CN115596800B - 一种漂浮式风机减振装置及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海上风力发电技术领域，尤其涉及一种漂浮式风机减振装置及实现方法。包括阻尼装置、柔性连接件、活动支座、挑板和侧板；所述挑板的一端焊接在塔筒壁上，挑板的另一端端部与侧板固定；所述阻尼装置的一侧通过柔性连接件与塔筒壁上设有的耳板铰接，阻尼装置的另一侧通过柔性连接件与侧板铰接，所述阻尼装置通过活动支座与挑板固定连接，阻尼装置可以随塔筒振动而运动耗能减振。本发明是一种具备高效吸振耗能的特点，更适合应对漂浮式风机振动的漂浮式风机减振装置。
Description
技术领域
本发明属于海上风力发电技术领域，尤其涉及一种漂浮式风机减振装置及实现方法。
背景技术
近年来,为了能有效应对我国能源结构转型的战略要求,兑现“碳达峰、碳中和”承诺,以风电为主的清洁能源正在飞速发展,并且逐渐取代了传统的化石能源，风电现已成为了我国能源结构中的重要组成部分。我国海岸线较长且海域面积较大，海上风能资源十分丰富，可供开发风能储量约达7.5亿千瓦。根据《中国2030年能源电力发展规划研究及2060年展望》报告预测，海上风电新增装机量将再次攀升，市场发展潜力巨大，前景广阔。
随着机组容量不断增大，大型风电机组所受的载荷更加复杂，塔筒与叶片之间的非线性振动耦合效应增强，风机机组振动特征更为明显，如果振动幅度过大，就会加剧机械构件疲劳损伤，降低各部件的使用寿命、影响风机的正常运行，甚至导致机组倒塌，极大地损害风机系统的可靠性并威胁其安全。为了解决这一技术难题，专家学者近几年来一直开展风电设施振动控制技术方面的研究。例如，专利(专利号CN201020593903.2)公开了一种基于TLCD(调谐液体柱型阻尼器)的风力发电高塔振动控制系统，该专利将TLCD安装在机舱中，借助TLCD的U形管内的粘滞液体晃动产生控制力，可减少和控制水平方向的振动。然而，由于风机机舱内齿轮箱、发电机、刹车装置等设备众多，使得阻尼器安装空间受限，导致将阻尼器安装在机舱内部不好实现。另外，机舱内安装有一定质量的阻尼器，会产生附加偏心矩，对结构产生不利影响。研究者们也对阻尼器的合适安装位置进行了一些有益的探索，比如，发明专利(专利号CN202110697771.0)公开了一种单桩式海上浮式风机减振控制结构，该专利在基础平台外设置钢桁架，在钢桁架内放置调谐质量阻尼器进行振动控制，避免了阻尼器质量产生的附加偏心矩问题，但该装置每个格构钢桁架的TMD只能对结构某一方向的激振产生作用，而实际工程中浮式风机往往受到风、浪、流等随机不同方向的荷载作用，所以减振效果不好充分发挥。
众所周知，TMD(调谐质量阻尼器)利用附加质量的振动来耗散能量，TMD的性能很大程度取决于其设备的参振质量，过大的设备质量经济效益低，更重要的是在结构中附加质量也会导致附加的动力效应。因此，研究者们试图寻求质量更轻、性能更优的振动控制装置，其中将惯容器应用到振动控制领域就是一个很好的思路。实践表明，惯容器可以上百倍地增加参振系统的虚拟质量。因此，尝试探索一种耗能增益的减振装置，将惯容器和阻尼元件相结合，利用较小的质量产生较大的惯性力，可以有效解决浮式风机振动控制问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种漂浮式风机减振装置及实现方法，以解决现有技术中调谐质量阻尼器性能很大程度取决于其设备的参振质量，但是过大的设备质量经济效益低，并且在结构中附加质量也会导致附加的动力效应以及实际工程中浮式风机往往受到风、浪、流等随机不同方向的荷载作用，所以减振效果不好充分发挥的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体步骤如下：
