一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统

技术领域

本发明涉及一种张力腿平台浮式风机。特别是涉及一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统。

背景技术

张力腿平台浮式风机是深远海风能资源开发利用的关键装备，主要由上部风轮及塔筒、下部浮体及张力腿系泊系统组成，起到了使风机结构稳定漂浮于海面并实现风能向电能转化的重要作用。海洋环境复杂，特别是在深远海区域。浮式风机结构在风、浪、流的联合作用下极易产生耦合动力响应问题，致使其出现风轮俯仰、塔筒侧摆等不良运动，并加剧发电功率起伏，甚至诱发结构破坏。另一方面，目前张力腿平台浮式风机的张力筋腱一般采用聚酯纤维缆作为主要材料，而聚酯缆长期服役下的蠕变松弛问题将导致张力筋腱预张力的缓慢衰减和因筋腱伸长所产生的浮体局部或整体抬升，迫使风机运维成本增加，从而限制了该类型浮式风机的应用范围。因此，张力腿平台浮式风机的整体姿态控制是保障其运转稳定、结构安全及成本低廉的关键性技术之一。

为了实现对浮式风机结构姿态的有效控制，至今已有一些手段及方法被提出。例如，通过调整叶片桨距角及发电机扭矩来控制结构气动载荷。然而，浮式风机是一种典型的欠驱动控制结构，单纯控制上部风轮的确能够达到降低结构气动载荷、缓解不良运动产生的目的，但此方法往往以牺牲系统的发电效能为代价，而且难以抵消海面下水动力所导致的结构运动。对于采用分布式锚链系泊方式的半潜浮式风机、单立柱浮式风机等，可通过浮体上配备的锚机和导链轮对部分锚链进行绞放，从而实现结构姿态及锚链载荷的调节。但该方法一般仅适用于各锚链选用悬链线布置形式，该布置形式下锚链张力较小，且张力调节对锚链绞放长度的敏感性低。

而张力腿平台浮式风机采用的是张力筋腱垂直系泊方式，系统的垂向系泊刚度高，筋腱内部张力巨大，且微小的筋腱长度改变量将造成张力的剧烈变化。若套用上述控制形式，无疑将对驱动器的动力性及操控精准性提出极高的要求，普通锚机则无法胜任。另外，与深海张力腿油气开发平台相似，当张力腿平台浮式风机步入深远海，结构设计或将钢管作为筋腱主要构件，钢管自身的弯曲刚度也导致其无法像锚链一样被绞放。

综上所述，有必要针对张力腿平台浮式风机的结构特点，专门提出一种主动式筋腱系泊系统，使该类型浮式风机具备整体姿态可控性，从而使风机在复杂海洋环境中兼顾结构安全和发电效能，同时降低后期运维成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种各根张力筋腱均具有自我调节能力的张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统。

本发明所采用的技术方案是：一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，包括有发电机舱，与所述发电机舱内部相连用于驱动设置在发电机舱内部的发电机发电的风轮叶片，所述发电机舱通过偏航系统设置在塔筒的顶端，所述塔筒的底端固定在浮体的顶部，所述浮体的底端固定在外伸悬臂梁的上端面中部，所述浮体内设置有控制计算机和与所述控制计算机相连的运动姿态传感器，外伸悬臂梁的四个悬臂梁分别通过一组张力筋腱组连接水下基础，四组所述的张力筋腱组均是由两个张力筋腱构成，每个所述的张力筋腱上端都是通过一个筋腱长度调节机构连接在所述悬臂梁的端部，每个所述的张力筋腱的下端固定在所述水下基础上，每个所述的张力筋腱通过所述的筋腱长度调节机构独立调节自身长度及预张力，通过对所有张力筋腱的联合调节，实现张力腿平台浮式风机整体姿态的调整。

本发明的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，张力筋腱具有自我调节能力，各根张力筋腱可独立调节自身长度及预张力；不同张力筋腱进行联合调节可实现风机整体姿态的控制。本发明能够有效规避由于筋腱高预张力、高刚度、不可绞而导致的筋腱长度控制困难问题，并且所采用的驱动形式可满足设备能耗的经济性要求，具有良好的可推广性。本发明具有以下有益效果：

