一种适用于海上风电机组的移动式阻尼器系统及工作方法

摘要

一种适用于海上风电机组的移动式阻尼器系统及工作方法，属于海洋工程结构抗风、抗震技术领域。为控制海上风电机组结构顺风向和侧风向的振动，在导管架基础平台沿顺风向和侧风向各布置一个被动调谐质量阻尼器。电控系统接入风机组的偏航系统，实时获取偏航控制信号，启动驱动机构和电磁式刹车机构，使阻尼器沿双环形轨道移动到指定位置，完成阻尼器的主动调整。该系统可根据风向改变被动调谐质量阻尼器位置实现最佳的减振效果。该发明适用于空间受限且需要根据风向改变被动调谐质量阻尼器位置进行减振控制的固定式海上风电机组；充分利用导管架平台空间，提高自动化程度和操作的安全性。

说明书

技术领域

一种适用于海上风电机组的移动式阻尼器系统及工作方法，属于海洋工程结构抗风、抗震技术领域。

背景技术

海上风能作为一种清洁的可再生能源，对于改善能源系统结构，保护生态环境具有深远意义。目前，海上风电场的建设趋势逐渐倾向于选型超大尺寸和超高功率的风电机组，这意味着需要将其布置到风场条件更为优越的深远海海域，从而使得海上风电机组结构面临的环境条件更为复杂，对于其安全设计和正常运行提出了更高要求。运行期内风荷载作为主要外部荷载，由其所产生的疲劳损伤是整体结构安全的主要影响因素，同时波浪、地震等随机荷载的影响亦不可忽视。因此，如何保证海上风电机组结构在风、浪、地震等随机荷载作用下的安全性已成为关键技术问题。目前，通过单一的增加结构刚度来提高结构安全性极大降低了海上风电机组的经济性，限制了海上风电的技术发展，因此，有必要引入被动调谐质量阻尼器以降低结构响应，提高海上风能资源开发的经济性。考虑到海上风电机组的结构形式，将被动调谐质量阻尼器布置于风机组机舱内无法降低高阶模态控制的运动响应。需指出，当风向发生变化时，海上风电机组将启动偏航控制策略，使得其主轴方向也发生变化，此时沿某一方向布置的被动调谐质量阻尼器的减振效果将被削弱。现阶段，对沿风机组塔筒布置的被动调谐质量阻尼器，还未能实现其布置方向随风向变化主动调整。

发明内容

针对现有技术的不足，提出了一种可移动式被动调谐质量阻尼器系统，不仅可以根据风向变化改变被动调谐质量阻尼器位置实现最佳的减振效果，还具有结构形式简单、易于布置、安装和稳定性强等优点。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于海上风电机组的移动式阻尼器系统，海上风电机组中在泥面以下桩上设置弦杆，泥面处相邻弦杆下部设置泥撑，其它相邻弦杆中间通过X型斜撑加固；弦杆的顶部设有导管架基础平台，其周围设置栏杆；导管架基础平台上固定主筒体，二者之间设置上斜撑；主筒体上设置塔筒，塔筒支撑上部风机；导管架基础平台内设有偏航系统和电控系统；

所述导管架基础平台上设置双环形轨道，在双环形轨道上设置两个结构相同、互为90度角的被动调谐质量阻尼器，所述被动调谐质量阻尼器位于迎风方向的为被动调谐质量顺风阻尼器，另一个为被动调谐质量侧风阻尼器；

所述被动调谐质量阻尼器采用车架上方设置阻尼器主体，阻尼器主体内侧设置质量块和质量调整盘，顶部设置上盖，在质量块与阻尼器主体之间设置弹簧，弹簧的一端顶在质量块的侧面，另一端限位于阻尼器主体内侧的弹簧坑中，在质量块的底部设有四个滑动柱，滑动柱的上端与质量块连接，滑动柱的下端球头与车架的上表面相接触，在下端球头周边设有限位板；

所述车架下方设置由驱动机构驱动的驱动车轮组和由电磁式刹车机构制动的刹车车轮组，电磁式刹车机构不通电时为刹车状态，通电后刹车片松开，由驱动机构驱动驱动车轮组让被动调谐质量阻尼器沿着双环形轨道移动；