一种漂浮式风机减振装置，包括阻尼装置、柔性连接件、活动支座、挑板和侧板；所述挑板的一端焊接在塔筒壁上，挑板的另一端端部与侧板固定；所述阻尼装置的一侧通过柔性连接件与塔筒壁上设有的耳板铰接，阻尼装置的另一侧通过柔性连接件与侧板铰接，所述阻尼装置通过活动支座与挑板固定连接，阻尼装置可以随塔筒振动而运动耗能减振。
进一步地，所述减振装置在挑板上呈中心对称分布设置，在实际工程中根据所布置的风机平台振型与固有频率不同，所处区域工作水深与风速不同，所位于海域的浪、流条件等海况不同，在同一水平面处减振装置数量不做限制，并且可在塔筒内多处进行减振装置的安装。
进一步地，所述阻尼装置包括主液压缸、活塞杆和次级液压缸；主液压缸通过液压接头与次级液压缸连通，主液压缸下部的设有输液阀，输液阀可供安装时液体的输入与封存，所述阻尼装置的主液压缸内充满粘滞液体；所述次级液压缸之间通过液压接管连通；所述活塞杆中间设有活塞，活塞杆与活塞固定，活塞位于主液压缸内。
进一步地，所述主液压缸的两侧对称设有导向槽，导向槽的外侧设有连接板，连接板用于与柔性连接件进行连接。
进一步地，所述活塞杆的两侧设有上下对称分布的四块安装于主液压缸的限位钢板，限位钢板用于限制活塞杆，限位钢板远离活塞的一端设有密封圈，密封圈用于防止漏液发生；活塞杆两侧端部设有缓冲垫，当活塞杆运动时，两端的缓冲垫与减振弹簧发生接触，防止活塞杆与主液压缸直接发生碰撞，有效延长装置的使用寿命。
进一步地，所述活塞在主液压缸内运动空间大于活塞杆在主液压缸内的运动空间，保证活塞不会与主液压缸及其内部液压接头和输液阀产生碰撞。
进一步地，所述次级液压缸内设有细长的螺旋盘管用于流通粘滞液体，所述部螺旋盘管的管径与长度根据实际情况进行设计可以改变其输出阻尼力的大小，次级液压缸与液压接管可单独拆卸进行安装更换与定期维检。
进一步地，所述次级液压缸材质可以是钢质，或者轻质的碳纤维增强复合材或玻璃纤维增强复合材料其中的一种，并且次级液压缸根据使用要求布置为一个或多个。
进一步地，所述所述活动支座包括上支承板、下支承板和球铰，上支承板安装在主液压缸底部，下承压板安装在挑板之上，球铰上部嵌于上支承板下表面的垂直槽型轨道上，下部嵌于下支承板上表面的水平槽型轨道上，轨道可供阻尼装置在有效范围内既能在水平方向运动，又能在垂直方向运动，上支承板、下支承板两端分别设置上限位板、下限位板，以防球铰运动过程中脱离轨道。
本发明中粘滞液体可选用二甲基硅油，密度为930～975kg/m3，动态粘度一般在10～3×105cst之间，并且可以通过链终止剂的相对用量来调节粘度。除二甲基硅油外也可以采取使用其它类型阻尼介质的方案，阻尼介质需满足以下几点要求：(1)粘度较好(2)化学稳定性强(3)可压缩性低(4)液体粘度对温度敏感性差(5)不燃、不挥发、无毒和抗老化性能。
本发明提供的一种漂浮式风机减振装置，其具体实现方法为：当风机和基础平台在复杂海洋环境作用下发生振动时，塔筒壁一侧的柔性连接件牵引阻尼装置在活动支座上进行往复运动，从而带动活塞杆水平运动，活塞两侧产生油压，驱动主液压缸内一侧的粘滞液体流入螺旋盘管，由于螺旋盘管直径远小于主液压缸直径，管道内流体速度相比活塞速度得以放大，加速后的粘滞液体流向主液压缸另一侧从而产生阻尼力，耗散结构振动的能量。到下个周期时，粘滞液体被活塞推动流入螺旋盘管再回到主液压缸内初始的一侧，如此循环往复，以抑制风机的振动。
且综上所述，由于采用了上述技术方案，发明的有益技术效果是：
