CN116161185A - 一种自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其包括：塔筒、浮力舱和压载舱，所述浮力舱设有内腔和外腔，所述塔筒穿过内腔与压载舱相连接，所述浮力舱和压载舱之间设有抗拉支座，所述塔筒通过抗拉支座在内腔内水平移动或摆动，所述塔筒和内腔之间设有多个第一弹簧阻尼器，所述外腔内设有横隔板，所述横隔板上设有能够水平移动的重力块，所述重力块与外腔的腔壁之间设有第二弹簧阻尼器，所述压载舱和浮力舱固定连接。与现有技术相比，本发明即消减了风荷载下的主体结构的振动，也消减了基础平台带给主体结构的振动。其次，主体结构的振动能消耗和支撑均由基础平台完成，不需要额外增加质块，节约了材料，降低了工程成本。
Description
技术领域
本发明涉及海上风电制作技术领域，尤其是涉及一种自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台。
背景技术
海上风机的平台主要包括固定式和浮式，固定式平台适合浅海，水深较深的海域则适合采用浮式平台。研究结果表明：在水深大于30m的海域，浮式平台建造成本比固定式平台更低；水深大于50m时，使用浮式平台可大幅提升技术经济指标。公开号为CN110080952B的专利公开了一种海上风电机基础装置，包括：圆柱环和多个弹簧阻尼组；海上风电机基础设置在圆柱环内；多个弹簧阻尼组水平均匀分布在海上风电机基础与圆柱环之间；该海上风电机基础装置通过设置圆柱环和多个弹簧阻尼组，可以显著降低海上风电机基础装置受风力及波浪荷载影响时的动力响应幅值。然而该海上风电机基础装置的塔筒与基础为刚性连接，风荷载以弯矩和水平力的方式传递到基础上，由基础“硬扛”，为提高基础抗倾覆能力，基础结构尺寸需要做得很大(以5MW风机为例，立柱之间的间距达50m)，用钢量也随之提高(达1000t/MW)，基础建造费用昂贵；同时，因为塔筒与基础平台之间为刚性连接，长期动荷载作用下疲劳应力大，疲劳问题突出。其次，圆柱环的轮廓远大于基础本身，造成材料上的极度浪费。第四，当波浪力冲击外面圆柱环时，势必对海上风电机基础的稳定性产生影响，从而影响风机的稳定。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于此，本发明提出一种自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，用以解决现有基础平台的振动容易影响风机的稳定及制作成本高、塔筒与基础为刚性连接容易产生疲劳的问题。
(二)技术方案
本发明为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供一种自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，包括：塔筒、浮力舱和压载舱，所述浮力舱设有内腔和外腔，所述塔筒穿过内腔与压载舱相连接，所述浮力舱和压载舱之间设有抗拉支座，所述塔筒通过抗拉支座在内腔内水平移动或摆动，所述塔筒和内腔之间设有多个第一弹簧阻尼器，所述外腔内设有横隔板，所述横隔板上设有能够水平移动的重力块，所述重力块与外腔的腔壁之间设有第二弹簧阻尼器，所述压载舱和浮力舱固定连接。
优选的，所述浮力舱的外轮廓由上到下逐渐减小。
优选的，所述塔筒内设有加劲隔板，所述加劲隔板位于塔筒的下端。
优选的，所述外腔内设有舱隔板，所述第一弹簧阻尼器、加劲隔板和舱隔板呈一条直线分布。
优选的，所述抗拉支座为球铰支座。
优选的，所述压载舱固定有锚链。
优选的，所述第一弹簧阻尼器包括弹簧和阻尼器，所述弹簧和阻尼器平行设置。
优选的，所述浮力舱设有外壳和内壳，所述内腔位于内壳内，所述外腔设于外壳和内壳之间，所述第二弹簧阻尼器的一端与内壳相连接。
优选的，所述重力块的下端转动设置有滚轮，所述滚轮沿横隔板滚动。
优选的，所述浮力舱、压载舱和塔筒均由UHPC和高性能海沙混凝土制成。
(三)有益效果
本发明的自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台有如下的优点：本发明即消减了风荷载下的主体结构的振动，也消减了基础平台带给主体结构的振动。具体为：第一，通过在塔筒和基础平台之间设置第一弹簧阻尼器和抗拉支座，主体结构的振动能消耗和支撑均由基础平台完成，不需要额外增加质块，节约了材料，降低了工程成本。第二，浮力舱的外腔设置，为重力块和第二弹簧阻尼器的设置提供了空间，有效消耗波浪力对基础平台的冲击，减少能量向塔筒的传递，保证了风机的稳定性。第三，第一弹簧阻尼器和抗拉支座的设置消减了风荷载下的塔筒的振动，重力块和第二弹簧阻尼器的设置消减了波浪力下的塔筒的振动，它们共同作用实现了塔筒的自平衡。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的另一隔视角的结构示意图；
