空气，因此起到弹簧的作用。因为高频TMD1038形成在每个船体腿1018的内侧端，并且沿竖向取向，所以更有效地缓和上下运动，即船体1012的竖向运动。
图19和20示出了半潜式FOWT平台1062，其具有改进的TMD系统的第二实施例，以1070示意性地示出。半潜式FOWT平台1062包括三个浮力梁1064、位于每个梁1064的外侧端处的竖向外柱1066以及位于FOWT平台1062中心的竖向中心柱1068。上梁1065可以在中心柱1068的上端和每个外柱1066的上端之间延伸。如图20所示，TMD系统1070包括水室1072和具有孔口阻尼器1074的压力室。在所示实施例中，每个梁1064在其中具有水平取向的TMD系统1070，并且每个柱1066和1068在其中具有竖向取向的TMD系统1070。
图21和22示出了张力腿FOWT平台1076，其具有改进的TMD系统的第三实施例，以1084示意性地示出。张力腿FOWT平台1076包括三个浮力梁1080以及位于FOWT平台1076中心的竖向中心柱1078。柔性的且不透水的隔膜1082形成在每个梁1080的下表面中并与张力腿FOWT平台1076部署在其中的水1086接触。如图22所示，TMD系统1084包括隔膜1082和具有孔口阻尼器1084的压力室。代替水室的是，作用于隔膜1082的水1086用作用于TMD1084的质量。隔膜1082可响应于压力室1084中的气压而移动。在所示实施例中，每个梁1080在其中具有竖向取向的TMD系统1084。
图23和24示出了翼梁型FOWT平台1086，其具有改进的TMD系统的第四实施例，以1094示意性地示出。翼梁型FOWT平台1086包括基座1090和从基座向外向上延伸的竖向桅杆1092。如图24所示，TMD系统1094与TMD系统1070基本相同，并且包括水室1096和具有孔口阻尼器1098的压力室。在所示实施例中，TMD系统1094在基座1090内水平取向。
现在参考图25，示出了TMD系统1070的一个示例。TMD系统1070示出为处于竖向外柱1066内。然而，应当理解，TMD系统1070可以形成在任何梁1064和竖向中心柱1068中。TMD系统1070包括水压舱室1100和压力室1102。阻尼管1104在水压舱室1100和压力室1102之间延伸并且具有孔口，该孔口限定了形成在其中的用于控制阻尼管1104内的加压空气量的孔口阻尼器1106。阻尼管1104的直径可以在大约1m到大约20m的范围内。
通风管1108在水压舱室1100和柱1066外部的大气之间延伸，从而使水压舱室1100与大气通风。
现在参考图26，示出了TMD系统1084的一个示例。TMD系统1084示出为处于半潜式FOWT平台1062的水平梁1064内。然而，应当理解，TMD系统1084也可以形成在TMD系统1094的基座1090中。TMD系统1084包括水压舱室1110和压力室1112。阻尼管1114在水压舱室1110和压力室1112之间延伸并且具有孔口，该孔口限定了形成在其第一端(当查看图26时最右端)中的孔口阻尼器1116，以用于控制阻尼管1114内的加压空气量。柔性的且不透水的隔膜1118形成在阻尼管1114中，靠近其第二端(查看图26时的最左端)。隔膜1118可响应于阻尼管1114中的气压、抵抗由阻尼管1114中的水施加的力而移动。阻尼管1114的直径可以在大约1m到大约20m的范围内。
现在参考图27，示出了TMD系统1094的一个示例。TMD系统1094示出为处于张紧腿FOWT平台1076的梁1080内。TMD系统1094包括具有孔口的压力室1120，该孔口限定了形成在其中的孔口阻尼器1122，以控制压力室1120内的加压空气量。柔性的且不透水的隔膜1124形成在压力室1120的一端并将压力室1120与梁1080外部的水隔开。隔膜1124可响应于压力室1120中的气压、抵抗由水体BW中的水施加的力而移动。
尽管在张力腿FOWT平台的上下文中进行了描述，但本文描述的TMD系统1094可以配置为与本文描述和图示的FOWT平台的任何实施例一起使用。