所述电控系统与驱动机构、电磁式刹车机构、偏航系统进行电连接。

所述的一种适用于海上风电机组的移动式阻尼器系统的工作方法，包括以下步骤：

S1、在双环形轨道的xy坐标系上，x轴与双环形轨道的交点处设置被动调谐质量顺风阻尼器，y轴与双环形轨道的交点处设置被动调谐质量侧风阻尼器；

S2、在风向改变时，电控系统通过偏航系统测得来风方向，xy坐标系改变为x1y1或x2y2坐标系，来风方向为x1或x2轴方向；

S3、从x轴到x1轴之间的转角为逆时针时，电控系统将电磁式刹车机构（17），同时启动驱动机构将被动调谐质量顺风阻尼器沿着双环形轨道逆时针方向移动至x1轴处，同时将被动调谐质量侧风阻尼器沿着双环形轨道逆时针方向移动至y1轴处，电控系统关闭驱动机构并关闭电磁式刹车机构锁定被动调谐质量阻尼器；

S4、从x轴到x2轴之间的转角为顺时针时，电控系统将电磁式刹车机构打开，同时启动驱动机构将被动调谐质量顺风阻尼器沿着双环形轨道顺时针方向移动至x2轴处，同时将被动调谐质量侧风阻尼器沿着双环形轨道顺时针方向移动至y2轴处，电控系统关闭驱动机构并关闭电磁式刹车机构锁定被动调谐质量阻尼器。

本发明可适用于深远海固定式基础超大型海上风电机组，通过双环形轨道将被动调谐质量阻尼器布设于海上风电机组导管架基础平台位置；导管架平台处布置一个双环形轨道可使被动调谐质量阻尼器进行顺时针或逆时针移动。为控制海上风电机组结构顺风向和侧风向的振动，在导管架基础平台沿顺风向和侧风向各布置一个被动调谐质量阻尼器。被动调谐质量阻尼器通过安装于底部的车轮组布置于导管架基础平台的双环形轨道上，阻尼器底部安装用于驱动驱动车轮组的驱动机构，刹车车轮组处安装电磁式刹车机构。电控系统能够接入风机组的偏航系统，实时获取偏航控制信号，并根据信号启动驱动机构从而使被动调谐质量阻尼器沿双环形轨道移动到指定位置。然后关闭驱动机构和电磁式刹车机构，完成被动调谐质量阻尼器的主动调整。

本发明的有益效果是：可根据风向改变被动调谐质量阻尼器位置实现最佳的减振效果。充分利用导管架平台空间，提高自动化程度和操作的安全性。该发明适用于空间受限且需要根据风向改变被动调谐质量阻尼器位置进行减振控制的固定式海上风电机组。

附图说明

图1是导管架基础海上风电机组的示意图。

图2是一种适用于海上风电机组的移动式阻尼器系统的布置方案。

图3是被动调谐质量阻尼器的结构主视图。

图4是图3中的A-A视图。

图5是图3中的B-B视图。

图6是图3中的C-C视图。

图7是电控系统的工作原理图。

图中：1、桩，2、泥撑，3、弦杆，4、X型斜撑， 5、导管架基础平台，6、栏杆，7、主筒体，8、上斜撑，9、塔筒，10、上部风机，11、双环形轨道，

12、被动调谐质量顺风阻尼器，12a、被动调谐质量侧风阻尼器，13、偏航系统，14、电控系统，15、驱动车轮组，15a、刹车车轮组，16、驱动机构，17、电磁式刹车机构，18、质量块，18a、质量调整盘，19、弹簧，20、滑动柱，21、车架，22、限位板，23、阻尼器主体，23a、上盖。