图3为本发明的剖视示意图；
图4为本发明的部分结构示意图。
附图标记说明：
1.塔筒，2.浮力舱，3.压载舱，4.抗拉支座，5.第一弹簧阻尼器，6.横隔板，7.重力块，8.第二弹簧阻尼器，9.加劲隔板，10.舱隔板，51.弹簧，52.阻尼器，21.内腔，22.外腔，23.外壳，24.内壳，100.锚链，200.滚轮。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，也可以是“传动连接”，即通过带传动、齿轮传动或链轮传动等各种合适的方式进行动力连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照附图1-2，本实施例提供了一种自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，包括：塔筒1、浮力舱2和压载舱3，浮力舱2和压载舱3共同构成风电的基础平台，浮力舱2为基础平台提供浮力，使基础平台能够处于半潜伏状态，浮力舱2设有内腔21和外腔22，塔筒1穿过内腔21与压载舱3相连接，浮力舱2和压载舱3之间设有抗拉支座4，塔筒1通过抗拉支座4在内腔21内水平移动或摆动，塔筒1和内腔21之间设有多个第一弹簧阻尼器5，外腔22内设有横隔板6，横隔板6上设有能够水平移动的重力块7，重力块7与外腔22的腔壁之间设有第二弹簧阻尼器8，压载舱3和浮力舱2固定连接。塔筒1侧面与基础平台之间通过若干个第一弹簧阻尼器5连接，整体形成一自消能系统。风机塔筒1以上结构为主体结构，质量为M，下部的基础平台为附加质量块，质量为m，阻尼单元的主要作用是提供系统必要的阻尼，消耗振动能量，实现结构振动控制的作用，质量块的作用是提供系统的质量，弹簧51系统的作用主要是将系统与主体结构进行弹性连接，为系统提供必要的刚度，在减振过程中提供恢复力维持质量块振动，一般将基础平台自身振动频率调节在塔筒1的主要振动频率附近。同理，在浮力舱2受到波浪的冲击下，外腔22内的重力块7和第二弹簧阻尼器8，实现振动能量由基础平台向重力块7转移，使基础平台的振动反应衰减，相应的基础平台通过第一弹簧阻尼器5传递到塔筒1的振动力也得到有效减弱。
作为本发明的另一种实施方式：浮力舱2的外轮廓由上到下逐渐减小。浮力舱2的外轮廓呈碗状，采用圆形截面的钢筋混凝土结构，起到降低基础平台中心的作用，与锚链100协同作用使基础平台形成不倒翁效益，防止整体结构的倾覆。该结构设计提高了基础平台的抗倾覆能力和稳定性，使结构尺寸得到优化，用钢量减少，使基础平台的工程造价降低，经济效果好。
作为本发明的另一种实施方式：塔筒1内设有加劲隔板9，加劲隔板9位于塔筒1的下端。加劲隔板9由抗拉支座4处向上延伸到浮力舱2外，由于塔筒1的振动能在浮力舱2内完成转移，因此加强浮力舱2处的塔筒1的结构强度。
具体的，加劲隔板9为多个，多个加劲隔板9的一端固定在一起，每个加劲隔板9的另一端固定在塔筒1的筒壁上。多个加劲隔板9的横截面呈射线状分布。
作为本发明的另一种实施方式：参照附图3，外腔22内设有舱隔板10，第一弹簧阻尼器5、加劲隔板9和舱隔板10呈一条直线分布。加劲隔板9和舱隔板10的设置能有效加强塔筒1和浮力舱2在第一弹簧阻尼器5处的结构强度。
作为本发明的另一种实施方式：压载舱3固定有锚链100，锚链100一端连接于基础平台底部，一端固定于海床上，一定程度上限制风机的海上运动范围。
具体的，参照附图4，第一弹簧阻尼器5包括弹簧51和阻尼器52，弹簧51和阻尼器52平行设置。
作为本发明的另一种实施方式：第一弹簧阻尼器5的结构与第二弹簧阻尼器8的结构相同。
具体的，浮力舱2设有外壳23和内壳24，内腔21位于内壳24内，外腔22设于外壳23和内壳24之间，第二弹簧阻尼器8的一端与内壳24相连接。
作为本发明的另一种实施方式：第一弹簧阻尼器5与塔筒1之间的连接为球铰连接，第一弹簧阻尼器5与浮力舱2之间的连接为球铰连接。
作为本发明的另一种实施方式：重力块7的下端转动设置有滚轮200，滚轮200沿横隔板6滚动，设置滚轮200，方便重力块7在横隔板6上移动。