有利地，本文描述和图示的TMD系统1034的任何实施例可用于以设计驱动FOWT平台响应和特性为目标，包括但不限于：(1)系统横倾角，其中TMD系统的动态横倾角是典型的设计驱动标准，其不仅会影响FOWT结构设计的稳健性，而且通常会影响浮动式海上平台结构设计的稳健性。在FOWT平台的船体中实施诸如TMD系统1034之类的质量阻尼器技术已被证明可以减少动态横倾运动。横倾运动的减少与船体1012、塔架1014和安装在其上的风力涡轮机1016中的各种结构部件的疲劳和极限载荷的减少相关；(2)系统起伏运动，其中在FOWT平台中使用TMD将减少对平台的起伏(竖向)运动的响应。这可以使FOWT船体的设计减少对涡轮机和环境载荷频率的关注；(3)涡轮谐波强迫，其中与叶片旋转相关的涡轮谐波载荷导致的疲劳损坏是风力涡轮机塔架设计中的突出考虑因素。因为这种疲劳发生在已知频率，所以TMD可用于缓和载荷并因此改善疲劳性能；以及(4)因波浪环境引起的响应，其中FOWT平台船体内的TMD可设定为以波浪频率响应为目标并因此可以缓和与波浪相关的动态和结构响应。
尽管已经相对于其特定实施例描述了本发明，但是鉴于以上教导，对于本领域技术人员来说，存在许多变化和修改将是显而易见的。因此应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以以不同于具体描述的方式实施。

Claims (56)

1.一种运动吸收系统，其包括：
适于漂浮在水体上的结构；
联接到所述结构的容器，所述容器中设置有液体，其中在所述液体的表面上方限定出空缺部；和
设置在所述液体中的弹性元件，所述弹性元件的固有频率调谐到用以阻尼由作用在所述结构上的水体中的水运动引起的所述液体的运动。
2.根据权利要求1所述的运动吸收系统，其中所述弹性元件包括具有封闭端和开口端的管，所述管固定地定位在所述液体中，所述管具有驻留在所述管中以密封所述开口端的所述液体的活塞，其中气体在所述活塞和所述管的所述封闭端之间填充所述管，所述管包括设置在所述管中的限流器，使得当所述气体经历压缩时和当所述气体经历膨胀时，所述气体穿过所述限流器。
3.根据权利要求2所述的运动吸收系统，其中所述管的直径沿着所述管的长度是变化的。
4.根据权利要求2所述的运动吸收系统，其中所述管的纵向轴线大致垂直于所述液体的所述表面。
5.根据权利要求1所述的运动吸收系统，其中所述弹性元件选自包括设置在所述液体中的波纹管和设置在所述液体中的气囊的组。
6.根据权利要求1所述的运动吸收系统，其中所述弹性元件联接到所述容器。
7.根据权利要求1所述的运动吸收系统，其中所述容器包括所述结构的压载舱。
8.一种用于结构的运动吸收系统，其包括：
适于联接到结构的容器，所述容器中设置有液体，其中在所述液体的表面上方限定出空缺部；和
设置在所述液体中的弹性元件，所述弹性元件的固有频率调谐到用以阻尼所述液体的运动。
9.根据权利要求8所述的运动吸收系统，其中所述弹性元件包括具有封闭端和开口端的管，所述管固定地定位在所述液体中，所述管具有驻留在所述管中以密封所述开口端的所述液体的活塞，其中气体在所述活塞和所述管的所述封闭端之间填充所述管，所述管包括设置在所述管中的限流器，使得当所述气体经历压缩时和当所述气体经历膨胀时，所述气体穿过所述限流器。
10.根据权利要求9所述的运动吸收系统，其中所述管的直径沿着所述管的长度是变化的。
11.根据权利要求9所述的运动吸收系统，其中所述管的纵向轴线大致垂直于所述液体的所述表面。
12.根据权利要求8所述的运动吸收系统，其中所述弹性元件选自包括设置在所述液体中的波纹管和设置在所述液体中的气囊的组。
13.根据权利要求8所述的运动吸收系统，其中所述弹性元件联接到所述容器。
14.根据权利要求8所述的运动吸收系统，其中所述结构漂浮在水体上，并且其中所述容器包括压载舱。
15.一种运动吸收系统，其包括适于联接到结构的多个运动吸收器，每个所述运动吸收器包括
适于联接到结构的容器，所述容器中设置有液体，其中在所述液体的表面上方限定出空缺部；和
设置在所述液体中的弹性元件，所述弹性元件的固有频率调谐到用以阻尼所述液体的运动。
16.根据权利要求15所述的运动吸收系统，其中所述弹性元件包括具有封闭端和开口端的管，所述管固定地定位在所述液体中，所述管具有驻留在所述管中以密封所述开口端的所述液体的活塞，其中气体在所述活塞和所述管的所述封闭端之间填充所述管，所述管包括设置在所述管中的限流器，使得当所述气体经历压缩时和当所述气体经历膨胀时，所述气体穿过所述限流器。
