一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统

1.本发明涉及振动控制技术领域，具体为一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统。


背景技术：

2.随着海上风电项目布局的加快和对海域环境的不断探索，海上风电产业逐渐向大功率、深远海方向发展，风机叶片越来越长、风机塔筒越来越高，高柔特性的风机叶片和风机塔筒更易在复杂海洋环境下振动问题更为突出，直接威胁风机的安全稳定运行并显著增加风电场的运维成本。
3.塔筒作为风力发电机的支撑部件，承受了风力发电机组的绝大部分荷载，特别是在浮式风电机组在风浪流联合作用下，振动问题更为突出，对整个风力发电机的正常运行和结构安全性带来不利影响，会导致发电机、逆变器、偏航系统、齿轮箱、液压系统和机械制动系统等加速度敏感机械设备的寿命折损，增加运行故障与维护成本，降低风力发电机的风能转化效率。为了解决这一问题，振动控制成为了一种有效的方法。目前振动控制主要有被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制几种方法。其中被动控制方法有自由层阻尼、被动约束阻尼、调谐质量阻尼器、调谐液柱阻尼器、粘弹性阻尼器等；主动控制方法有压电主动阻尼，主动约束层阻尼、主动质量阻尼器等；半主动控制方法有形状记忆合金、颗粒阻尼、磁流变或电流变阻尼器等；混动控制方法有压电阻尼复合材、混合质量阻尼等等。
4.目前，海上风机采用的普通调谐液柱球阻尼器是通过液体在u型管流动减振，振动时液体运动与边界层中粘性作用导致的工作液体水头损失实现耗能，普通调谐液柱球阻尼器为单一方向提供减振作用，在复杂环境荷载作用下功能有限，无法避免垂荡方向振动作用甚至由于自身重量加剧振动，并且可控制振动频带较窄。鉴于上述问题，申请人发明了一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，该系统通过协调调谐液柱球阻尼器立管和调谐液柱球阻尼器水平管内工作液体的自振频率，同时结合竖向弹簧的减振作用，具有三维半主动振动控制的效果，解决传统系统频带窄和控制方向单一的问题，从而提高了对复杂环境荷载的适应能力。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，通过设置安装风机所需的风机塔筒，在风机塔筒内部内壁上侧设置四组导轨，内腔下侧设置环形底板，在环形底板上设置弹簧底座及弹簧，在弹簧上部安装调谐液柱球阻尼器立管和滑轮组位于导轨上，调谐液柱球阻尼器立管底部之间安装调谐液柱球阻尼器水平管相通，调谐液柱球阻尼器水平管为十字形结构，在调谐液柱球阻尼器水平管中部安装球阀，调谐液柱球阻尼器水平管的支管中部安装单向双开门阀、门阀限位器、开关阀和压力传感器，在风机塔筒顶部安装振动感应器，调谐液柱球阻尼器立管和调谐液柱球阻尼器水平管内放置工作液体，用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统通过协调调谐液柱球阻尼器立管和
调谐液柱球阻尼器水平管内工作液体的自振频率，具有三维半主动振动控制的效果，解决传统系统频带窄和控制方向单一的问题。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，包括有风机塔筒、限位器、导轨、滑轮组、内腔、调谐液柱球阻尼器立管、调谐液柱球阻尼器水平管、弹簧、弹簧底座、工作液体、环形底板、三角加肋板、球阀、振动感应器、单向双开门阀、门阀限位器、开关阀、防护网和压力传感器，其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置在风机塔筒内，所述风机塔筒内侧上部设置内腔，风机塔筒内侧靠下端设置环形底板，所述环形底板下侧设置三角加肋板与风机塔筒内壁相连接，所述风机塔筒的内腔内沿圆周均分安装四组导轨，所述导轨两端设置限位器，所述导轨上安装滑轮组，所述滑轮组外侧安装调谐液柱球阻尼器立管，所述调谐液柱球阻尼器立管底部之间安装调谐液柱球阻尼器水平管，所述调谐液柱球阻尼器水平管结构为十字形，所述调谐液柱球阻尼器立管底部下方的环形底板上设置弹簧底座，所述弹簧底座上安装弹簧与调谐液柱球阻尼器立管底部相连接；所述调谐液柱球阻尼器水平管的十字形中部安装球阀，球阀外侧安装防护网，所述调谐液柱球阻尼器水平管的十字形的支管中部安装单向双开门阀，所述单向双开门阀中部设置开关阀，所述单向双开门阀后侧设置门阀限位器和压力传感器；所述风机塔筒的顶部位于调谐液柱球阻尼器立管的上方安装振动感应器；所述调谐液柱球阻尼器立管和调谐液柱球阻尼器水平管内有工作液体，所述风机塔筒内安装有控制模块。
