一种海上浮式风力机减振装置及连接方法

技术领域

本发明涉及风力机结构减振控制技术领域，具体涉及的是海上浮式风力机减振技术。

背景技术

海上风电通常靠近能源消耗中心且风资源情况优于陆上风电，风电的利用开发正逐渐从陆地转向海洋，正呈现加速发展的态势，但由于近海空间资源有限，海上风电的发展也必然像过去油气工业那样，不断地从浅近海走向深远海。相应的，海上风力机支撑结构形式也伴随水深变化，从固定式支撑结构到漂浮式支撑结构演变。虽然现在浮式支撑结构成为了风力机领域的主流，但是，浮式支撑结构的本身也存在着一些问题。浮式支撑结构不同于固定式的支撑结构，它缺乏一定的稳定性。当工作于海上时，由于海水复杂的情况，浮式支撑结构会发生多向振动，导致支撑结构上的风力机发生摇晃，由于风力机的重量较大，摇晃会使结构整体的重心发生偏移，从而会导致结构倾覆破坏，造成严重的经济损失。为了防止这样的现象发生，降低浮式支撑结构在海水所产生的各种荷载作用下的多向振动，是解决这类问题的方法之一。

在浮式风力机的减振装置设计时，对材料的要求很高，不仅需要具有高强度、高抗腐蚀性以及耐疲劳等性能，还需具有一定的浮力，在提高浮式平台减振性能的同时，还需要控制风力机的平衡，使浮式平台的减振性能和平衡性能均达到最恰当的设计效果。

风电浮式平台工作于复杂多变的海洋环境中，由于受海水波浪载荷和海水侵蚀的影响较为严重，普通的材料难以胜任如此苛刻的工作环境，而超高性能水泥基复合材料具有抗剪抗拉强度大、抗腐蚀抗渗和有较高耐久性等优点，特别适合于海洋环境等严酷工况条件下的特种结构。聚苯乙烯泡沫材料具有较低的密度和较高的憎水能力，将超高性能水泥基复合材料和聚苯乙烯泡沫材料复合，将形成具有可较高漂浮可靠性的新型浮式模块，具有可持续特征的新型浮式结构平台设计概念。浮式平台外壁受到的海水波浪的作用是不稳定的，其冲击力随时间不断发生改变，液压式同性磁铁阻尼器，其通过同性磁铁与粘滞性液体结合使用，能够达到抗压抗震的功能，此阻尼器在外力作用下能够发生压缩，并产生阻尼力，当外力作用撤销，通过内部弹簧和磁铁能够恢复原来的状态。

故将上述的几种材料的优势引入风力机浮式平台减振中来，通过设计使用合理的连接，配合恰当的阻尼系统，不仅能够有效的防止平台在海水作用下被腐蚀破坏，而且能够降低平台在复杂荷载作用下的多向振动，更多耗散海水能量，提高稳定性，减少经济损失。因此，为了有效的降低在各种荷载作用下浮式平台的多向振动，提高风电的安全系数和使用寿命，提出了一种新型海上浮式风力机减振装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种海上浮式风力机减振装置及连接方法。

本发明是一种海上浮式风力机减振装置及连接方法，海上浮式风力机减振装置，包括圆形连接板1，高强螺栓2，风力机塔筒3，拼接板4，半圆型铁链拉环5，不锈钢链条6，滑动轨道7，柔性可弯曲钢板8，多向转动支座1号9，耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10，多向转动支座焊接板11，多向转动支座2号12，液压同性磁铁阻尼器13，弹性支撑系统14，圆形连接板1和拼接板4分别焊接于风力机塔筒3外壁，圆形连接板1和拼接板4通过高强螺栓2连接，组成一个固定端有较高强度的悬臂结构；半圆型铁链拉环5通过焊接分别与柔性可弯曲钢板8平端以及圆形钢板2底部连接，圆形连接板1上的半圆型铁链拉环5与柔性可弯曲钢板8上的半圆型铁链拉环5通过不锈钢铁链6连接；柔性可弯曲钢板8与耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10交点处通过焊接连接起来，当结构受到横向荷载时，柔性可弯曲钢板8能够通过设置在风力机塔筒3外壁上的滑动轨道7向上滑动，和液压同性磁铁阻尼器13共同作用产生减震作用。