1、本发明在张力筋腱调节中所采用的丝杠-蜗轮机构具有自锁功能，在无动力驱动蜗轮旋转时，丝杠能够在风机浮体中保持固定不动，将张力筋腱的张力作用传递至风机浮体结构。因此，在不对本发明中的张力筋腱长度调节机构提供能源及动力时，该机构将转化为一种相当于普通张力腿平台的被动式筋腱连接结构。这便为张力筋腱长度调节控制系统的非常态化运转提供了可能，即根据实时海况按需启用该系统，从而在没有调节需求时完全关闭系统并切断电力供应，进而达到为整个风机的电控系统节能增效的目的。这也意味着本发明是对现有风机结构自我调节能力的增强，当风机处于一般性的中、低海况时，仍可单独依靠自身原有的结构特性化解环境载荷动力响应。所以，该调节控制系统的引入不会大幅改变现有风机结构设计。

(2)本发明能够充分发挥被动式结构具有高结构可靠性的优势，同时兼顾主动式结构的可调节性。当张力筋腱长度调节控制系统被关闭时，调节机构将处于机械自锁状态，使得浮体与张力筋腱之间的连接可在大多数海洋环境条件下保持稳定、可靠且经久耐用。而在少数情况下启用张力筋腱长度调节控制系统的过程中，即使系统中出现部分设备意外失效的情况，调节机构也能依靠其自锁功能特性继续维持张力筋腱的有效连接及传力，不易出现张力筋腱从浮体结构中完全脱出等危险情况。在自锁机构的保护下，系统仅丧失驱动能力。这样可最大限度地降低因引入调节控制系统而给风机整体可靠性带来的不利影响。

(3)本发明所采用的张力筋腱长度调节机构充分贴合张力筋腱垂直系泊方式的力学特性。相较于半潜、单立柱等浮式风机的悬链线分布式系泊，张力腿平台浮式风机的张力筋腱内部张力巨大，在引入调节装置时若使张力筋腱与驱动器直联，则必然要求驱动器的动力输出应能承受张力筋腱的张力，否则将发生调节失控、张力筋腱脱出失效及驱动器受损等情况。另外，张力筋腱刚度大，微小的长度改变量将引起张力的剧烈波动，这要求驱动器还应具备一定短行程下的驱动精准性。然而，目前很难找到两方面兼顾的驱动器类型。本发明采用的传动机构具有“加力减速”的功效，在放大电机扭矩的同时降低速度、缩短行程，大幅降低了驱动电机动力性和精准性的适配条件。

(4)相比于压电驱动、记忆合金等新生驱动形式，伺服电机配合机械传动的驱动形式其工程应用范围广泛，具有机械效率高、设备可靠性高及制造装配成本低的特点，使得该技术路线及方案具有良好的工程应用可行性。同时，相比于调谐液柱阻尼器等已有大型减摇装置，伺服电机与机械传动相结合更有利于设备小型化，从而避免了因风机姿态调节装置大量占据浮体内部空间而导致的结构增重及压载空间不足的问题。此外，小型的电机及传动机构布置在风机浮体内部，不破坏结构的水动力外形，故而不会大幅影响原有结构设计的水动力性能。

(5)相比于系泊缆绞放，张力筋腱相对于浮体做升降直线运动的长度调节形式具有更广泛的应用前景。绞放调节仅能应用于锚链、聚酯缆等柔性弯曲构件作为张力筋腱选材的情况。而随着风机建造步入深远海并开始大型化发展，或将与深海张力腿油气平台设计类似，采用钢管作为张力筋腱选材。钢管自身具有弯曲刚度，无法绞放，届时本发明将为其提供一种可行的技术方案。