7.进一步的，所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置在风机塔筒内，所述风机塔筒为支撑防护结构，根据使用要求可以设置在风机塔筒底部、顶部或者其他位置。
8.进一步的，所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有调谐液柱球阻尼器立管和调谐液柱球阻尼器水平管，所述调谐液柱球阻尼器立管和调谐液柱球阻尼器水平管结构为矩形管并采用刚性连接接通，所述调谐液柱球阻尼器立管顶部为封闭结构，调谐液柱球阻尼器立管和调谐液柱球阻尼器水平管的重量与风机的重量比重为2%-5%时控制效果最佳。
9.进一步的，所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置弹簧，弹簧固定在弹簧底座上并与调谐液柱球阻尼器立管铰接连接，弹簧并满足所需的刚度要求进一步的，所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有工作液体，所述工作液体可为纯净水、海水、甘油或者其他符合流动性的液体，且调谐液柱球阻尼器立管内工作液体的高度位于调谐液柱球阻尼器立管高度的一半处。
10.进一步的，所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有环形底板，所述环形底板的内径小于圆心至环形底板上安装的弹簧底座的距离。
11.进一步的，所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有三角加肋板，所述三角加肋板的布置为沿环形底板的中心圆心间隔45
°
角设置一块，三角加肋板在设置有弹簧底座处的底部进行局部加密。
12.进一步的，所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有球阀，所述球阀的直径为调谐液柱球阻尼器水平管内内接圆直径的50%-90%。
13.进一步的，所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有单向双开门阀，所述在同一调谐液柱球阻尼器水平管内放置打开的方向都需从球阀向外方向打开。
14.进一步的，所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统的调谐液柱球阻尼器立管、调谐液柱球阻尼器水平管、球阀、单向双开门阀、门阀限位器、开关阀、防护网和压力传感器表面涂刷覆盖防腐蚀层。
15.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：1、用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统配置有智能动态调节自振频率的控制模块，通过振动感应器、压力传感器、开关阀组成控制器组件进行相应频率调节，并通过加入球阀对普通的调谐液柱球阻尼器进行改进，将复杂的阀门控制系统转换为简单的控制系统，将被动控制变为半主动控制，同时拥有被动控制的优良效果也兼具通过少量能量调节扩宽控制频带达到更好的振动控制效果；2、用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统使用两个u形调谐液柱球阻尼器能对水平方向振动进行控制，同时当风机受到垂荡方向的振动时，整个调谐液柱球阻尼器作为一个整体机构充当调谐质量阻尼器的效果，通过质量块惯性与竖向弹簧恢复力的作用缓冲垂荡方向振动作用，当外部环境荷载从任意方向作用于风力发电机时都能够对多维度振动进行控制。