本发明的海上浮式风力机减振装置的连接方法，其步骤为：

步骤（1）：在所述的圆形连接板1焊接于风力机周围一圈，通过高强螺栓2于下部拼接板4连接，半圆型铁链拉环5焊接于圆板下部自焊接端起4/5长度处，并以风力机塔筒3中心为圆心，按相同间距焊接半圆型铁链拉环5；

步骤（2）：在所述的柔性可弯曲板8平端的上部焊接对应的半圆型铁链拉环5，下部与耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10焊接，上下拉环使用不锈钢链条6连接，不锈钢链条6处于放松状态，柔性可弯曲板8弯曲端连接于设置在风力机塔筒3外壁的上下滑动轨道7；

步骤（3）：所述的多向转动支座1号9和多向转动支座2号12，分为两个部分，一部分为固定构件，另一部分为转动构件，固定构件底部为钢垫板，垫板中心设置有钢杆，在钢杆的另一端连接钢球，转动构件为包裹住钢球的一个套筒，能使套筒端能各向转动，固定构件端通过焊接连接于风力机侧壁；

步骤（4）：在所述的多向转动支座1号9连接板通过焊接与耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10连接，另一端通过多向转动支座2号12和液压同性磁铁阻尼器13的底部连接，与多向转动支座1号9形成液压同性磁铁阻尼系统，并绕风力机塔筒3一周按每个45°的间距连接于风力机塔筒3外壁周围一圈；

步骤（5）：在所述的弹簧支撑系统14由5个滑动弹簧支撑杆组成，其中4个一端通过焊接连接于风力机底部侧壁，另一端用同样的连接方法连接于耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10，每个支撑杆按水平面投影角度间距90°来设置，一个支撑杆与风力机中心轴重合布置，两端通过焊接分别连接于风力机底部和耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

1、本发明的浮式风力机减振装置在外荷载作用下对风力机整体损害小。传力构件采用液压同性磁铁阻尼系统，材料本身强度高、质量轻，同时阻尼系统在水平面内按相同角度布置，重心能够保持在风力机塔筒中心轴上，不会产生弯矩、扭矩，由于低密度材料和结构内的空气可使结构有一定的浮力，并且有很大的回复力矩，在较大的横向荷载作用下，不易倾倒。

2、本发明的浮式风力机减振装置能够保证结构稳定性，其与风力机形成一个整体结构，将结构整体重心与风力机塔筒中心轴重合，在平静的海面上，能够保证结构不会自然倒塌，当布置于复杂情况的海面时，由于耐腐蚀性轻质高强浮式外壁具有较大的浮力，且根据结构的圆锥外形均匀分布，能够提供较大的回复力矩，使风力机与原中心轴的偏移角度保持在规定的范围内。

3、本发明的阻尼系统能够合理的减小浮式平台在海水荷载多方向作用下产生的多向振动。通过阻尼器内部的液压系统和同性磁铁系统共同产生阻尼力，能够很好的耗散海水产生的能量，并且在海水荷载撤销后，由于阻尼器内存在的阻尼力，可使结构恢复原状。

4、本发明的弹簧支撑系统。由5个弹簧支撑杆组成，设置于风力机底部，当结构受到海浪扰动影响，能够耗散风力机塔筒惯性力产生的能量，并且能够和液压同性磁铁阻尼系统共同作用，起到固定风力机的作用。

5、本发明的弹簧支撑系统和液压同性磁铁阻尼系统结合起来的减振装置传力路径和减振设计是明确的。在横向，结构会受到海水的波浪冲击荷载，力传递到耐腐蚀性轻质高强浮式外壁，外壳向风力机方向压缩，再将力传递到液压同性磁铁阻尼器，阻尼器压缩，产生阻尼力，消耗海水产生的能量，液压同性磁铁阻尼器的布置垂直于耐腐蚀性轻质高强浮式外壁，与海水波浪荷载分解到耐腐蚀性轻质高强浮式外壁法方向的力的方向重合，能够提高液压同性磁铁阻尼器在结构中的工作效率；在竖向，结构会受到海水扰动的影响，风力机塔筒在惯性作用下会上下振动，此时底部侧壁的支撑杆提供竖向的分力和横向的分力，横向分力用于固定风力机底部，竖向分力则对风力机起到承压作用，由于弹簧支撑杆内部设置有高强度弹簧，能够通过上下阻尼振动来消耗风力机塔筒上下振动传递而来的能量，故而这两个系统在传力路径和减振设计上是最优的。