17.根据权利要求16所述的运动吸收系统，其中所述管的直径沿着所述管的长度是变化的。
18.根据权利要求16所述的运动吸收系统，其中所述管的纵向轴线大致垂直于所述液体的所述表面。
19.根据权利要求15所述的运动吸收系统，其中所述弹性元件选自包括设置在所述液体中的波纹管和设置在所述液体中的气囊的组。
20.根据权利要求15所述的运动吸收系统，其中所述弹性元件联接到所述容器。
21.根据权利要求15所述的运动吸收系统，其中所述容器包括压载舱。
22.根据权利要求15所述的运动吸收系统，其还包括与所述运动吸收器中的至少两个流体连通的管道。
23.一种吸收结构所经历的运动的方法，所述方法包括以下步骤：
将至少一个刚性容器联接到一结构，所述结构设置在能够引起所述结构运动的环境中，其中每个所述刚性容器中设置有液体，并且其中在所述液体的表面上方限定出空缺部；和
将弹性元件定位在设置于每个所述刚性容器内的所述液体中，每个所述弹性元件的固有频率调谐到用以阻尼由环境引起的所述液体的运动。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述定位步骤包括以下步骤：
提供具有封闭端和开口端的管；和
将所述管固定地定位在所述液体中，其中所述液体的活塞驻留在所述管中以密封所述开口端，并且其中气体在所述活塞和所述管的所述封闭端之间填充所述管，所述管包括设置在所述管中的限流器，使得当所述气体经历压缩时和当所述气体经历膨胀时，所述气体穿过所述限流器。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述固定定位所述管的步骤包括将所述管的纵向轴线对准成大致垂直于所述液体的所述表面的步骤。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述定位步骤选自包括将波纹管定位在所述液体中和将气囊定位在所述液体中的组。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述定位步骤包括将所述弹性元件联接到所述容器的步骤。
28.根据权利要求23所述的方法，其中所述环境引起所述结构在多个维度上的所述移动，并且其中所述至少一个刚性容器包括多个刚性容器，在每个所述刚性容器中设置有所述液体并且在每个所述液体中设置有一个所述弹性元件，所述方法还包括布置所述多个刚性容器以阻尼所述结构在所述多个维度上的所述运动的步骤。
29.一种吸收漂浮在水体上的结构所经历的运动的方法，所述方法包括以下步骤：
在水体中提供浮动结构，所述浮动结构包括压载舱，在所述压载舱中设置有压载水，其中在所述压载水的表面上方限定出空缺部；和
将弹性元件定位在所述压载水中，每个所述弹性元件的固有频率调谐到用以阻尼由作用于所述浮动结构上的水体中的水运动引起的所述压载水的运动。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述定位步骤包括以下步骤：
提供具有封闭端和开口端的管；和
将所述管固定地定位在所述压载水中，其中所述压载水的活塞驻留在所述管中以密封所述开口端，并且其中气体在所述活塞和所述管的所述封闭端之间填充所述管，所述管包括设置在所述管中的限流器，使得当所述气体经历压缩时和当所述气体经历膨胀时，所述气体穿过所述限流器。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述固定定位所述管的步骤包括将所述管的纵向轴线对准成大致垂直于所述压载水的所述表面的步骤。
32.根据权利要求29所述的方法，其中所述定位步骤选自包括将波纹管定位在所述压载水中和将气囊定位在所述压载水中的组。
33.根据权利要求29所述的方法，其中所述定位步骤包括将所述弹性元件联接到所述压载舱的步骤。
34.一种与浮动式海上风力涡轮机(FOWT)平台组合的调谐质量阻尼器(TMD)系统，所述浮动式海上风力涡轮机平台包括：
驳船型FOWT平台，其具有船体，所述船体被配置为在所述船体上安装有风力涡轮机塔架；
其特征在于：
TMD系统安装在船体中，具有：
第一TMD，其被配置为以第一频率操作；和