附图说明
16.图1是本发明整体结构轴测示意图；图2是本发明整体结构正视示意图；图3是本发明发明整体结构俯视示意图；图4是本发明局部结构示意图。
17.图中标记为：1、风机塔筒；11、限位器；12、导轨；13、滑轮组；2、内腔；21、调谐液柱球阻尼器立管；22、调谐液柱球阻尼器水平管；23、弹簧；24、弹簧底座；25、工作液体；3、环形底板；31、三角加肋板；4、球阀；41、振动感应器；42、单向双开门阀；43、门阀限位器；44、开关阀；45、防护网；46、压力传感器。
具体实施方式
18.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：如图1-2所示：所示为一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，包括有风机塔筒1、限位器11、导轨12、滑轮组13、内腔2、调谐液柱球阻尼器立管21、调谐液柱球阻尼器水平管22、弹簧23、弹簧底座24、工作液体25、环形底板3、三角加肋板31、球阀4、振动感应器41、单向双开门阀42、门阀限位器43、开关阀44、防护网45和压力传感器46，如图1-2所示，所示用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置风机塔筒1，风机塔筒1采用钢板焊接制作而成，所示风机塔筒1结构为圆筒形，所示风机塔筒1为支撑防护结构，将将本发明的调谐液柱阻尼减振系统安装在风机振动最为剧烈的位置处，最大化使用风机塔筒内空间，从而使调谐液柱球阻尼器减振系统内调谐液柱球阻尼器液体产生最优振荡回复力与阻尼力，以达到最佳减振效果，所示风机塔筒1内侧上部设置内腔2，风机塔筒1内侧靠下端设置环形底板3，环形底板3与风机塔筒1内壁采用焊接制作，所示环形底板3下侧设置三角加肋板31与风机塔筒1内壁相连接，所示环形底板3为镂空结构，方便在风机塔筒1内部安装发电机、逆变器、偏航系统、齿轮箱、液压系统和机械制动系统等走线或者预留使用空间，所示风机塔筒1
的内腔2内沿圆周均分安装四组导轨12，所示导轨12两端设置限位器11，所示导轨12上安装滑轮组13，所示滑轮组13外侧安装调谐液柱球阻尼器立管21，所示调谐液柱球阻尼器立管21底部之间安装调谐液柱球阻尼器水平管22，所示调谐液柱球阻尼器水平管22结构为十字形，所示调谐液柱球阻尼器立管21底部下方的环形底板3上设置弹簧底座24，所示弹簧底座24上安装弹簧23与调谐液柱球阻尼器立管21底部相连接，所示弹簧23的拉伸强度满足系统的减振需求，所示环形底板3的内径小于圆心至环形底板3上安装的弹簧底座24的距离，所示三角加肋板31的布置为沿环形底板3的中心圆心间隔45
°
角设置一块，三角加肋板31在设置有弹簧底座24处的底部进行局部加密，以提高系统整体安全性；如图3-4所示，所示调谐液柱球阻尼器水平管22的十字形中部安装球阀4，所示球阀4的直径为调谐液柱球阻尼器水平管22内内接圆直径的50%-90%，能有效的提高水头损失系数，达到最佳能量损耗，球阀4外侧安装防护网45，所示调谐液柱球阻尼器水平管22的十字形的支管中部安装单向双开门阀42，所示单向双开门阀42中部设置开关阀44，所示在同一调谐液柱球阻尼器水平管22内放置打开的方向都需从球阀4向外方向打开，所示单向双开门阀42后侧设置门阀限位器43和压力传感器46；所示风机塔筒1的顶部位于调谐液柱球阻尼器立管21的上方安装振动感应器41；所示调谐液柱球阻尼器立管21和调谐液柱球阻尼器水平管22内有工作液体25，所示工作液体25可为纯净水、海水、甘油或者其他符合流动性的液体，且调谐液柱球阻尼器立管21内工作液体25的高度位于调谐液柱球阻尼器立管21高度的一半处，所示调谐液柱球阻尼器立管21、调谐液柱球阻尼器水平管22、球阀4、单向双开门阀42、门阀限位器43、开关阀44、防护网45和压力传感器46表面涂刷覆盖防腐蚀层，所示风机塔筒内安装有控制模块，通过控制模块智能控制系统的运行。
