CN218949441U - 一种基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于船舶与海洋工程领域，涉及一种基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，为了解决减小浮式风机的摇摆运动响应幅值的问题，要点是所述风机通过塔架安装在所述中柱浮筒上；所述各边柱浮筒通过所述横撑与所述中柱浮筒连接，其中，所述一个横撑所在直线与所述风机的横摇轴的轴线在竖向面处于不同的高度且相互平行；所述中柱浮筒内部设置所述陀螺减摇装置，所述陀螺减摇装置包括进动轴以及自转轴，在静止状态下，所述进动轴所在直线与风机的横摇轴的轴线在竖向面处于不同的高度且相互平行，所述陀螺减摇装置的自转轴的轴线与塔架轴线重合，效果是可以利用陀螺的进动原理产生抵消浮式风机的纵摇力矩，从而减小纵摇角度，提高了风机的运行稳定性。

Description

一种基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台

技术领域

本实用新型属于船舶与海洋工程领域，涉及一种基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台。

背景技术

风能是一种可再生的清洁能源，且风能资源极其丰富，是比较理想的新能源之一。我国有着广阔的海洋空间和丰富的海上风能资源，具有良好的风电市场和巨大资源潜力。但随着近岸、浅水风资源开发趋于饱和，深远海将是未来海上风电发展的必然趋势。随着水深的增加，固定式基础的成本明显增高，于是漂浮式基础便成为最佳选择。虽然欧洲已经有漂浮式风机商业化的案例，但是对于我国来说漂浮式风电还处于起步阶段，仍然面临许多技术上的挑战。

漂浮式风机平台通过系泊系统与海床进行连接，因此漂浮式风机属于顺应式结构。风机上部承受巨大的风荷载，风推力通过高耸的塔架对浮式平台产生巨大的风倾力矩，于是风机在风倾力矩作用下产生剧烈的摇摆运动。同时，我国东海、南海海域具有海洋环境恶劣、台风频发等诸多不利因素，这就更加剧了浮式风机的摇摆运动响应幅值，会严重影响风机的发电效率和安全性。因此，研究如何减小浮式风机摇摆运动的响应幅值是进行漂浮式风机设计研发的关键技术。

实用新型内容

为了解决减小浮式风机的摇摆运动响应幅值的问题，根据本申请一些实施例的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，包括

浮筒，所述浮筒包括三个边柱浮筒和一个中柱浮筒，所述三个边柱浮筒设置为以所述中柱浮筒为中央，且所述三个边柱浮筒在同一平面两两共线分布在所述中柱浮筒的外侧；

风机，所述风机通过塔架安装在所述中柱浮筒上；

横撑，所述各边柱浮筒通过所述横撑与所述中柱浮筒连接，其中，所述一个横撑所在直线与所述风机的横摇轴的轴线在竖向面处于不同的高度且相互平行；

陀螺减摇装置，所述中柱浮筒内部设置所述陀螺减摇装置，所述陀螺减摇装置包括进动轴以及自转轴，在静止状态下，所述进动轴所在直线与风机的横摇轴的轴线在竖向面处于不同的高度且相互平行，所述陀螺减摇装置的自转轴的轴线与塔架轴线重合。

根据本申请一些实施例的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，所述三个边柱浮筒在分布平面处于平面内一个正三角形的三个顶点位置。

根据本申请一些实施例的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，所述中柱浮筒在分布平面处于平面内所述一个正三角形的中点位置，使各中柱浮筒在所述平面内与中柱浮筒等距，各所述横撑等长。

根据本申请一些实施例的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，所述横撑包括上横撑和下横撑，所述上横撑设置在与边柱浮筒和所述中柱浮筒的连接位置高于所述下横撑设置在与边柱浮筒和所述中柱浮筒的连接位置。

根据本申请一些实施例的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，所述陀螺减摇装置还包括转子，所述自转轴沿所述转子轴向设置并由所述转子的两个底面伸出所述转子；

外框架，所述外框架包括由两个底板和两个侧板成型的矩形框架，通过所述两个底面上伸出的所述自转轴将所述转子设置在所述外框架的两个底板之间，所述进动轴设置在所述外框架的两个侧板的外侧；