本发明提供的一种漂浮式风机减振实现方法，是基于一种漂浮式风机减振装置实现的：当风机和基础平台在复杂海洋环境作用下发生振动时，塔筒壁一侧的柔性连接件牵引阻尼装置在活动支座上进行往复运动，从而带动活塞杆水平运动，活塞两侧产生油压，驱动主液压缸内一侧的粘滞液体流入螺旋盘管，经螺旋盘管加速后的粘滞液体流向主液压缸另一侧从而产生阻尼力，耗散结构振动的能量。到下个周期时，粘滞液体被活塞推动流入螺旋盘管再回到主液压缸内初始的一侧，如此循环往复，以抑制风机的振动。
本发明提供的一种漂浮式风机减振装置及实现方法，也可适用于陆地和海上风机的其他基础形式。特别是海上漂浮式风机受到海洋环境和运动响应复杂，振动问题更为突出，本装置具备高效吸振耗能的特点，更适合应对漂浮式风机的振动问题。
附图说明
图1为本发明一种漂浮式风机减振装置的塔筒内主视图。
图2为本发明一种漂浮式风机减振装置的塔筒内俯视图。
图3为本发明一种漂浮式风机减振装置的阻尼装置侧视图。
图4为本发明一种漂浮式风机减振装置的阻尼装置主视图。
图5为本发明一种漂浮式风机减振装置的活动支座俯视图。
图6为本发明一种漂浮式风机减振装置的活动支座立面图。
图中：阻尼装置1，柔性连接件2，活动支座3，挑板4，侧板5，主液压缸6，活塞杆7，次级液压缸8，螺旋盘管9，液压接管10，液压接头11，连接板12，限位钢板13，密封圈14，缓冲垫15，减振弹簧16，输液阀17，上支承板18，下承压板19，球铰20，上限位板21，下限位板22，塔筒壁23，活塞24。
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式的一种漂浮式风机减振装置，它包括阻尼装置1、柔性连接件2和活动支座3。在塔筒壁上焊接挑板4，在挑板4的端部焊接或者螺栓连接侧板5，所述阻尼装置1通过其中一侧柔性连接件2与塔筒壁23上焊接的耳板螺栓连接，通过另一侧柔性连接件2与侧板5连接，所述阻尼装置1通过活动支座3与挑板4固定连接，阻尼装置1可以随塔筒振动而运动耗能减振。
结合图1和图2所示，所述减振装置在风机塔筒内一处水平面的挑板4上呈中心对称分布设置，需要说明的是，图示实施例中采用了单层布置四个减振装置的实施方法，在实际工程中根据所布置的风机平台振型与固有频率不同，所处区域工作水深与风速不同，所位于海域的浪、流条件等海况不同，在同一水平面处减振装置数量不做限制，并且可在塔筒内多处进行安装。
结合图3和图4所示，所述阻尼装置1的主液压缸6内充满粘滞液体，通过液压接头11与次级液压缸8连通，主液压缸6下部的输液阀17可供安装时液体的输入与封存，阻尼装置1两端内侧设置有减振弹簧16，阻尼装置1两端外侧有对称设计的连接板12，用于与柔性连接件2进行连接。
本发明中粘滞液体可选用二甲基硅油，密度为930～975kg/m3，动态粘度一般在10～3×105cst之间，并且可以通过链终止剂的相对用量来调节粘度。除二甲基硅油外也可以采取使用其它类型阻尼介质的方案，阻尼介质需满足以下几点要求(1)粘度较好(2)化学稳定性强(3)可压缩性低(4)液体粘度对温度敏感性差(5)不燃、不挥发、无毒和抗老化性能。
优选的方案中，所述次级液压缸8材质可以是钢质，或者轻质的碳纤维增强复合材或玻璃纤维增强复合材料等，根据使用要求布置为一个或多个。
结合图3和图4所示，所述次级液压缸8之间通过液压接管10连通，次级液压缸8内设有细长的螺旋盘管9用于流通粘滞液体，次级液压缸8与液压接管10可单独拆卸进行安装更换与定期维检。
由于阻尼器的阻尼力与惯容系数直接相关，惯容系数与活塞横截面积、螺旋盘管长度成正比，与螺旋盘管的横截面积成反比，可以根据实际情况对内部螺旋盘管的管径与长度进行优化设计改变其输出阻尼力的大小。