6、本发明的浮式风力机减振装置所涉及的零件均能够利用当前加工技术轻易实现，在工厂进行相应的预制后，进行现场组装，加工性能强、连接性强。

附图说明

图1为本发明的海上浮式风力机减振装置内部连接完成后剖面示意图，图2为本发明的海上浮式风力机减振装置俯视效果图，图3为本发明的海上浮式风力机减振装置中5号结点三维组装效果图，图4为本发明的海上浮式风力机减振装置中14号构件效果图，图5为本发明的海上浮式风力机减振装置中13号构件剖面图，图6为本发明的海上浮式风力机减振装置中7号构件三维拆分效果图；附图标记及对应名称为：1：圆形连接板，2：高强螺栓，3：风力机塔筒外壁，4：拼接板，5：半圆形铁链拉环，6：不锈钢链条，7：滑动轨道，8：柔性可弯曲钢板，9：多向转动支座1号，10：耐腐蚀性轻质高强浮式外壁，11：多向转动支座焊接板，12：多向转动支座2号，13：液压同性磁铁阻尼器，14：弹性支撑系统，51：焊接板，52：半圆型铁链拉环，53.不锈钢铁链，141：弹簧承台，142：高强度弹簧，143：橡胶塞，144：高强度支撑杆，145：转动球接头，146：球支座垫板，131：多向转动支座1号，132：阻尼器承压杆，133：阻尼器外壁，134：磁铁1号，135：高强度弹簧，136：磁铁2号，137：磁铁固定板，138：阻尼器尾部连接扣，71：斜坡型滑动轨道，72：轨道滑块，73：连接螺母，74：连接螺钉，75：滑块连接扣，76，柔性可弯曲钢板连接扣。

具体实施方式

如图1～图6所示，本发明是一种海上浮式风力机减振装置及连接方法，海上浮式风力机减振装置，包括圆形连接板1，高强螺栓2，风力机塔筒3，拼接板4，半圆型铁链拉环5，不锈钢链条6，滑动轨道7，柔性可弯曲钢板8，多向转动支座1号9，耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10，多向转动支座焊接板11，多向转动支座2号12，液压同性磁铁阻尼器13，弹性支撑系统14，圆形连接板1和拼接板4分别焊接于风力机塔筒3外壁，圆形连接板1和拼接板4通过高强螺栓2连接，组成一个固定端有较高强度的悬臂结构；半圆型铁链拉环5通过焊接分别与柔性可弯曲钢板8平端以及圆形钢板2底部连接，圆形连接板1上的半圆型铁链拉环5与柔性可弯曲钢板8上的半圆型铁链拉环5通过不锈钢铁链6连接；柔性可弯曲钢板8与耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10交点处通过焊接连接起来，当结构受到横向荷载时，柔性可弯曲钢板8能够通过设置在风力机塔筒3外壁上的滑动轨道7向上滑动，和液压同性磁铁阻尼器13共同作用产生减震作用。

如图1、图2所示，风力机塔筒3底部设置弹性支撑系统14能减轻在海水作用下产生的惯性力，风力机塔筒3的侧面加设多向转动支座1号9，能防止风力机塔筒3在上下振动过程中，液压同性磁铁阻尼器13的节点发生局部破坏；液压同性磁铁阻尼器13通过同性磁铁和粘滞性液体的结合使用以达到阻尼器的效果，当侧壁受到海水冲击力时，减振装置的耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10会向风力机的方向发生水平位移，液压同性磁铁阻尼器13在位移过程中能够提供支撑力，以耗散海水产生的能量；多向转动支座2号12通过多向转动支座焊接板11焊接于耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10，并通过阻尼器尾部连接扣与液压同性磁铁阻尼器13连接，当风力机塔筒3在惯性力作用下，上下振动时，能够发生一定角度的转动，使结构不会遭到破坏；弹性支撑系统14通过弹簧不断消耗风力机在惯性力作用下产生的能量，并且通过底部及侧向的多向转动支座1号9的共同作用，固定风力机。

如图1所示，所述的柔性可弯曲钢板8的弯曲端在水平荷载作用下，柔性可弯曲钢板8能够通过风力机塔筒3上的滑动轨道7向上滑动，滑动轨道7设置于风力机塔筒3侧壁，柔性可弯曲钢板8弯曲端通过在钢板边缘设置的滑块，连接在滑动轨道7上，使柔性可弯曲钢板8上下滑动。