支架，所述支架设置在所述外框架两侧板的外侧，通过所述进动轴使所述外框架可转动连接在所述支架上。

根据本申请一些实施例的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，所述转子的外缘设置在所述自转轴的外周，且所述自转轴通过肋板连接所述外缘。

根据本申请一些实施例的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，所述肋板在所述转子的轴向上分布多层，且所述各层肋板之间是空心结构，所述肋板设置若干贯通圆孔。

根据本申请一些实施例的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，所述中柱浮筒还包括隔板，所述隔板设置在所述中柱浮筒内部，所述陀螺减摇装置设置在所述隔板上。

根据本申请一些实施例的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，还包括系泊系统，所述系泊系统与所述浮筒连接。

根据本申请一些实施例的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，所述中柱浮筒的筒直径大于所述边柱浮筒的筒直径。

有益效果：

在一个方面上，本实用新型提供一种基于陀螺减摇装置的半潜式漂浮式风机平台，将陀螺减摇装置可以安装在中柱内部，将陀螺转子水平放置，静止状态下陀螺自转轴与塔架轴线(z轴)重合，陀螺的进动轴与浮式风机的横摇轴(y轴)平行，从而在非静止状态下，所述陀螺减摇装置的转子既绕着自转轴在所述浮式风机塔架轴线方向自转动，又绕着进动轴在所述风机的横摇轴的轴线方向转动，使所述陀螺减摇装置产生与浮式风机纵摇方向相反的纵摇力矩，降低所述浮式风机纵摇方向的纵摇幅度，从而提高浮式风机稳性，而稳定浮式风机能够提高发电效率。

在第二方面上，本实用新型原理简单，结构设计巧妙，使用方便，可以有效降低漂浮式风机在风、浪荷载下的摇摆运动，提高发电效率和安全性，在海上风能的开发利用领域可以起到很重要的作用。

附图说明

图1是本发明的整体三维图；

图2是本发明的陀螺减摇装置细节图；

图3是本发明的转子三维剖面图。

附图标记：图中编号表示内容如下：

1风电机组；2塔架；3边柱浮筒；4系泊系统；5下横撑；6上横撑；7中心柱浮筒；

8陀螺减摇装置；9支架；10外框架；11隔板；12进动轴；13转子；14自转轴；15外缘；

16肋板。

具体实施方式

下面通过参考附图详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

实施例1：陀螺减摇装置是利用陀螺转子产生阻摇的稳定力矩使舰艇减小摇摆，目前多用于船舶。然而，船舶和漂浮式风机平台在结构上存在差异性，若要将陀螺减摇装置使用在漂浮式风机平台，需要考虑陀螺减摇装置安装位置以及漂浮式风机平台的适应性结构。

本实用新型主要针对陀螺减摇装置的安装进行设置，一方面能够使得陀螺减摇装置能够安装在所述漂浮式风机平台，并且，通过本实用新型的安装设置，使陀螺减摇装置在纵摇自由度上能够输出进动力矩，从而平衡掉风倾力矩，实现陀螺减摇装置减小风机的纵摇幅度的目的，从而陀螺减摇装置能够被使用在风机平台并提高其稳定性。

为达到上述目的，在一种实施例中，如图1所示，本实用新型记载一种基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，包括浮筒、风机、横撑以及陀螺减摇装置，其中：

所述浮筒包括三个边柱浮筒3和一个中柱浮筒7，所述三个边柱浮筒3设置为以所述中柱浮筒7为中央，且所述三个边柱浮筒3在同一平面两两共线分布在所述中柱浮筒7的外侧；

所述风机通过塔架安装在所述中柱浮筒7上；

所述各边柱浮筒3通过所述横撑与所述中柱浮筒7连接，其中，所述一个横撑所在直线与所述风机的横摇轴的轴线在竖向面处于不同的高度且相互平行；

所述中柱浮筒7内部设置所述陀螺减摇装置8，所述陀螺减摇装置8包括进动轴12以及自转轴14，在静止状态下，所述进动轴12所在直线与风机的横摇轴的轴线在竖向面处于不同的高度且相互平行，所述陀螺减摇装置8的自转轴14的轴线与塔架轴线重合。