以具体一实施实例举例说明，设计的减振装置中，阻尼器的参数如下：主液压缸长度0.8m，内粘滞液体的密度为950kg/m3，活塞横截面积0.126m2，螺旋盘管长度12m，横截面为0.008m2，阻尼器总质量为52kg，计算得出的惯容系数为22623.3kg，即减振装置参与的质量22623.3kg，明显可以看出，该装置可以使用较小的物理质量(52kg)产生较大的参振质量(22623.3kg)，放大了435倍，从而实现惯性增效的目的。为了能更好提升减振效果，通过以下方式改变减振装置的惯容系数(增加参振质量)，从而增大阻尼力：(1)增大活塞横截面积2倍，见工况2；(2)增加螺旋盘管长度2倍，见工况3；(3)减少螺旋盘管的横截面积1/2，见工况4。各工况计算的惯容系数见下表。
从上表可以看出，本设计中的减振装置能有效放大参振质量，产生较大的惯性力，提高减振效果。通过4种工况结果对比分析也可以看出，增加活塞横截面积、增加螺旋盘管长度、减少螺旋盘管截面积均可以提高惯容系数，其中增加活塞横截面积效果最为明显，但增加活塞横截面积，主液压缸直径也必然增加，导致设备质量体积和质量增加，占用塔筒内更多空间，不便于安装维护。优选的方案中，可根据海上漂浮式风机的动力特性数值分析结果，对内部螺旋盘管的管径与长度进行优化设计，改变其输出阻尼力的大小，以满足风机的振动要求。
结合图3和图4所示，所述活塞杆7中间设有活塞24与之固定，活塞24位于主液压缸6内，阻尼装置1的活塞杆7两侧有上下对称分布的四块安装于主液压缸6的限位钢板13限制位置，限位钢板13处设有密封圈14，防止漏液发生。活塞杆7两侧端部设有缓冲垫15，当活塞杆7运动时，两端的缓冲垫15与减振弹簧16发生接触，防止活塞杆7与主液压缸6直接发生碰撞，有效延长装置的使用寿命。具体设计方案中要确保活塞24在主液压缸6内运动空间大于活塞杆7在主液压缸6内的运动空间，以保证活塞24不会与主液压缸6及其内部液压接头11和输液阀17产生碰撞。
结合图5和图6所示，所述活动支座3包括上支承板18、下支承板19和球铰20，上支承板18安装在主液压缸6底部，下承压板19安装在挑板4之上，球铰20上部嵌于上支承板18下表面的垂直槽型轨道上，下部嵌于下支承板19上表面的水平槽型轨道上，可供阻尼装置1在有效范围内既能在水平方向运动，又能在垂直方向运动，上、下承压板两端分别设置上限位板21、下限位板22，以防球铰20运动过程中脱离轨道。
本发明提供的一种漂浮式风机减振装置，其具体实现方法为：当风机和基础平台在复杂海洋环境作用下发生振动时，塔筒壁23一侧的柔性连接件2牵引阻尼装置1在活动支座3上进行往复运动，从而带动活塞杆7水平运动，活塞24两侧产生油压，驱动主液压缸6内一侧的粘滞液体流入螺旋盘管9，由于螺旋盘管直径远小于主液压缸直径，管道内流体速度相比活塞24速度得以放大，加速后的粘滞液体流向主液压缸6另一侧从而产生阻尼力，耗散结构振动的能量。到下个周期时，粘滞液体被活塞24推动流入螺旋盘管9再回到主液压缸6内初始的一侧，如此循环往复，以抑制风机的振动。
以上所述为发明的较佳实施例，并不用以限制发明，凡在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种漂浮式风机减振装置，其特征在于：包括阻尼装置(1)、柔性连接件(2)、活动支座(3)、挑板(4)和侧板(5)；所述挑板(4)的一端焊接在塔筒壁(23)上，挑板(4)的另一端端部与侧板(5)固定；所述阻尼装置(1)的一侧通过柔性连接件(2)与塔筒壁(23)上设有的耳板铰接，阻尼装置(1)的另一侧通过柔性连接件(2)与侧板(5)铰接，所述阻尼装置（1）通过