一种适用于海上风电桩基础的柔性抗冰结构

技术领域

本发明涉及海上风电工程技术领域，具体涉及一种适用于海上风电桩基础的柔性抗冰结构。

背景技术

随着国家对新能源的支持力度持续加强，绿色发展的理念更加得到贯彻，大量海上风电工程也在如火如荼进行着。我国海上风电建设已经全面开展，包括渤海海域的多个风电场建设。渤海湾冬季存在海冰的侵扰，海冰对风力发电机基础的影响严重，不仅存在较大的静力作用，而且在特定流速下会导致结构物的冰激振动。这不仅会降低发电量造成经济损失，甚至会造成结构物失效，产生安全问题。另外，海洋平台采用的抗冰锥结构可以解决上述问题，但此方式造成风机基础成本增加较多，而且极大的增加了施工难度及施工工期。

现有技术中也有相应的抗冰措施，例如中国专利文献CN 204267229U记载了一种海上风电机组基础结构破冰减震装置，通过牛腿、连接板及连接螺栓安置于冰激基础位置，通过破冰锥体是海冰破坏由挤压型破坏转为弯曲性破坏以减小基础结构损伤。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于海上风电桩基础的柔性抗冰结构，利用柔性机构，形成阻尼器改变桩基础的频率以避开流冰的冲击频率，以避免冰激振动引起的风电机组共振。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种适用于海上风电桩基础的柔性抗冰结构，包括桩基础，桩基础上固定冰与流冰的作用范围内，在桩基础四周设有固定连接的可收缩囊体，可收缩囊体采用柔性材料，可收缩囊体上设有进入阀，根据固定冰与流冰与桩基础之间的相互作用情况，通过进入阀向可收缩囊体内充入介质改变可收缩囊体外形及内部压力情况，可收缩囊体整体的频率特性改变从而避免冰激振动。

上述的可收缩囊体为环形，环形内侧与桩基础外侧固定连接，环形外侧为形变部分，与外部冰层接触。

上述的可收缩囊体上还设有排出阀，用于向外排出介质。

上述的可收缩囊体内充入介质为气体或者液体。

优选的方案中，上述的可收缩囊体内沿桩基础轴线方向上设有轴向隔层，轴向隔层在轴向上与可收缩囊体上下层密封连接，将可收缩囊体分割成不同的囊室，每个囊室上分别设有进入阀和排出阀。

优选的方案中，上述的轴向隔层设有多个，将可收缩囊体内部空间分割成多个不同的囊室，可收缩囊体最外层囊室为缓冲囊室，缓冲囊室内充入介质为气体，用于与流冰作用的缓冲，内层囊室为充压囊室，充压囊室内充入介质为液体或气体，用于将特定压力的介质改变可收缩囊体整体的频率特性。

优选的方案中，上述的桩基础外侧设有固定连接的浮冰振动传感器，浮冰振动传感器由连杆结构与桩基础固定连接，浮冰振动传感器在垂直方向上位于冰层所在位置，用于感知浮冰的冲击频率，桩基础内侧设有固定连接的桩基振动传感器，用于感知桩基础的摆动频率。

优选的方案中，上述的可收缩囊体内沿桩基础在径向平面上设有四个径向隔层，径向隔层在轴向方向上与可收缩囊体上下层密封连接，将可收缩囊体内部径向方向上分隔成四个部分，轴向隔层和径向隔层结合将可收缩囊体分隔成不同的径向隔层和轴向隔层，分隔成的每个囊室都设有进入阀和排出阀。

优选的方案中，上述的缓冲囊室由缓冲泵充入介质，所述的充压囊室由充压泵充入介质，缓冲泵电机由缓冲泵驱动器调节，充压泵电机由充压泵驱动器调节。

上述的缓冲泵驱动器和充压泵驱动器与控制器输出端电连接，控制器输出端还与各进入阀和排出阀电连接，浮冰振动传感器和桩基振动传感器与控制器输入端电连接，控制器根据接收到的浮冰冲击频率和桩基振动频率对缓冲泵和充压泵进行控制，进而调节各个囊室。

本发明提供的一种适用于海上风电桩基础的柔性抗冰结构，通过在桩基础外围设置可收缩囊体，通过囊体内充入不同的介质以改变原有桩基础的频率，形成阻尼器改变桩基础的频率以边开流冰的冲击频率，以避免冰激振动引起的风电机组共振，可以通过浮冰振动传感器和桩基振动传感器检测各流向的流冰冲击频率以及桩基的振动频率，通过控制装置改变充入各囊室的介质多少以及压力，从而改变固有频率，并通过缓冲囊室的阻尼作用减少冲击对桩体的影响，可以根据实际情况实时调整，智能程度高，在没有冰层时还可收缩至紧贴桩基，不会因为截面积的增大使洋流对桩基的作用力增大，适合在海上基础结构上使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的柔性抗冰结构示意图；

图2为充入介质的状态下的柔性抗冰结构示意图；

图3为优选方案中带轴向隔层的结构示意图；

图4为图3的径向截面示意图；

图5为优选方案带传感器的结构示意图；

图6为图5的径向截面示意图；

图7为优选方案中带径向隔层的径向截面示意图；

图8为优选方案的控制原理图。

图中：桩基础1、可收缩囊体2、进入阀3、排出阀4、轴向隔层5、缓冲囊室6、充压囊室7、浮冰振动传感器8、桩基振动传感器9、径向隔层10、控制器11、缓冲泵12、充压泵13、缓冲泵驱动器14、充压泵驱动器15。

