CN116988937B - 一种摇摆自复位风电塔架及摇摆自复位方法 - Google Patents

Abstract

一种摇摆自复位风电塔架及摇摆自复位方法，摇摆自复位风电塔架，包括至少一个摇摆自复位装置，摇摆自复位装置嵌入在风电塔架的内部；摇摆自复位装置包括底座、球铰、张拉件、筒体；底座、筒体之间通过球铰连接，且底座、筒体相对摆动而不干涉，底座、筒体的端面之间通过张拉件连接，张拉件环形阵列设置；摇摆自复位方法，风电塔架的中部设置球铰，且球铰连接的两部分之间设置复位构件，复位构件的张拉力使两部分在风电塔架无外力时轴心重合，即风电塔架和球铰的轴心重合。

Description

一种摇摆自复位风电塔架及摇摆自复位方法

技术领域

本发明涉及风电塔架技术领域，具体涉及一种摇摆自复位风电塔架及摇摆自复位方法。

背景技术

风能是一种清洁能源，具有储量大、分布广、可再生、易获取等优势；近年来，风电新增装机容量逐年递增；伴随着风能捕获技术的不断发展，为了更有效地利用风能、提高发电效率，风电结构正朝着大型化的方向迅速演进；然而，功率提升导致风电塔架高度不断提升，使得结构更加“高柔”，在面对风浪荷载和地震作用时，更易产生动力问题，且结构变形累积易导致上部变形过大，引发一系列使用和安全性问题，不仅会增加风力发电机组的运营和维护成本，同时也会降低结构的使用寿命，甚至可能导致倒塌和破坏；

风电塔架作为高耸结构，海上风电塔架的高度通常在80米到140米之间；当前风电塔架减振多采用各种类型的阻尼器，并不具备自复位功能，一旦结构在极端荷载作用下产生了较大残余变形，很难对其进行修复，进而影响结构使用寿命；目前风电塔架等高耸结构中，尚无应用自复位摇摆装置；

申请公布号CN116085207A，公开了一种摇摆式风力发电机组，当摇摆式风力发电机组受到风的推力而倾斜的时候，位于支架末端的立柱的重量将产生复原力矩，从而使风电机组始终趋于竖直状态，可接受的摆动角度有限，而且是在根部需要利用自重复位，使用范围和摆动范围均有限，也无法有效耗散结构振动过程中产生的能量，无法适应高耸结构的风电塔架抗摇摆的要求；

申请公布号CN113428310B，公开了一种基于悬挂式减振装置的漂浮式风机平台，通过独立运动的浮筒、上双叉臂、下双叉臂、弹簧阻尼装置，增强漂浮式平台的运动性能，减小浮式风机在风和波浪作用下的运动响应；减小浮筒之间的相互影响，在波浪作用下减小漂浮式风机平台对塔架的冲击，湍流风作用下减小塔架的摇摆；该专利依然是在根部通过利用自重和阻尼特性减缓塔架摆动，因此其可摆动的角度和范围有限，依赖于增加自重，自复位的作用有限；

上述现有技术，无法克服上述技术缺陷，因此需要进行技术改进，以解决上述困难。

发明内容

有鉴于此，面对现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种摇摆自复位风电塔架，解决风电塔架侧向变形难控制，震后变形难恢复，维护成本高的问题。

自复位摇摆结构作为一种新型可恢复变形结构，利用预应力钢绞线及自重等方式提供自复位能力，通过耗能减振装置提高结构的耗能；将自复位摇摆装置应用于风电塔架等高耸结构中，一方面能够有效降低结构在风浪荷载作用下的变形及动力响应，另一方面由于其自复位能力，能够降低结构在遭受强震时的残余变形，降低结构维护成本，提高结构使用寿命；

一种摇摆自复位风电塔架，包括至少一个摇摆自复位装置，摇摆自复位装置嵌入在风电塔架的内部；摇摆自复位装置包括底座、球铰、张拉件、筒体；底座、筒体之间通过球铰连接，且底座、筒体相对摆动而不干涉，底座、筒体的端面之间通过张拉件连接，张拉件环形阵列设置。

本申请提供的一种技术方案，还具有以下技术特征：

优选的，筒体和风电塔架之间为非刚性连接，即筒体和风电塔架允许两者有相对运动的空间，允许两者相对有活动间隙，而且非刚性连接对于二者有牵制作用，这种牵制使风电塔架的刚度得到增加；这种牵制性的非刚性连接，可采用连杆或弹簧，或者其它的弹性张拉件，或者其它连杆的两端连接给与足够的活动间隙，利用连接位置的孔隙，