19.如图1所示，所示用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有调谐液柱球阻尼器立管21和调谐液柱球阻尼器水平管22，所示调谐液柱球阻尼器立管21和调谐液柱球阻尼器水平管22结构为矩形管并采用刚性连接接通，所示调谐液柱球阻尼器立管21顶部为封闭结构，调谐液柱球阻尼器立管21和调谐液柱球阻尼器水平管22的重量与风机的重量比重为2%-5%时控制效果最佳，由于漂浮式风力机同时受多种环境荷载影响如风荷载、波浪荷载等，并不局限单一方向，当受到外部环境荷载时，风力机塔筒发生振动，调谐液柱球阻尼器立管21和调谐液柱球阻尼器水平管22中工作液体25随风机塔筒的振动在管道内来回震荡，当工作液体25由于惯性力作用从原有高度回荡时，由于设置的单向双开阀门42与球阀4作用，此时回荡路径空隙减小，从而工作液体25通过非线性相对运动和与边界层的粘性作用可以吸收和耗散结构振动能量，从而降低结构响应。同时当风机受到垂荡方向的振动时，整个调谐液柱球阻尼器立管21和调谐液柱球阻尼器水平管22作为一个整体机构充当调谐质量阻尼器的效果，通过质量块惯性与弹簧恢复力的作用缓冲垂荡方向振动作用；并在振动的同时通过振动传感器41、压力传感器46的组合对开关阀的控制下调节开关阀开合程度动态调节改变阻尼调节调谐液柱球阻尼器频率从而达到半主动控制的效果。
20.所示用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统中风机塔筒1上端振动传感器41与开关阀44、门阀限位器43前端压力传感器46，同时连接在控制模块上，当风机塔筒受到环境荷载并发生振动时，振动传感器41接收振动信号并反馈给控制模块并识别相对应振动频率并将信号发送给开关阀44，通过开关阀44的闭合程度根据相对应振动频率改变调谐液柱球阻尼器自振频率，从而得到更宽的可控频带，同时结合上述门阀限位器43前端压力传感器
46进行更加细微的调控，从而达到通过控制开关阀44的闭合程度对调谐液柱球阻尼器自振频率的调节。
21.本实施例实质上，同时考虑风力机组长时间运行动力特性发生变化自振频率发生变化的同时，调谐液柱球阻尼器也能同时通过控制调节开关阀44改变调谐液柱球阻尼器自振频率来进行对风力机组振动的良好控制，区别于普通阻尼器的单一方向控制的同时，系统还配置有智能动态调节自振频率的控制模块，通过振动感应相应调节频率，并通过加入球阀4对普通调谐液柱球阻尼器的改进，减少了复杂的阀门控制系统，将被动控制变为半主动控制，同时拥有被动控制的优良效果也兼具通过少量能量调节扩宽控制频带达到更好的振动控制效果。
22.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，包括有风机塔筒（1）、限位器（11）、导轨（12）、滑轮组（13）、内腔（2）、调谐液柱球阻尼器立管（21）、调谐液柱球阻尼器水平管（22）、弹簧（23）、弹簧底座（24）、工作液体（25）、环形底板（3）、三角加肋板（31）、球阀（4）、振动感应器（41）、单向双开门阀（42）、门阀限位器（43）、开关阀（44）、防护网（45）和压力传感器（46），其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置在风机塔筒（1）内，所述风机塔筒（1）内侧上部设置内腔（2），风机塔筒（1）内侧靠下端设置环形底板（3），所述环形底板（3）下侧设置三角加肋板（31）与风机塔筒（1）内壁相连接，所述风机塔筒（1）的内腔（2）内沿圆周均分安装四组导轨（12），所述导轨（12）两端设置限位器（11），所述导轨（12）上安装滑轮组（13），所述滑轮组（13）外侧安装调谐液柱球阻尼器立管（21），所述调谐液柱球阻尼器立管（21）底部之间安装调谐液柱球阻尼器水平管（22），所述调谐液柱球阻尼器水平管（22）结构为十字形，所述调谐液柱球阻尼器立管（21）底部下方的环形底板（3）上设置弹簧底座（24），所述弹簧底座（24）上安装弹簧（23）与调谐液柱球阻尼器立管（21）底部相连接；所述调谐液柱球阻尼器水平管（22）的十字形中部安装球阀（4），球阀（4）外侧安装防护网（45），所述调谐液柱球阻尼器水平管（22）的十字形的支管中部安装单向双开门阀（42），所述单向双开门阀（42）中部设置开关阀（44），所述单向双开门阀（42）后侧设置门阀限位器（43）和压力传感器（46）；所述风机塔筒（1）的顶部位于调谐液柱球阻尼器立管（21）的上方安装振动感应器（41）；所述调谐液柱球阻尼器立管（21）和调谐液柱球阻尼器水平管（22）内有工作液体（25），所述风机塔筒（1）内安装有控制模块。