具体实施方式

如图1中所示，一种适用于海上风电桩基础的柔性抗冰结构，包括桩基础1，固定冰与流冰存在与海平面上下附近，桩基础1垂直方向上固定冰与流冰的作用范围内，在桩基础1四周设有固定连接的可收缩囊体2，可收缩囊体2采用柔性材料，可收缩囊体2上设有进入阀3，根据固定冰与流冰与桩基础1之间的相互作用情况，通过进入阀3向可收缩囊体2内充入介质改变可收缩囊体2外形及内部压力情况，可收缩囊体2整体的频率特性改变从而避免冰激振动。

如图1中所示，上述的可收缩囊体2为环形，环形内侧与桩基础1外侧固定连接，环形外侧为形变部分，与外部冰层接触，充入介质时，可收缩囊体2外侧由收缩状态逐渐变为膨胀状态，通过充入介质的多少改变其固有频率，从而避免发生冰激振动从而引起桩基共振。

如图2中所示，上述的可收缩囊体2上还设有排出阀4，用于向外排出介质。

上述的可收缩囊体2内充入介质为气体或者液体。

优选的方案如图3和4中，上述的可收缩囊体2内沿桩基础1轴线方向上设有轴向隔层5，轴向隔层5在轴向上与可收缩囊体2上下层密封连接，将可收缩囊体2分割成不同的囊室，每个囊室上分别设有进入阀3和排出阀4，根据流冰的冲击情况可以选择不同的囊室充入介质，当流冰很少时，可以仅在最外层囊室充入气体达到缓冲效果即可，流冰较多较厚时，各个囊室都充入介质，根据流冰冲击频率或者固定冰破碎频率的不同选择充入介质压力以增高或者降低整体频率，使流冰的冲击频率与装置整体频率在截然不同的数值，避免引起冰激振动。

优选的方案中，上述的轴向隔层5设有多个，将可收缩囊体2内部空间分割成多个不同的囊室，可收缩囊体2最外层囊室为缓冲囊室6，缓冲囊室6内充入介质为气体，用于与流冰作用的缓冲，内层囊室为充压囊室7，充压囊室7内充入介质为液体或气体，用于将特定压力的介质改变可收缩囊体2整体的频率特性。

优选的方案如图5和6中，上述的桩基础1外侧设有固定连接的浮冰振动传感器8，浮冰振动传感器8由连杆结构与桩基础1固定连接，浮冰振动传感器8在垂直方向上位于冰层所在位置，用于感知浮冰的冲击频率，桩基础1内侧设有固定连接的桩基振动传感器9，用于感知桩基础1的摆动频率，浮冰振动传感器8可以从多个方向上感知冰层的冲击频率，从而对囊室的充入介质进行控制。

优选的方案如图7中，上述的可收缩囊体2内沿桩基础1在径向平面上设有四个径向隔层10，径向隔层10在轴向方向上与可收缩囊体2上下层密封连接，将可收缩囊体2内部径向方向上分隔成四个部分，轴向隔层5和径向隔层10结合将可收缩囊体2分隔成不同的径向隔层和轴向隔层，分隔成的每个囊室都设有进入阀3和排出阀4。

优选的方案如图8中，上述的缓冲囊室6由缓冲泵12充入介质，所述的充压囊室7由充压泵13充入介质，缓冲泵12电机由缓冲泵驱动器14调节，充压泵13电机由充压泵驱动器15调节。

如图8中所示，上述的缓冲泵驱动器14和充压泵驱动器15与控制器11输出端电连接，控制器11输出端还与各进入阀3和排出阀4电连接，浮冰振动传感器8和桩基振动传感器9与控制器11输入端电连接，控制器11根据接收到的浮冰冲击频率和桩基振动振动频率对缓冲泵12和充压泵13进行控制，进而调节各个囊室。

本结构的工作原理是：通过检测外部的固定冰破碎或者流冰的冲击频率，有针对性的对可收缩囊体2中各个囊室充入不同质量和压力的介质，从而改变固有频率，使其与冲击频率不在一个量级，避免引起冰激振动；

当不存在冰层时，可排出可收缩囊体2内的介质，可收缩囊体2紧贴桩基础1外围，减少桩基础1的截面积，避免受到更大的洋流影响；

当存在固定冰或者浮冰的冲击时，通过在外围设置的浮冰振动传感器8，检测各个方向上的冲击频率，通过桩基振动传感器9检测桩基的实际振动频率，从而对各个方向的囊室充入介质进行调整；

通过轴向设置的多个囊室，外层的缓冲囊室6通过充入一定压力的气体，使得外层囊室作为对浮冰冲击的阻尼，减少内部囊室和桩基础1收到的冲击影响；

上述的控制器采用西门子S7-1200型PLC，内部自带PID控制器，可以通过输入介质的固有特性参数，以及外围检测的冲击频率，对充入的介质数量和压力进行自动调整，达到智能化控制的目的。