活动支座(3)与挑板(4)固定连接，阻尼装置(1)可以随塔筒振动而运动耗能减振；所述阻尼装置(1)包括主液压缸(6)、活塞杆(7)和次级液压缸(8)；主液压缸(6)通过液压接头(11)与次级液压缸(8)连通，主液压缸(6)下部的设有输液阀(17)，输液阀(17)可供安装时液体的输入与封存，所述阻尼装置(1)的主液压缸(6)内充满粘滞液体；所述次级液压缸(8)之间通过液压接管(10)连通；所述活塞杆(7)中间设有活塞(24)，活塞杆(7)与活塞(24)固定，活塞(24)位于主液压缸(6)内；所述活塞杆(7)的两侧设有上下对称分布的四块安装于主液压缸(6)的限位钢板(13)，限位钢板(13)用于限制活塞杆(7)，限位钢板(13)远离活塞(24)的一端设有密封圈(14)，密封圈(14)用于防止漏液发生；活塞杆(7)两侧端部设有缓冲垫(15)，当活塞杆(7)运动时，两端的缓冲垫(15)与减振弹簧(16)发生接触，防止活塞杆(7)与主液压缸(6)直接发生碰撞；所述次级液压缸(8)内设有细长的螺旋盘管(9)用于流通粘滞液体，所述螺旋盘管(9)的管径与长度根据实际情况进行设计，次级液压缸(8)与液压接管(10)可单独拆卸进行安装更换与定期维检。
2.根据权利要求1所述的一种漂浮式风机减振装置，其特征在于：所述减振装置(1)在挑板(4)上呈中心对称分布设置，且可在塔筒内多处进行减振装置(1)的安装。
3.根据权利要求1所述的一种漂浮式风机减振装置，其特征在于：所述主液压缸(6)的两侧对称设有导向槽，导向槽的外侧设有连接板(12)，连接板(12)用于与柔性连接件(2)进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种漂浮式风机减振装置，其特征在于：所述活塞(24)在主液压缸(6)内运动空间大于活塞杆(7)在主液压缸(6)内的运动空间，保证活塞(24)不会与主液压缸(6)及其内部液压接头(11)和输液阀(17)产生碰撞。
5.根据权利要求1所述的一种漂浮式风机减振装置，其特征在于：所述次级液压缸(8)材质为钢质，或者轻质的碳纤维增强复合材料或玻璃纤维增强复合材料其中的一种，并且次级液压缸(8)根据使用要求布置为一个或多个。
6.根据权利要求1所述的一种漂浮式风机减振装置，其特征在于：所述活动支座(3)包括上支承板(18)、下支承板(19)和球铰(20)，上支承板(18)安装在主液压缸(6)底部，下承压板(19)安装在挑板(4)之上，球铰(20)上部嵌于上支承板(18)下表面的垂直槽型轨道上，下部嵌于下支承板(19)上表面的水平槽型轨道上，轨道可供阻尼装置(1)在有效范围内既能在水平方向运动，又能在垂直方向运动，上支承板(18)、下支承板(19)两端分别设置上限位板(21)、下限位板(22)，以防球铰(20)运动过程中脱离轨道。
7.采用如权利要求1-6任意一项所述的一种漂浮式风机减振装置的实现方法为：当风机和基础平台在复杂海洋环境作用下发生振动时，塔筒壁(23)一侧的柔性连接件(2)牵引阻尼装置(1)在活动支座(3)上进行往复运动，从而带动活塞杆(7)水平运动，活塞(24)两侧产生油压，驱动主液压缸 (6)内一侧的粘滞液体流入螺旋盘管(9)，由于螺旋盘管直径远小于主液压缸直径，管道内流体速度相比活塞(24)速度得以放大，加速后的粘滞液体流向主液压缸(6)另一侧从而产生阻尼力，耗散结构振动的能量；到下个周期时，粘滞液体被活塞(24)推动流入螺旋盘管(9)再回到主液压缸(6)内初始的一侧，如此循环往复，以抑制风机的振动。
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