优选的，底座、筒体相对摆动而不干涉的角度范围为正负30°，正负30°是底座、筒体的轴心所在任意平面内，相对底座、筒体的轴心的夹角的30°内。

优选的，球铰设置在底座的中部。

优选的，筒体通过斜向支撑杆系统连接球铰。

优选的，摇摆自复位装置为间隔设置或者连续设置。

优选的，底座包括环向约束杆、水平支撑杆、中心单元，环向约束杆用于和风电塔架固定，中心单元用于连接球铰的碗状单元，中心单元和环向约束杆之间设置水平支撑杆。

优选的，球铰包括碗状单元、球体单元和托板，托板用于连接球铰连接板。

优选的，斜向支撑杆系统包括球铰连接板和斜向支撑杆，斜向支撑杆一端连接球铰连接板，斜向支撑杆的另一端连接筒体的下部法兰盘。

优选的，筒体上均匀设置有摩擦阻尼器，摩擦阻尼器用于随筒体摆动时耗散能量。

优选的，筒体包括下部法兰盘、中间圆形筒、上部环形约束、加劲肋，中间圆形筒的两端分别设置下部法兰盘、上部环形约束，中间圆形筒的内壁设置加劲肋。

优选的，摩擦阻尼器包括端板、中间板、螺栓、摩擦片，端板的外端用于连接筒体的外壁，端板的另一端的两侧面夹持有中间板，中间板的外端与筒体外侧设置的连接环相连，端板和中间板之间设置摩擦片，端板、中间板、摩擦片通过螺栓固定。

优选的，张拉件为钢绞线。

优选的，张拉件连接下部法兰盘和水平支撑杆，张拉件上施加有预紧力。

优选的，斜向支撑杆和下部法兰盘之间为铰接，斜向支撑杆和球铰连接板之间为铰接。

一种风电塔架的抗摇摆方法，风电塔架的中部设置球铰，且球铰连接的两部分之间设置复位构件，复位构件的张拉力使两部分在风电塔架无外力时轴心重合，即风电塔架和球铰的轴心重合。

本申请的有益效果包括以下几点：

1、本申请将摇摆结构用于风电塔架中，实现了风电塔架在水平任意方向的变形控制，能够有效降低结构在风浪荷载和地震作用时的变形，具体的讲是：风电塔架增设摇摆自复位装置后，不同于传统的风电塔架变形，本申请的风电塔架由于设置了摇摆自复位装置，本申请的风电塔架的变形是逐段发生的，风电塔架整体变形减小；设置的筒体增加了风电塔架的刚性，风电塔架的抗变形能力增加；

筒体和风电塔架之间为非刚性连接，这种连接允许两者之间有间隙，用于相对运动的活动空间，而且这种非刚性连接还有一种牵制作用，筒体增加了风电塔架的刚度；

如果两者之间的非刚性连接为空连接，由于在筒体的下部法兰盘连接有张拉件，张拉件的下端连接底座，底座连接风电塔架，相当于张拉件在筒体和风电塔架之间形成一种张拉复位结构，也起到了增加的风电塔架刚性和自重的作用；

2、本申请通过设置摩擦阻尼器，实现能量的有效耗散，降低风电塔架在风浪荷载和地震作用时的动力响应；

3、本申请通过设置预拉张拉件，实现了风电塔架自复位，有效降低结构在遭受极端荷载时的残余变形，降低结构维护成本，提高结构使用寿命；具体的讲是：筒体在增加风电塔架刚度、以及风电塔架逐段发生变形减小整体变形的基础上，通过设置施加有预拉力的张拉件，使变形后的风电塔架，在摇摆自复位装置的张拉件的拉力下，获得恢复变形前的趋势，从而具有抗变形及变形复位的能力，这是由于：张拉件除被施加有预拉力外，在遇到风电塔架变形的时候，由于摆自复位装置在摆动时也会对张拉件进一步施加拉伸的动作，由于摆动使张拉件拉伸产生的拉力，从而在预拉力的基础上增强了复位拉力，以及抗变形的力；

总的来说，本申请利用在风电塔架上设置至少一个摇摆自复位装置，利用摇摆自复位装置使两部分之间有球铰的摆动空间，设置用于自复位的张拉件，使摆动后的偏置有自动纠偏的趋势，这样就形成了摆动、自动复位结构，而且在摆动中利用摩擦阻尼器消耗能量，从而减弱摆动，使其快速的稳定或者趋于平衡；本申请的应用，增加了风电塔架的刚度，减小了风电塔架整体变形，具有减振耗散能量、摇摆自复位的特点。