根据所述方案，本实用新型的一个实施例中的所述基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，适用于我国周边海域、并且能够有效抵抗台风的干扰，降低漂浮式风机在风、浪作用下摇摆运动幅值的半潜式漂浮风机平台，该风机平台具有明显的减摇效果，可以有效提高风机的发电效率和稳定性。

根据所述方案，在一种优选方案中，所述风机平台是包括四个浮筒的半潜式风机平台，将陀螺减摇装置8放置于中心柱浮筒7内部，其中半潜式平台的中心浮筒7的直径设计比三个边柱浮筒3的直径粗，这样可以有更多的空间安装更大体积的陀螺减摇装置8。

在一种方案中，半潜式平台的三个边柱3通过上横撑6、下横撑5与中间浮筒7相连，上横撑6的主要作用是廊桥，下横撑5的作用主要是结构受力。

陀螺减摇装置8内部主要是陀螺的转子13和外框架10，其中转子13的自转轴14为z轴，陀螺减摇器进动轴12为y轴，根据所述方案，在静止状态下，所述进动轴12所在直线与风机的横摇轴的轴线在竖向面处于不同的高度且相互平行，所述陀螺减摇装置8的自转轴14的轴线与塔架轴线重合。这样安装陀螺减摇装置8就能在x轴(即纵摇自由度)上输出进动力矩，从而平衡掉风倾力矩减小风机的纵摇幅度。

根据所述方案，在静止状态下，陀螺减摇装置8进动轴12与风机的横摇轴(y轴)平行，陀螺减摇器的转子13自转轴14与塔架轴线z轴重合，在实现减摇功能之前，首先缓慢给转子13加速，使之达到预定转速，然后保持转速不变，在浮式风机纵摇运动的驱动下，陀螺减摇装置8的外框架10将会做进动运动，从而输出与浮式风机纵摇运动方向相反的减摇力矩。

在一些具体的实例中，中柱浮筒7的直径比三个边柱浮筒3的直径大。陀螺减摇装置8安装在中柱内部，在整个系统重心高度处。

在一些具体的实例中，陀螺减摇装置8主要包括转子13、外框架10及支架9；转子13重量主要集中于外缘15，外缘15与转子13自转轴14之间通过两个带孔肋板16连接。

在一些具体的实例中，所述三个边柱浮筒3在分布平面处于平面内一个正三角形的三个顶点位置。优选地，所述中柱浮筒7在分布平面处于平面内所述一个正三角形的中点位置，使各中柱浮筒7在所述平面内与中柱浮筒7等距，各所述横撑等长。根据所述方案，能够提高稳性。

在一些具体的实例中，所述横撑包括上横撑6和下横撑5，所述上横撑6设置在与边柱浮筒3和所述中柱浮筒7的连接位置高于所述下横撑5设置在与边柱浮筒3和所述中柱浮筒7的连接位置。其中下横撑5主要起结构受力的作用，同时也兼具压水板的作用，上横撑6主要起廊桥的作用，同时也有结构受力的作用。

根据所述方案，本实用新型一些实施例的基于陀螺减摇装置的半潜式漂浮式风机平台，将半潜式平台的中柱直径增大，使陀螺减摇装置8可以安装在中柱内部，且更大的空间可以安装功率更大的陀螺减摇装置8，具有更好的减摇效果；其次，将陀螺转子13水平放置，静止状态下陀螺自转轴14与塔架轴线(z轴)重合，陀螺的进动轴12与浮式风机的横摇轴(y轴)重合，如此安置可以利用陀螺的进动原理产生抵消浮式风机的纵摇力矩，从而减小纵摇角度，提高了风机的运行稳定性。本实用新型的原理简单，结构设计巧妙，使用方便，可以有效降低漂浮式风机在风、浪荷载下的摇摆运动，提高发电效率和安全性，在海上风能的开发利用领域可以起到很重要的作用。

根据所述方案，本实用新型的结构组成能够实现风机平台的减摇，主要利用高速旋转的转子的进动作用提供一个与风机纵摇方向相反的力矩，从而实现浮式风机的减摇控制。本实用新型利用陀螺进动原理来减小浮式风机的纵摇角度，增加了浮式平台的运动稳定性，而浮式平台稳定性提高，能够提高风机的发电效率。