第二TMD，其被配置为以不同于所述第一频率的第二频率操作。
35.根据权利要求34所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一TMD包括限定所述第一TMD的质量的第一水压舱室，并且其中所述第二TMD包括限定所述第二TMD的质量的第二水压舱室。
36.根据权利要求35所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一TMD和第二TMD中的至少一个被配置为缓和驳船型FOWT平台的起伏运动、横倾运动、涡轮机谐波载荷和波浪环境载荷中的至少一种。
37.根据权利要求35所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一TMD和第二TMD中的至少一个被配置为允许所述FOWT平台在其预期的波浪能量范围内以刚体起伏和横倾固有频率有效地操作。
38.一种与浮动式海上风力涡轮机(FOWT)平台组合的调谐质量阻尼器(TMD)系统，所述浮动式海上风力涡轮机平台包括：
FOWT平台，其具有中心、从中心径向延伸的至少三个腿，并且被配置为在所述FOWT平台上安装有风力涡轮机塔架；
其特征在于：
TMD系统，其一部分安装在各个腿中，每个腿具有：
第一TMD，其处于每个腿的外侧端处并被配置为以第一频率操作；和
第二TMD，其处于每个腿的内侧端处并被配置为以不同于所述第一频率的第二频率操作。
39.根据权利要求38所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一TMD包括限定所述第一TMD的质量的第一水压舱室，并且其中所述第二TMD包括限定所述第二TMD的质量的第二水压舱室。
40.根据权利要求39所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一TMD和第二TMD中的至少一个被配置为缓和FOWT平台的起伏运动、横倾运动、涡轮机谐波载荷和波浪环境载荷中的至少一种。
41.根据权利要求39所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一TMD和第二TMD中的至少一个被配置为允许所述FOWT平台在其预期的波浪能量范围内以刚体起伏和横倾固有频率有效地操作。
42.根据权利要求38所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述FOWT平台是具有船体的驳船型平台，所述船体包括基石和附接到所述基石上的四个腿，并且所述船体限定了十字形形状。
43.根据权利要求42所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一TMD和第二TMD中的至少一个被配置为缓和FOWT平台的起伏运动、横倾运动、涡轮机谐波载荷和波浪环境载荷中的至少一种。
44.根据权利要求43所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一TMD和第二TMD中的至少一个被配置为允许所述FOWT平台在其预期的波浪能量范围内以刚体起伏和横倾固有频率有效地操作。
45.根据权利要求39所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中每个第一TMD还包括：
每个腿内的第一压力室，其连接到加压空气源并具有比大气压力大的气压；
第一阻尼管，其具有封闭的第一端和开口的第二端，第一端附接到第一水压舱室的上端，第一阻尼管朝向第一水压舱室的底板延伸，使得第二端与第一水压舱室的底板间隔一段距离；和
第一连接管，其在第一压力室和第一阻尼管的上部之间延伸，第一连接管被配置为用于加压空气流过第一连接管。
46.根据权利要求45所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中每个第二TMD还包括：
每个腿内的第二压力室，其连接到加压空气源并具有比第一压力室内的气压大的气压；
第二阻尼管，其具有封闭的第一端和开口的第二端，第一端附接到第二水压舱室的上端，第二阻尼管朝向第二水压舱室的底板延伸，使得第二端与第二水压舱室的底板间隔一段距离；和