附图说明

图1为本发明的一种摇摆自复位风电塔架的摇摆自复位装置示意图；

图2为本发明的一种摇摆自复位风电塔架的底座与球铰的立体图；

图3为本发明的一种摇摆自复位风电塔架的斜向支撑杆系统的立体图；

图4为本发明的一种摇摆自复位风电塔架的筒体的立体图；

图5为本发明的一种摇摆自复位风电塔架的摩擦阻尼器的立体图；

图6为图1中内部的摇摆自复位装置的立体图；

图7为本发明的一种摇摆自复位风电塔架的摩擦阻尼器的主视图；

图中：

1、风电塔架；2、摇摆自复位装置；3、底座；4、球铰；5、斜向支撑杆系统；6、张拉件；7、筒体；8、摩擦阻尼器；9、环向约束杆；10、水平支撑杆；11、中心单元；12、碗状单元；13、球体单元；14、托板；15、球铰连接板；16、斜向支撑杆；17、下部法兰盘；18、中间圆形筒；19、上部环形约束；20、加劲肋；21、端板；22、中间板；23、螺栓；24、摩擦片。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的技术方案的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1-7，一种摇摆自复位风电塔架，包括至少一个摇摆自复位装置2，摇摆自复位装置2嵌入在风电塔架1的内部；摇摆自复位装置2包括底座3、球铰4、张拉件6、筒体7；底座3、筒体7之间通过球铰4连接，且底座3、筒体7相对摆动而不干涉，底座3、筒体7的端面之间通过张拉件6连接，张拉件6环形阵列设置。

本申请实施时，具有这样的特点，利用在风电塔架1上设置至少一个摇摆自复位装置2，利用摇摆自复位装置2使两部分之间具有球铰4的摆动空间，而且设置自复位的张拉件，使摆动后的偏置有纠偏自动恢复趋势，这样就形成了摆动、自动复位结构，而且在摆动中利用摩擦阻尼器8消耗能量，从而减弱摆动，使其快速的稳定或者趋于平衡。

具体的，筒体7和风电塔架1之间为非刚性连接，即筒体7和风电塔架1允许两者有相对运动的空间，允许两者相对有活动间隙，而且非刚性连接对于二者有牵制作用，这种牵制使风电塔架的刚度得到增加；进一步，如果这种非刚性连接设置为一个位移耗能件，如摩擦阻尼器，或者其它能够将发生的相对位移通过阻尼器耗能的装置，均可满足本申请的技术方案的需要。

具体的，底座3、筒体7相对摆动而不干涉的角度范围为正负30°，正负30°是底座3、筒体7的轴心所在任意平面内，相对底座3、筒体7的轴心的夹角的30°内；底座3、筒体7之间通过球铰4连接，球铰4设置在底座3的中部；筒体7通过斜向支撑杆系统5连接球铰4；摇摆自复位装置2为间隔设置或者连续设置；底座3包括环向约束杆9、水平支撑杆10、中心单元11，环向约束杆9用于和风电塔架1固定，中心单元11用于连接球铰4的碗状单元12，中心单元11和环向约束杆9之间设置水平支撑杆10；球铰4包括碗状单元12、球体单元13和托板14，托板14用于连接球铰连接板15；斜向支撑杆系统5包括球铰连接板15和斜向支撑杆16，斜向支撑杆16一端连接球铰连接板15，斜向支撑杆16的另一端连接筒体7的下部法兰盘17；筒体7上均匀设置有摩擦阻尼器8，摩擦阻尼器8用于随筒体7摆动时耗散能量；筒体7包括下部法兰盘17、中间圆形筒18、上部环形约束19、加劲肋20，中间圆形筒18的两端分别设置下部法兰盘17、上部环形约束19，中间圆形筒18的内壁设置加劲肋20；摩擦阻尼器8包括端板21、中间板22、螺栓23、摩擦片24，端板21的外端用于连接筒体7的外壁，端板21的另一端的两侧面夹持有中间板22，中间板22的外端与筒体7外侧设置的连接环相连，端板21和中间板22之间设置摩擦片24，端板21、中间板22、摩擦片24通过螺栓23固定；

张拉件6为钢绞线，或者在张拉件6上设置拉簧提供恢复力；张拉件6连接下部法兰盘17和水平支撑杆10，张拉件6上施加有预紧力；斜向支撑杆16和下部法兰盘17之间为铰接，斜向支撑杆16和球铰连接板15之间为铰接；