2.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置在风机塔筒（1）内，所述风机塔筒（1）为支撑防护结构，根据使用要求可以设置在风机塔筒（1）底部、顶部或者其他位置。3.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有调谐液柱球阻尼器立管（21）和调谐液柱球阻尼器水平管（22），所述调谐液柱球阻尼器立管（21）和调谐液柱球阻尼器水平管（22）结构为矩形管并采用刚性连接接通，所述调谐液柱球阻尼器立管（21）顶部为封闭结构，调谐液柱球阻尼器立管（21）和调谐液柱球阻尼器水平管（22）的重量与风机的重量比重为2%-5%时控制效果最佳。4.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置弹簧（23），弹簧（23）固定在弹簧底座（24）上并与调谐液柱球阻尼器立管（21）铰接连接，弹簧（23）并满足所需的刚度要求。5.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有工作液体（25），所述工作液体（25）可为纯净水、海水、甘油或者其他符合流动性的液体，且调谐液柱球阻尼器立管（21）内工作液体（25）的高度位于调谐液柱球阻尼器立管（21）高度的一半处。6.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有环形底板（3），所述环形底板（3）的内径小于圆心至环形底板（3）上安装的弹簧底座（24）的距离。7.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有三角加肋板（31），所述三角加肋板
（31）的布置为沿环形底板（3）的中心圆心间隔45
°
角设置一块，三角加肋板（31）在设置有弹簧底座（24）处的底部进行局部加密。8.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有球阀（4），所述球阀（4）的直径为调谐液柱球阻尼器水平管（22）内内接圆直径的50%-90%。9.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统设置有单向双开门阀（42），所述在同一调谐液柱球阻尼器水平管（22）内放置打开的方向都需从球阀（4）向外方向打开。10.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，其特征在于：所述用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统的调谐液柱球阻尼器立管（21）、调谐液柱球阻尼器水平管（22）、球阀（4）、单向双开门阀（42）、门阀限位器（43）、开关阀（44）、防护网（45）和压力传感器（46）表面涂刷覆盖防腐蚀层。

技术总结
本发明提出了一种用于漂浮式风电的调谐液柱阻尼减振系统，所述系统设置在风机塔筒内，风机塔筒内壁上设置四组导轨，下侧设置环形底板，所述环形底板上设置弹簧底座及弹簧，弹簧上部安装调谐液柱球阻尼器立管和滑轮组位于导轨上，所述调谐液柱球阻尼器立管底部之间安装十字形调谐液柱球阻尼器水平管相通，所述调谐液柱球阻尼器水平管中部安装球阀，支管中部安装单向双开门阀、门阀限位器、开关阀和压力传感器，风机塔筒顶部安装振动感应器，所述系统通过协调调谐液柱球阻尼器立管和调谐液柱球阻尼器水平管内工作液体流量动态调节系统自振频率，具有三维半主动振动控制的效果，解决传统系统频带窄和控制方向单一的问题，更适应于复杂海洋环境使用。更适应于复杂海洋环境使用。更适应于复杂海洋环境使用。


技术研发人员：张建华 王俊 孙科 王小宇 唐朝 李志川 祁雷 李宁 厉禹泽
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/9/22