附图说明

图1是本发明一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统的整体结构示意图；

图2是本发明中悬臂梁端部剖视后，筋腱长度调节机构的分解结构示意图；

图3是图2中A的剖面部分的结构示意图；

图4是本发明中悬臂梁端部与图2不同位置剖视后，蜗杆和伺服电机的安装示意图；

图5是图4中B的剖面部分的结构示意图；

图6是每个悬臂梁端部中设置的两组蜗杆和伺服电机的结构示意图。

图中

1：风轮叶片                        2：发电机舱

3：塔筒                            4：浮体

5：外伸悬臂梁                      5.1：悬臂梁

6：张力筋腱                        7：水下基础

8：筋腱长度调节机构                8.1：丝杠

8.1.1：丝杠主体                    8.1.2：丝杠螺纹

8.1.3：蜗轮                        8.1.4：蜗齿

8.1.5：丝杠滑块                    8.2：丝杠通道

8.2.1：丝杠滑块导槽                8.2.2：丝杆升降位置传感器

8.2.3：蜗轮卡槽                    8.3：蜗杆

8.4：伺服电机                      9：筋腱连接器

10：静水面                         11：水线

12：剖面                           13：剖面

14：蜗杆安装空间                   15：电机安装空间

16：轴承

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，包括有发电机舱2，与所述发电机舱2内部相连用于驱动设置在发电机舱2内部的发电机发电的风轮叶片1，所述发电机舱2通过偏航系统设置在塔筒3的顶端，所述塔筒3的底端固定在浮体4的顶部，所述浮体4的底端固定在外伸悬臂梁5的上端面中部，所述浮体4内设置有控制计算机和与所述控制计算机相连的运动姿态传感器，外伸悬臂梁5的四个悬臂梁5.1分别通过一组张力筋腱组连接水下基础7，四组所述的张力筋腱组均是由两个张力筋腱6构成，每个所述的张力筋腱6上端都是通过一个筋腱长度调节机构8连接在所述悬臂梁5.1的端部，每个所述的张力筋腱6的下端固定在所述水下基础7上，每个所述的张力筋腱6通过所述的筋腱长度调节机构8独立调节自身长度及预张力，通过对所有张力筋腱6的联合调节，实现张力腿平台浮式风机整体姿态的调整。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，所述的筋腱长度调节机构8包括有形成于所述悬臂梁5.1的端部且上下贯通的丝杠通道8.2，贯穿的安装在所述丝杠通道8.2内的丝杠8.1，以及卡入在所述丝杠通道8.2侧壁中的用于驱动所述丝杠8.1上下移动的丝杠驱动机构，所述丝杠8.1的下端固定连接所述张力筋腱6的顶端。

如图1、图2所示，所述的丝杠8.1的下端是通过筋腱连接器9固定连接所述张力筋腱6的顶端，所述的筋腱连接器9内设置有张力传感器。

如图2所示，所述的丝杠8.1包括有丝杠主体8.1.1，形成在所述丝杠主体8.1.1中部的丝杠螺纹8.1.2，套在所述丝杠螺纹8.1.2的外侧、并与所述丝杠螺纹8.1.2为螺纹连接的蜗轮8.1.3，圆周向等间隔的形成在所述蜗轮8.1.3外壁上的一圈蜗齿8.1.4；所述的丝杠驱动机构包括有沿圆周方向向内凹进的形成在所述丝杠通道8.2内壁上用于嵌入所述蜗轮8.1.3的蜗轮卡槽8.2.3，沿所述悬臂梁5.1的宽度方向设置在所述蜗轮卡槽8.2.3处的蜗杆8.3，以及与所述蜗杆8.3相连的伺服电机8.4，所述的伺服电机8.4通过电缆连接设置在浮体4内部的控制计算机，且如图4、图6所示，每个悬臂梁5.1端部的两个筋腱长度调节机构8中的伺服电机8.4为相邻设置。所述的蜗杆8.3与形成在所述的蜗轮8.1.3外周壁上的一圈蜗齿8.1.4相啮合，在所述伺服电机8.4的驱动下由蜗杆8.3带动蜗轮8.1.3旋转，从而使与所述蜗轮8.1.3螺纹连接的丝杠主体8.1.1随蜗轮8.1.3的旋转方向不同而上下移动。