本实施例具有这样的特点，球铰4用于实现筒体7在水平面任意方向的转动；斜向支撑杆16起支撑筒体7的作用；

筒体7包括下部法兰盘17、中间圆形筒18、上部环形约束19和中间加劲肋20，是摇摆的主体结构；张拉件6连接筒体7的下部法兰盘17和底座3，通过给张拉件6施加预紧力，能够实现自复位；摩擦阻尼器8包含端板21、中间板22、摩擦片24、螺栓23，通过给螺栓23施加一定预紧力，当中间板22和端板21发生相对位移时，由于摩擦片24的存在使其摩擦耗能；摩擦阻尼器8设置在筒体7和风电塔筒之间，当筒体7摇摆时，摩擦阻尼器8可有效耗散能量，减小结构动力响应；通过张拉件6的预拉作用和筒体7的自重，可实现风电塔架1的自复位能力，通过在筒体7和风电塔架1之间设置摩擦阻尼器8可提升耗能特性；

本申请的摇摆自复位结构，能够很好地实现风电塔架1的自复位与耗能，不仅能够有效降低结构在风浪荷载作用下的变形及动力响应，也能够降低结构在遭受强震时的残余变形，大大降低结构维护成本，提高结构使用寿命。

具体的，如图1、6，为多向摇摆自复位风电塔架，包括风电塔架1和摇摆自复位装置2，在一个风电塔架1中，可在结构中部往上设置至少一个摇摆自复位装置2来控制整体变形；摇摆自复位装置2包括底座3、球铰4、斜向支撑杆系统5、张拉件6、筒体7、摩擦阻尼器8；通过预拉张拉件6连接筒体7和底座3，可实现装置的自复位方法；通过设置球铰4，可实现筒体7的摇摆特性；通过在筒体7和风电塔架之间设置至少一个摩擦阻尼器8，可实现装置在动力荷载作用下的耗能特性；

如图2，底座3为摇摆自复位装置2的支撑座；底座3包括环向约束杆9、水平支撑杆10、中心单元11；环向约束杆9为环形支撑杆，用于固定在风电塔架1的塔筒壁；水平支撑杆10为多根矩形管，呈径向分布，一端固定在环向约束杆9上，一端固定在中心单元11上；中心单元11通过将高度较小的管上下端设置封板制作而成；球铰4包括碗状单元12，球体单元13和托板14；在中心单元11上设置碗状单元12，并在碗状单元12内部设置球体单元13形成球铰；托板球铰4设置在球铰顶部，用于支承上部结构；

如图3，斜向支撑杆系统5为斜向支撑使用，包括球铰连接板15和多根斜向支撑杆16；斜向支撑杆16呈径向分布，一端连接球铰连接板15，一端连接筒体7，两端均为铰接；

如图4，筒体7包括下部法兰盘17、中间圆形筒18、上部环形约束19、加劲肋20；下部法兰盘17为环状板，与中间圆形筒18固定，同时连接斜向支撑杆系统；另外，在下部法兰盘17的上部还设置了锚具，用于锚固钢绞线；中间圆形筒18为圆形筒状结构；在中间圆形筒18内部设置至少一个加劲肋20，保证结构的稳定性；上部环形约束19为环状板，固定在中间圆形筒18的上端；

如图5、7，摩擦阻尼器8的两端分别与风电塔筒和筒体7铰接，包括端板21、中间板22、螺栓23、摩擦片24；端板21外端与风电塔筒内侧设置的连接环相连；中间板22的外端与筒体7外侧设置的连接环相连；摩擦片24设置在端板21和中间板22之间，端板21、中间板22和摩擦片24通过螺栓23挤压紧固；

本申请的技术方案主要用于风电塔架结构中，亦可用于烟囱等高耸结构；将摇摆自复位装置2引入风电塔架结构，可有效提升风电塔架结构抵抗侧向变形的能力；通过结合摩擦阻尼器的耗能特性，可有效降低风电塔架在风浪荷载和地震作用时的动力响应；同时，装置的自复位方法可降低结构在遭受极端荷载时的残余变形，降低结构维护成本，提高结构使用寿命。

具体的，水平支撑杆10、斜向支撑杆16、张拉件6均设置为8个，根据需要，可将其个数进行调整。

具体的，摩擦阻尼器8为弹簧阻尼器，筒体7的底部密封，筒体7的里面加入液体，利用液体摆动耗损摆动能量。

一种风电塔架的摇摆自复位方法，风电塔架1的中部设置球铰4，且球铰4连接的两部分之间设置复位构件，复位构件的张拉力使两部分在风电塔架1无外力时轴心重合，即风电塔架1和球铰4的轴心重合。