如图1、图4所示，所述的弹性支撑系统14由5个形同结构的弹簧支撑杆组成，弹簧支撑杆由两个弹簧套筒和一根高强度支撑杆144构成，弹簧套筒内部靠近支座端设置弹簧承台141，靠近高强度支撑杆144的端部设置橡胶塞143，橡胶塞143与高强度支撑杆144的端头连接，并且能够贴着内壁上下滑动，弹簧支撑杆的两端，通过转动球接头146分别与风力机塔筒3和耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10焊接连接。

如图1、图5所示，所述的液压同性磁铁阻尼器13通过多向转动支座1号131与风力机塔筒3连接，以及阻尼器尾部连接扣138与多向转动焊接板上的万向转动接头组成阻尼系统5，阻尼器内部磁铁1号134安装在阻尼器132的端头处，磁铁2号136安装在阻尼器底部的磁铁固定板137上，磁铁1号134和磁铁2号136之间设置两个高强度弹簧135，位置为磁铁长边的三等分点处，且高强度弹簧135处于自然状态。

如图1、图6所示，所述的可滑动柔性板系统由斜坡型滑动轨道71、轨道滑块72和柔性可弯曲连接板8组成，斜坡型滑动轨道71内设置滚珠，轨道滑块72能沿着斜坡型滑动轨道71上下滑动，柔性可弯曲连接板8端头处的柔性可弯曲钢板连接扣76与轨道滑块72上的滑块连接扣75通过螺母73和螺钉74连接，柔性可弯曲钢板连接扣76能绕着螺钉74自由转动。

如图1所示，所述的阻尼系统由多向转动支座1号9、多向转动支座焊接板11、多向转动支座2号12和液压同性磁铁阻尼器13组成，用以消耗海水冲击力所产生的能量，多向转动支座1号9与风力机塔筒3的外壁，以及多向转动支座焊接板11与耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10分别通过焊接连接起来。

如图1所示，所述的弹性支撑系统14由5个弹簧减振套筒组成，其中4个与风力机中心轴呈45°反向连接于风力机外壁和耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10上，1个与风力机塔筒中心轴重合连接于风力机外壁和耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10，弹簧减振套筒由两个弹簧套筒分别连接一根高强度铁杆两端组成，受到外荷载时能够发生收缩。

本发明的海上浮式风力机减振装置的连接方法，如图1~图6所示，其步骤为：

步骤（1）：在所述的圆形连接板1焊接于风力机周围一圈，通过高强螺栓2于下部拼接板4连接，半圆型铁链拉环5焊接于圆板下部自焊接端起4/5长度处，并以风力机塔筒3中心为圆心，按相同间距焊接半圆型铁链拉环5；

步骤（2）：在所述的柔性可弯曲板8平端的上部焊接对应的半圆型铁链拉环5，下部与耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10焊接，上下拉环使用不锈钢链条6连接，不锈钢链条6处于放松状态，柔性可弯曲板8弯曲端连接于设置在风力机塔筒3外壁的上下滑动轨道7；

步骤（3）：所述的多向转动支座1号9和多向转动支座2号12，分为两个部分，一部分为固定构件，另一部分为转动构件，固定构件底部为钢垫板，垫板中心设置有钢杆，在钢杆的另一端连接钢球，转动构件为包裹住钢球的一个套筒，能使套筒端能各向转动，固定构件端通过焊接连接于风力机侧壁；

步骤（4）：在所述的多向转动支座1号9连接板通过焊接与耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10连接，另一端通过多向转动支座2号12和液压同性磁铁阻尼器13的底部连接，与多向转动支座1号9形成液压同性磁铁阻尼系统，并绕风力机塔筒3一周按每个45°的间距连接于风力机塔筒3外壁周围一圈；

步骤（5）：在所述的弹簧支撑系统14由5个滑动弹簧支撑杆组成，其中4个一端通过焊接连接于风力机底部侧壁，另一端用同样的连接方法连接于耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10，每个支撑杆按水平面投影角度间距90°来设置，一个支撑杆与风力机中心轴重合布置，两端通过焊接分别连接于风力机底部和耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10。