蜗轮卡槽8.2.3内壁紧密包围蜗轮8.1.3，使得蜗轮8.1.3在蜗轮卡槽8.2.3的限制下仅能进行自身原位的绕轴旋转运动，并带动丝杠8.1升降。

如图2、图3所示，所述的蜗轮卡槽8.2.3位于所述悬臂梁5.1高度的中部，所述的蜗杆8.3位于所述的蜗轮卡槽8.2.3高度的中部。

如图2、图3所示，所述的丝杠主体8.1.1在位于所述丝杠螺纹8.1.2的上部和下部轴向对称的形成有丝杠滑块8.1.5，所述的述丝杠通道8.2上对应所述的丝杠滑块8.1.5轴向形成有用于对所述丝杠滑块8.1.5进行导向的丝杠滑块导槽8.2.1，所述的丝杠滑块导槽8.2.1上设置有丝杆升降位置传感器8.2.2。

当丝杠8.1位置高度降至其四道上部的丝杠滑块8.1.5与蜗轮8.1.3顶面接触时，由于蜗轮8.1.3被限制在蜗轮卡槽8.2.3中无法垂向移动，蜗轮8.1.3顶面将抵住丝杠滑块8.1.5，阻止丝杠8.1.3继续下降，此时丝杠8.1达到运动行程下限；反之亦然，达到行程上限。

丝杠滑块8.1.5沿丝杠滑块导槽8.2.1运动，可使丝杠8.1相对外伸悬臂梁5进行升降，同时不产生相对旋转。蜗轮8.1.3驱动丝杠8.1产生的扭矩由丝杠8.1通过丝杠滑块8.1.5及丝杠滑块导槽8.2.1传递至浮体4而抵消。

如图4所示，所述的蜗杆8.3的两端是通过轴承16设置在所述丝杠通道8.2侧壁上。

如图4、图5所示，所述悬臂梁5.1的端部沿悬臂梁5.1的宽度形成有用于安装蜗杆8.3和伺服电机8.4的蜗杆安装空间14和电机安装空间15。其中，所述的蜗杆安装空间14与所述的丝杠通道8.2相通，保证在蜗杆安装空间14和丝杠通道8.2内分别安装了蜗杆8.3和丝杠8.1后，使蜗杆8.3能够与丝杠8.1中的蜗轮8.1.3上的蜗齿8.1.4相啮合。

蜗杆8.3两端嵌入所对应的轴承16，以两轴承16为支座形成简支梁结构。轴承16对蜗杆8.3的任何侧向运动趋势进行限位，并容许其绕轴自由旋转。蜗杆安装空间14为一圆柱形状，对蜗杆8.3进行轴向限位，用以抵消蜗杆8.3旋转时推动蜗轮8.1.3而产生的轴向反力，避免该反力直接作用在伺服电机8.4上。蜗杆安装空间14直径稍大于蜗杆8.3的外径避免了二者摩擦而造成动力损失。由于蜗杆8.3上的螺纹需与蜗轮8.1.3外周的蜗齿8.1.4相啮合，故蜗杆安装空间14与蜗轮卡槽8.2.3二者在空间上连通，形成双圆柱的相贯线边界。伺服电机8.4布置在蜗杆8.3一端，由矩形体电机安装空间15围闭并加以固定，电机安装空间15与蜗杆安装空间14连通。每个所述悬臂梁5.1的端部都设置有两个张力筋腱6，可采取关于外伸悬臂梁5轴线的对称布局形式。将独立驱动各张力筋腱6的伺服电机8.4尽可能置于结构内部，最大程度对设备实施保护。

本发明的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统的控制方法是：设置在风机浮体4内的控制计算机通过设置在风机浮体4内的运动姿态传感器获取张力腿平台浮式风机的姿态，并根据已设定的标准水线范围及浮体4位置相对于设计平衡位置的偏移量，来控制张力腿平台浮式风机的姿态，具体是通过控制不同伺服电机8.4的旋转位置来调整与所述伺服电机8.4相对应的张力筋腱6的升降，使张力腿平台浮式风机保持在设定目标位置范围；设置在风机浮体4内的控制计算机通过设置在悬臂梁5.1端部的丝杠通道8.2内壁上的丝杆升降位置传感器8.2.2以及筋腱连接器9内设置的张力传感器，获取张力筋腱6的长度及预张力，配合张力腿平台浮式风机的姿态控制过程，保证张力筋腱6的长度及预张力处于合理范围。