具体实施方式

下面结合附图对一种适用于导管架基础海上风电机组的可移动式被动调谐质量阻尼器系统作进一步说明。

图1、2示出了一种适用于海上风电机组的移动式阻尼器系统，海上风电机组中在泥面以下的桩1上设置弦杆3，泥面处相邻弦杆3下部设置泥撑2，其它相邻弦杆3中间通过X型斜撑4加固；弦杆3的顶部设有导管架基础平台5，其周围设置栏杆6；导管架基础平台5上固定主筒体7，二者之间设置上斜撑8；主筒体7内设置塔筒9，塔筒9支撑上部风机10。导管架基础平台5内设有偏航系统13和电控系统14。导管架基础平台5上设置双环形轨道11，在双环形轨道11上设置两个结构相同、互为90度角的被动调谐质量阻尼器，被动调谐质量阻尼器位于迎风方向的为被动调谐质量顺风阻尼器12，另一个为被动调谐质量侧风阻尼器12a。

图3、4、5、6、示出了被动调谐质量阻尼器的结构图。图中，被动调谐质量阻尼器采用车架21上方设置阻尼器主体23，阻尼器主体23内侧设置质量块18和质量调整盘18a，根据总质量要求可选择数个质量调整盘18a用螺栓固定在质量块18上，再在顶部固定上盖23a。在质量块18与阻尼器主体23之间设置弹簧19，弹簧19的一端顶在质量块18的侧面，另一端限位于阻尼器主体23内侧的弹簧坑中，在质量块18的底部设有四个滑动柱20，滑动柱20的上端与质量块18采用螺纹连接，滑动柱20的下端球头与车架21的上表面相接触，在下端球头周边设有限位板22；

车架21下方设置由驱动机构16驱动的驱动车轮组15和由电磁式刹车机构17制动的刹车车轮组15a，电磁式刹车机构17不通电时为刹车状态，通电后刹车片松开，由驱动机构16的电机驱动驱动车轮组15让被动调谐质量阻尼器沿着双环形轨道11移动。

图7示出了电控系统的工作原理图。电控系统14与驱动机构16、电磁式刹车机构17、偏航系统13进行电连接。

阻尼器的工作原理：阻尼器中质量块18受力后向力的方向运动时，受力侧的弹簧伸张，非受力侧的弹簧被压缩，以达到减振的效果。同时设置在质量块18上的滑动柱20也随着运动，滑动柱20的底端作用在车架21的上表面，因摩擦力产生阻尼作用。同时滑动柱20受限位板22的限位作用，只能沿着固定方向移动。

电控系统14接入到海上风电机组的偏航系统13，实时获取偏航控制信号。根据实时偏航控制信号，电控系统14启动驱动机构16带动被动调谐质量阻尼器沿双环形轨道11顺时针或逆时针移动，当被动调谐质量阻尼器5移动至指定位置后，电控系统14关闭驱动机构16和电磁式刹车机构17，以锁紧刹车车轮组15a，并固定被动调谐质量阻尼器。具体包括以下步骤：

S1、在双环形轨道11上设置坐标系xy，设置两个被动调谐质量阻尼器；在x轴与双环形轨道11的交点处设置被动调谐质量顺风阻尼器12，在y轴与双环形轨道11的交点处设置被动调谐质量侧风阻尼器12a；

S2、电控系统14通过偏航系统13测得来风方向，并设置坐标系x1y1，来风方向为x1轴方向；

S3、若x1轴与x轴之间的夹角为正时，电控系统14将电磁式刹车机构17打开，同时启动驱动机构16将被动调谐质量顺风阻尼器12沿着双环形轨道11逆时针方向移动至x1轴与双环形轨道的交点处且将被动调谐质量侧风阻尼器12a沿着双环形轨道11逆时针方向移动至y1轴与双环形轨道的交点处，电控系统14关闭驱动机构16和电磁式刹车机构17锁定被动调谐质量阻尼器；

S4、若x1轴与x轴之间的夹角为负时，电控系统14将电磁式刹车机构17打开，同时启动驱动机构16将被动调谐质量顺风阻尼器12沿着双环形轨道11顺时针方向移动至x1轴与双环形轨道的交点处且将被动调谐质量侧风阻尼器12a沿着双环形轨道11顺时针方向移动至y1轴与双环形轨道的交点处，电控系统14关闭驱动机构16和电磁式刹车机构17锁定被动调谐质量阻尼器。