以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。

由图1、图2所示，本发明的是海上浮式风力机减振装置及连接方法，其结构是由阻尼系统、可滑动柔性板系统、附属结构、风力机塔筒3、耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10及弹性支撑系统14组成的一个整体装置。所述的可滑动柔性板系统是由滑动轨道、轨道滑块和柔性可弯曲钢板组成，轨道焊接于风力机塔筒3侧壁，柔性可弯曲钢板通过螺栓与轨道滑块连接；所述的附属结构，包括圆形连接板1、高强螺栓2、拼接板4、半圆型铁链拉环5、不锈钢链条6、多向转动支座1号9及多向转动支座焊接板11；所述的圆形连接板1和拼接板4通过焊接连接于风力机塔筒3外壁，两者之间紧密贴合，两者再通过高强螺栓2连接；所述的半圆型铁链拉环5，每两个分为一组，其中一个焊接于圆形连接板1底部，另一个焊接于柔性可弯曲连接板8与耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10连接处；所述的耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10，采用轻质高强的材料制作而成，并且在表面喷涂高分子防水材料，通过焊接连接与柔性可弯曲连接板8连接；所述的多向转动支座1号9和多向转动支座焊接板11作为连接构件将阻尼系统5与风力机塔筒3和耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10连接；

由图3所示，所述的半圆型铁链拉环5的焊接板51用于与其他构件焊接连接，拉环52用来连接不锈钢铁链6，焊接板51和拉环52通过预制而成；

由图4所示，所述的弹性支撑系统由5个形同结构的弹簧支撑杆组成，弹簧支撑杆由两个弹簧套筒和一根高强度支撑杆144构成，弹簧套筒内部靠近支座端设置弹簧承台141，靠近高强度支撑杆144端设置橡胶塞143，橡胶塞143与高强度支撑杆144端头连接，并且能够贴着内壁上下滑动，弹簧支撑杆的两端，通过转动球接头146分别与风力机塔筒3和耐腐蚀性轻质高强浮式外壁10焊接连接；

由图5所示，所述的液压同性磁铁阻尼器通过多向转动支座1号131与风力机塔筒3连接，以及阻尼器尾部连接扣138与多向转动焊接板上的万向转动接头组成阻尼系统5，阻尼器内部磁铁1号134安装在阻尼器132的端头处，磁铁2号136安装在阻尼器底部的磁铁固定板137上，磁铁1号134和磁铁2号136之间设置两个高强度弹簧135，位置为磁铁长边的三等分点处，且高强度弹簧135处于自然状态；

由图6所示，所述的可滑动柔性板系统由斜坡型滑动轨道71、轨道滑块72和柔性可弯曲连接板8组成，斜坡型滑动轨道71内设置滚珠，轨道滑块72可沿着斜坡型滑动轨道71上下滑动，柔性可弯曲连接板8端头处的柔性可弯曲钢板连接扣76与轨道滑块72上的滑块连接扣75通过螺母73和螺钉74连接，柔性可弯曲钢板连接扣76可绕着螺钉74自由转动。

本发明主要是利用阻尼器来达到耗散振动能量的作用，阻尼器通过尾部的滑动铰支座和承压杆端头处的多向转动支座可靠的将结构连接成一个整体，构成合理的受力体系。当海水波浪荷载作用于耐腐蚀性轻质高强浮式外壁时，通过可滑动柔性板系统中柔性可弯曲钢板沿着轨道向上滑动，能够使耐腐蚀性轻质高强浮式外壁发生朝风力机塔筒方向的水平位移，此时力通过耐腐蚀性轻质高强浮式外壁传递到液压同性磁铁阻尼器，阻尼器发生压缩，并在压缩过程中，减小海水荷载所产生的能量。由于海上复杂的环境，结构还会产生随海水波浪上下起伏的振动，此时风力机塔筒底部设置的弹性支撑系统能够通过套筒内部的弹簧，逐渐耗散风力机由于惯性力而产生的能量。结构内部的两个耗能系统，能够同时用于消耗竖向和横向荷载所产生的能量，并且构造简单，传力明确，便于设计和计算，施工工艺简单，结构所用的耐腐蚀性轻质高强浮式外壁使用轻质高强低密度的复合材料制作而成，能够保证结构在海上工作时的有足够的浮力和稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本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，均应包含在本发明的保护范围之内。