作为本发明的另一种实施方式：抗拉支座4为球铰支座，塔筒1能够以球铰支座为支点进行小幅度摆动，进一步的，抗拉支座4还可采用双向球铰支座，塔筒1在实现摆动的同时，还能够实现水平位移，双向球铰支座采用衡水陆韵的双曲面抗拉球型钢支座。
具体的，沿浮力舱2的高度方向上设置四层第一弹簧阻尼器5，每层第一弹簧阻尼器5的数量为3个，在同一层中，3个第一弹簧阻尼器5沿塔筒1阵列分布。
具体的，压载舱3的直径大于浮力舱2的底部的直径。
作为本发明的另一种实施方式：浮力舱2、压载舱3和塔筒1均由UHPC和高性能海沙混凝土制成。该设置能够减少钢材的使用，大幅度提高海上风电的经济性。进一步的，在混凝土里面添加钢筋，其结构强度会更好。
本发明中，塔筒1与基础平台之间通过第一弹簧阻尼器5和抗拉支座4连接，该连接为柔性连接，避免了传统技术的刚性连接，减小了长期动荷载作用下疲劳应力大，解决了关键连接位置的钢结构的疲劳问题。浮力舱2和压载舱3构成调谐质量阻尼器的质块，在外部风荷载的作用下，塔筒1发生振动，塔筒1的一些振动能量会通过第一弹簧阻尼器5传递给基础平台，实现振动能量由塔筒1向基础平台的转移，使塔筒1的振动反应衰减，起到对塔筒1减振的效果，从而实现塔筒1的自平衡。在浮力舱2受到波浪的冲击下，外腔22内的重力块7和第二弹簧阻尼器8，实现振动能量由基础平台向重力块7转移，使基础平台的振动反应衰减，相应的基础平台通过第一弹簧阻尼器5传递到塔筒1的振动力也得到有效减弱，从而实现塔筒1的自平衡。本发明的主体结构的振动能消耗和支撑均由基础平台完成，不需要额外增加质块，节约了材料，降低了工程成本。浮力舱2的外腔22设置，为重力块7和第二弹簧阻尼器8的设置提供了空间，有效消耗波浪力对基础平台的冲击，减少能量向塔筒1的传递，保证了风机的稳定性。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其特征在于，包括：塔筒、浮力舱和压载舱，所述浮力舱设有内腔和外腔，所述塔筒穿过内腔与压载舱相连接，所述浮力舱和压载舱之间设有抗拉支座，所述塔筒通过抗拉支座在内腔内水平移动或摆动，所述塔筒和内腔之间设有多个第一弹簧阻尼器，所述外腔内设有横隔板，所述横隔板上设有能够水平移动的重力块，所述重力块与外腔的腔壁之间设有第二弹簧阻尼器，所述压载舱和浮力舱固定连接。
2.根据权利要求1所述的自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其特征在于，所述浮力舱的外轮廓由上到下逐渐减小。
3.根据权利要求1所述的自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其特征在于，所述塔筒内设有加劲隔板，所述加劲隔板位于塔筒的下端。
4.根据权利要求3所述的自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其特征在于，所述外腔内设有舱隔板，所述第一弹簧阻尼器、加劲隔板和舱隔板呈一条直线分布。
5.根据权利要求1所述的自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其特征在于，所述抗拉支座为球铰支座。
6.根据权利要求1所述的自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其特征在于，所述压载舱固定有锚链。
7.根据权利要求1所述的自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其特征在于，所述第一弹簧阻尼器包括弹簧和阻尼器，所述弹簧和阻尼器平行设置。
8.根据权利要求1所述的自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其特征在于，所述浮力舱设有外壳和内壳，所述内腔位于内壳内，所述外腔设于外壳和内壳之间，所述第二弹簧阻尼器的一端与内壳相连接。
9.根据权利要求1任一项所述的自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其特征在于，所述重力块的下端转动设置有滚轮，所述滚轮沿横隔板滚动。
10.根据权利要求1任一项所述的自消振自平衡的轻量化漂浮式海上风电基础平台，其特征在于，所述浮力舱、压载舱和塔筒均由UHPC和高性能海沙混凝土制成。
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