实施例2：在另一种实施例中，所述基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台包括风电机组1、塔架2、半潜式漂浮平台、系泊系统4以及陀螺减摇装置8，其中：

半潜式漂浮平台通过系泊系统4锚固于海床上。所述半潜式漂浮平台包括三个边柱浮筒3、下横撑5、上横撑6及平台中心柱浮筒7。风电机组1包括浮式风机，浮式风机安装在中心柱浮筒7上，陀螺减摇装置8安装在中心柱浮筒7内，半潜式漂浮平台的中心柱浮筒7的直径比三个边柱浮筒3大，适合安装更大体积规模的陀螺减摇装置8。下横撑5主要是结构受力的作用，上横撑6主要是廊桥的作用，该半潜式漂浮平台结构形式简单，结构设计合理。

整个的陀螺减摇装置8安装在中心浮筒7内部的横隔板11上，处于整个系统重心位置高度处。陀螺减摇装置8主要由一个陀螺的转子13和一个外框架10及支架9构成。其中支架9将陀螺减摇装置8固定在隔板11上，转子的自转轴14(z轴)与塔架轴线重合，陀螺减摇装置8的进动轴12(y轴)与风机的横摇轴重合；陀螺的转子13既可以绕着自转轴14转动，又可以和外框架10一起绕着进动轴12在支架9上进行转动，因此陀螺减摇装置8一共有两个自由度；为了提高陀螺减摇装置8的减摇效果，陀螺的转子13的重量主要集中在转子外缘15上，转子的外缘15和转子的自转轴14之间通过两层肋板16连接，肋板之间为空心状态。

根据所述方案，如图1所示，首先，基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台具有四个立柱浮筒，其中三个为边柱浮筒3，另一个为中心柱浮筒7。每个边柱浮筒3通过上横撑6和下横撑5与中柱浮筒7连接，其中下横撑5主要起结构受力的作用，同时也兼具压水板的作用，上横撑6主要起廊桥的作用，同时也有结构受力的作用。风电机组1通过塔架2安装在中心柱浮筒7上，陀螺减摇装置8安装在中心柱浮筒7内部，中心柱浮筒7的直径要比三个边柱浮筒3的直径大，这样中心柱浮筒7可以有更大的空间安装体积更大的陀螺减摇装置8，大体积的陀螺减摇装置8因其功率大所以减摇效果更加明显。

将基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台看做一个整体，其随体坐标系建立如图1的(xyz轴)所示，风机绕x轴的摇摆为纵摇运动，由于大部分情况下风、浪主要沿着y轴正方向，因此风机的纵摇相当明显，为此，陀螺减摇装置8在中心柱浮筒7内的安装细节如图2所示。首先在中心柱浮筒7内部建造一个隔板11，然后通过支架9将陀螺减摇装置8固定在隔板11上，整个陀螺减摇装置8安装在浮式风机的重心高度处，这样可以最大限度的发挥陀螺的减摇效果且不增加其他耦合作用。

需要注意的是，陀螺的转子的自转轴14应该与z轴重合，陀螺的进动轴12应该和y轴相平行，经过如此安装以后，当转子13达到设定转速，且浮式风机在风浪的作用下产生纵摇运动，这时外框架10由于浮式风机的纵摇运动，会带动高速转动的陀螺转子13一起产生进动作用，从而产生一个与风机纵摇方向相反的力矩，来抵消风浪作用在浮式风机上的外力矩，起到减摇的目的。陀螺减摇装置8的减摇效果与转子的转动惯量有关，转动惯量越大减摇效果越好，图3是陀螺转子结构的细节图，为了提高转子的转动惯量，在保证结构强度的前提下，加厚转子的外缘15、减小转子肋板16的厚度和转轴14的直径，同时在肋板16上开圆孔，如此可以以较低的成本实现较高的减摇效果，同时设计两个肋板也是为了均衡转子的结构受力。