总的来说，本申请的技术方案将摇摆自复位结构用于风电塔架1中，实现了风电塔架1在水平任意方向的变形控制，能够有效降低结构在风浪荷载和地震作用时的变形；本申请的技术方案通过设置摩擦阻尼器8，实现能量的有效耗散，降低风电塔架1在风浪荷载和地震作用时的动力响应；本申请的技术方案通过设置预拉张拉件6，实现了风电塔架1自复位方法，有效降低结构在遭受极端荷载时的残余变形，降低结构维护成本，提高结构使用寿命。

Claims (10)

1.一种摇摆自复位风电塔架，其特征在于，包括至少一个摇摆自复位装置（2），摇摆自复位装置（2）嵌入在风电塔架（1）的内部；摇摆自复位装置（2）包括底座（3）、球铰（4）、张拉件（6）、筒体（7）；底座（3）、筒体（7）之间通过球铰（4）连接，且底座（3）、筒体（7）相对摆动而不干涉，底座（3）、筒体（7）的端面之间通过张拉件（6）连接，张拉件（6）环形阵列设置；张拉件（6）连接下部法兰盘（17）和水平支撑杆（10），张拉件（6）上施加有预紧力；

筒体（7）包括下部法兰盘（17）、中间圆形筒（18）、上部环形约束（19）、加劲肋（20），中间圆形筒（18）的两端分别设置下部法兰盘（17）、上部环形约束（19），中间圆形筒（18）的内壁设置加劲肋（20）；

筒体（7）和风电塔架（1）之间为非刚性连接。

2.如权利要求1所述的一种摇摆自复位风电塔架，其特征在于，底座（3）、筒体（7）相对摆动而不干涉的角度范围为正负30°，正负30°是底座（3）、筒体（7）的轴心所在任意平面内，相对底座（3）、筒体（7）的轴心的夹角的30°内。

3.如权利要求1所述的一种摇摆自复位风电塔架，其特征在于，摇摆自复位装置（2）为间隔设置或者连续设置。

4.如权利要求1所述的一种摇摆自复位风电塔架，其特征在于，球铰（4）设置在底座（3）的中部；筒体（7）通过斜向支撑杆系统（5）连接球铰（4）。

5.如权利要求4所述的一种摇摆自复位风电塔架，其特征在于，球铰（4）包括碗状单元（12）、球体单元（13）和托板（14），托板（14）用于连接球铰连接板（15）；斜向支撑杆系统（5）包括球铰连接板（15）和斜向支撑杆（16）；斜向支撑杆（16）一端连接球铰连接板（15），斜向支撑杆（16）的另一端连接筒体（7）的下部法兰盘（17）。

6.如权利要求5所述的一种摇摆自复位风电塔架，其特征在于，底座（3）包括环向约束杆（9）、水平支撑杆（10）、中心单元（11），环向约束杆（9）用于和风电塔架（1）固定，中心单元（11）用于连接球铰（4）的碗状单元（12），中心单元（11）和环向约束杆（9）之间设置水平支撑杆（10）。

7.如权利要求1所述的一种摇摆自复位风电塔架，其特征在于，筒体（7）上均匀设置有摩擦阻尼器（8），摩擦阻尼器（8）用于随筒体（7）摆动时耗散能量。

8.如权利要求7所述的一种摇摆自复位风电塔架，其特征在于，摩擦阻尼器（8）包括端板（21）、中间板（22）、螺栓（23）、摩擦片（24），端板（21）的外端用于连接筒体（7）的外壁，端板（21）的另一端的两侧面夹持有中间板（22），中间板（22）的外端与筒体（7）外侧设置的连接环相连，端板（21）和中间板（22）之间设置摩擦片（24），端板（21）、中间板（22）、摩擦片（24）通过螺栓（23）固定。

9.如权利要求5所述的一种摇摆自复位风电塔架，其特征在于，张拉件（6）为钢绞线；斜向支撑杆（16）和下部法兰盘（17）之间为铰接，斜向支撑杆（16）和球铰连接板（15）之间为铰接。

10.一种风电塔架的摇摆自复位方法，应用权利要求1-9任一所述的一种摇摆自复位风电塔架，其特征在于，风电塔架（1）的中部设置球铰（4），且球铰（4）连接的底座（3）、筒体（7）的两部分之间设置复位构件，复位构件的张拉力使两部分在风电塔架（1）无外力时轴心重合。