第二连接管，其在第二压力室和第二阻尼管的上部之间延伸，第二连接管被配置为用于加压空气流过第二连接管。
47.根据权利要求46所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中第一连接管和第二连接管包括可调节孔口，并且其中所述可调节孔口的内直径是可调节的，以用于主动控制分别来自第一压力室和第二压力室的加压空气的流动。
48.根据权利要求47所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述TMD系统还包括：
控制器，其附接到FOWT平台；
海况传感器，其安装到FOWT平台并与控制器可操作地连接；
位置传感器，其连接到第一连接管和第二连接管内的各个可调节孔口，并且可操作地连接到控制器；和
压力传感器，其连接到第一压力室和第二压力室中的每一个，并且可操作地连接到控制器；
其中控制器被配置为基于来自海况传感器的输入主动控制第一TMD和第二TMD的操作频率。
49.根据权利要求48所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中第一TMD和第二TMD的操作频率的主动控制包括以下方式中的至少一种：通过相应地改变第一压力室和第二压力室中的气压，来改变第一TMD和第二TMD的刚度；以及通过改变第一连接管和第二连接管内的可调节孔口的尺寸从而改变通过第一连接管和第二连接管的气流体积，来改变第一TMD和第二TMD的阻尼频率。
50.根据权利要求47所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一压力室被配置为低频压力室，所述第二压力室被配置为高频压力室。
51.根据权利要求50所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一TMD被配置为缓和所述船体的横倾和/或减少所述船体的旋转运动。
52.根据权利要求51所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第二TMD被配置为缓和所述船体的上下竖向运动。
53.一种被配置为用于浮动式海上风力涡轮机(FOWT)平台的调谐质量阻尼器(TMD)系统，所述浮动式海上风力涡轮机平台包括：
浮力基座，其具有从该基座向外和向上延伸的塔架，所述塔架被配置为在所述塔架上安装有风力涡轮机；
其特征在于：
TMD安装在基座中并且包括：
形成在所述基座内的压力室，所述压力室连接到加压空气源并具有比大气压力大的气压；
形成在所述压力室中的孔口阻尼器；和
柔性的且不透水的隔膜，其安装在所述压力室和水体之间，FOWT平台部署在所述水体中，水推压所述隔膜以限定TMD的质量。
54.根据权利要求53所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述FOWT平台为翼梁型FOWT平台。
55.一种与浮动式海上风力涡轮机(FOWT)平台组合的调谐质量阻尼器(TMD)系统，所述浮动式海上风力涡轮机平台包括：
半潜型FOWT平台，其具有中心、从中心径向延伸的至少三个腿、中心柱、在所述至少三个腿中的每一个的远端处的外柱，并且被配置为在所述中心柱上安装有风力涡轮机塔架；
其特征在于：
TMD系统安装在FOWT平台中，并且包括安装在每个腿中的水平取向的第一TMD和安装在每个柱中的竖向安装的第二TMD；
其中每个腿中的第一TMD包括限定第一TMD的质量的第一水压舱室，并且其中每个柱中的第二TMD包括限定第二TMD的质量的第二水压舱室；并且
其中第一TMD和第二TMD中的每一个能够被配置为以不同的频率操作。
56.根据权利要求54所述的与FOWT平台组合的TMD系统，其中所述第一TMD和第二TMD中的至少一个被配置为缓和FOWT平台的起伏运动、横倾运动、涡轮机谐波载荷和波浪环境载荷中的至少一种；并且其中所述第一TMD和第二TMD中的至少一个被配置为允许所述FOWT平台在其预期的波浪能量范围内以刚体起伏和横倾固有频率有效地操作。
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