综上所述，本实用新型的作用是能够明显的降低海上漂浮式风机在风、浪作用下的摇摆运动，提高其稳定性。将陀螺减摇装置放置到半潜式平台中心柱浮筒内部重心位置，利用陀螺转子的进动原理给浮式风机平台提供减摇回复力矩，提高了浮式风机的稳定性，有效的减小漂浮式风机在风和波浪作用下的摇摆运动，使风机处于更加平稳的工作状态，提高了风机的发电效率和安全性。本发明也可以用于海洋平台等其他类型的海洋结构物。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“至少一个”是指一个或一个以上；“A和B中的至少一个”，类似于“A和/或B”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B中的至少一个，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述，仅为本实用新型创造较佳的具体实施方式，但本实用新型创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型创造披露的技术范围内，根据本实用新型创造的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，其特征在于，包括

浮筒，所述浮筒包括三个边柱浮筒(3)和一个中柱浮筒(7)，所述三个边柱浮筒(3)设置为以所述中柱浮筒为中央，且所述三个边柱浮筒(3)在同一平面两两共线分布在所述中柱浮筒的外侧；

风机，所述风机通过塔架安装在所述中柱浮筒(7)上；

横撑，所述各边柱浮筒(3)通过所述横撑与所述中柱浮筒(7)连接，其中，所述一个横撑所在直线与所述风机的横摇轴的轴线在竖向面处于不同的高度且相互平行；

陀螺减摇装置(8)，所述中柱浮筒(7)内部设置所述陀螺减摇装置(8)，所述陀螺减摇装置(8)包括进动轴(12)以及自转轴(14)，在静止状态下，所述进动轴(12)所在直线与风机的横摇轴的轴线在竖向面处于不同的高度且相互平行，所述陀螺减摇装置(8)的自转轴(14)的轴线与塔架轴线重合。

2.根据权利要求1所述的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，其特征在于，所述三个边柱浮筒(3)在分布平面处于平面内一个正三角形的三个顶点位置。

3.根据权利要求2所述的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，其特征在于，所述中柱浮筒在分布平面处于平面内所述一个正三角形的中点位置，使各中柱浮筒在所述平面内与中柱浮筒等距，各所述横撑等长。

4.根据权利要求1所述的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，其特征在于，所述横撑包括上横撑(6)和下横撑(5)，所述上横撑(6)设置在与边柱浮筒(3)和所述中柱浮筒(7)的连接位置高于所述下横撑(5)设置在与边柱浮筒(3)和所述中柱浮筒(7)的连接位置。

5.根据权利要求1所述的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，其特征在于，所述陀螺减摇装置(8)还包括

转子(13)，所述自转轴(14)沿所述转子(13)轴向设置并由所述转子(13)的两个底面伸出所述转子(13)；

外框架(10)，所述外框架(10)包括由两个底板和两个侧板成型的矩形框架，通过所述两个底面上伸出的所述自转轴(14)将所述转子(13)设置在所述外框架(10)的两个底板之间，所述进动轴(12)设置在所述外框架(10)的两个侧板的外侧；

支架(9)，所述支架(9)设置在所述外框架(10)两侧板的外侧，通过所述进动轴(12)使所述外框架(10)可转动连接在所述支架(9)上。

6.根据权利要求5所述的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，其特征在于，所述转子(13)的外缘(15)设置在所述自转轴(14)的外周，且所述自转轴(14)通过肋板(16)连接所述外缘(15)。

7.根据权利要求6所述的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，其特征在于，所述肋板(16)在所述转子(13)的轴向上分布多层，且各层所述肋板(16)之间是空心结构，所述肋板(16)设置若干贯通圆孔。

8.根据权利要求1所述的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，其特征在于，所述中柱浮筒还包括隔板(11)，所述隔板(11)设置在所述中柱浮筒内部，所述陀螺减摇装置(8)设置在所述隔板(11)上。

9.根据权利要求1所述的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，其特征在于，还包括系泊系统(4)，所述系泊系统(4)与所述浮筒连接。

10.根据权利要求1所述的基于陀螺减摇装置的漂浮式风机平台，其特征在于，所述中柱浮筒(7)的筒直径大于所述边柱浮筒(3)的筒直径。

Images