CN113106999B - 一种附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构 - Google Patents

Abstract

一种附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构涉及海上风电领域，包括四个以风机塔筒为中心均匀分布的导管架腿柱，导管架腿柱由上至下向外倾斜设置成方锥形结构，用于支撑风机的过渡连接段与导管架腿柱顶端通过与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件固定，任意相邻的两个作为主支撑的导管架腿柱之间通过沿高度方向设置的多个斜撑组连接成整体，斜撑组由两个与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件采用焊接方式交叉设置组成。斜撑组及用于固定过渡连接段的与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件中的粘滞阻尼器一端为法兰盘，斜撑杆件一端铸有法兰盘，二者通过螺栓相连接；粘滞阻尼器的另一端为活塞杆，与斜撑杆件的另一端分别与导管架腿柱焊接连接。本发明以较低成本显著提高抗振性能。

Description

一种附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构

技术领域

本发明涉及海上风电领域，具体来说是一种附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构。

背景技术

现如今，因石油、煤炭等化石燃料日益枯竭而导致的能源危机不断加剧，以及因大量燃烧化石燃料所引发的环境污染和气候变化问题也愈发严重，世界各国家和地区纷纷将开发利用可再生的清洁能源作为能源发展战略的重要组成和实现可持续发展的重要方法。根据发展改革委和国家能源局对外发布的相关文件，明确到2030年，我国新增能源需求将主要依靠清洁能源满足。海上风电具有风能资源丰富且质量高、对环境友好以及适宜大规模开发等特点，因此促进海上风电产业的发展正是实现上述目标的有效途径之一。从当前我国已建成和待建设的海上风电项目来看，其中很大一部分海上风电场位于地震带附近，存在着潜在的高震害风险。因此，通过对海上风机进行合理的抗振设计以实现在保证海上风电设备及其支撑结构安全的同时将成本费用的增幅控制在一定范围内的预期是非常重要的。在基础型式各异的海上风机中，导管架式海上风机因其结构简单、整体刚度大、适用于各种土质以及海上安装工作量小等优点而得到了广泛关注和应用。目前实际工程中常见的海上风电导管架结构在设计时缺乏明确的抗振设计规范及行业标准，通常只采取一些作用十分有限的应对措施，然而复杂的海洋环境中往往会发生一些无法预测的灾变行为，仅应用这些措施来抵御罕遇的暴风和强震等极端环境载荷作用无疑是成本巨大且收效甚微的。

传统的抗振方法完全依靠结构自身吸收载荷输入的振动能量，构件在载荷往复作用下容易发生损伤，且振后维修费用高昂。随着对抗振机理的深入了解以及抗振技术的迅速发展，耗能减振已成为抗振技术的一个发展趋势，而耗能减振结构体系的实现则主要依靠简便实用的耗能减振装置。粘滞阻尼器是一种与速度相关的耗能减振装置，主要由缸体、活塞、活塞杆、粘滞流体、密封衬套等部分组成，具有构造简单、环境影响小、价格低廉、便于施工等优点，在土木工程领域有着广泛的使用。在风载荷或弱震作用时，粘滞阻尼器处于刚弹性状态，结构体系具有足以满足正常使用要求的抗侧向刚度；当出现暴风或强震时，随着结构受力和变形的不断增大，粘滞阻尼器率先进入非弹性变形状态，产生较大的阻尼力，大量消耗输入结构的振动能量，迅速衰减主体结构的动力反应，避免结构体系出现明显的弹塑性状态，从而确保主体结构的安全使用。

粘滞阻尼器的缸体是由一个无缝的圆柱形整体钢管组成的具有较高强度和刚度的高压密闭容器，通过在缸体与活塞杆的接触位置处设置密封衬套，使粘滞阻尼器的内部形成一个与外界环境相隔绝的空腔，不仅能够有效防止粘滞流体外渗以避免出现漏油失效现象，还能保护其中的金属构件免于锈蚀以满足在役期间的使用要求。粘滞阻尼器所具有的这种优良的密封性能为其在海洋环境中的推广应用提供了技术上的可行性，因此可以预见粘滞阻尼器在海洋工程领域的发展前景将十分广阔。

基于上述背景技术存在的问题以及现有的耗能减振装置，现需一种可承受暴风和强震等极端环境载荷的冲击振动的海上风电导管架结构。

发明内容

本发明的目的是：对现有技术的海上风电导管架结构进行实质性改进，提供一种可承受暴风和强震等极端环境载荷作用的附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构。

本发明的目的通过采用以下技术方案实现：一种附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构，包括四个以风机塔筒为中心均匀分布的导管架腿柱，所述导管架腿柱采用等管径的圆形钢管，由上至下向外倾斜设置成方锥形结构，其顶端通过焊接与顶部钢梁相连接，所述顶部钢梁上设置有用于支撑风机的过渡连接段，所述过渡连接段与所述导管架腿柱顶端通过与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件固定，所述斜撑杆件采用等管径的圆形钢管，风机塔筒底部通过法兰盘或者灌浆的形式与过渡连接段固定连接，实现风机与导管架结构的固定安装。所述导管架腿柱底端则与埋入海底的钢管桩灌浆连接，实现导管架结构在海底的固定安装。

任意相邻的两个作为主支撑的所述导管架腿柱之间通过沿高度方向设置的多个斜撑组连接成整体，所述斜撑组由两个与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件采用焊接方式交叉设置组成。所述斜撑组以及用于固定所述过渡连接段的与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件中的粘滞阻尼器的刚度和强度均小于斜撑杆件的刚度和强度，以确保在暴风和强震等极端环境载荷作用下阻尼器先于斜撑杆件发生变形，使阻尼器进入耗能状态，从而保护斜撑杆件和腿柱结构。此外，所述导管架腿柱与所述斜撑组中的粘滞阻尼器和斜撑杆件的外表面上均涂有工业重防腐涂料，保证导管架结构在海洋环境中具有较长的防腐寿命。

所述斜撑组以及用于固定所述过渡连接段的与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件中的粘滞阻尼器主要包括缸体、活塞、活塞杆、粘滞流体、密封衬套和法兰盘等部分。缸体内部充满可流动的粘滞流体，活塞杆穿过缸体，其中一端通过焊接与所述导管架腿柱相连接，另一端在其圆柱形外表面上套有矩形或者圆形的法兰盘，且法兰盘通过环形焊接与该端的缸体固定连接；活塞设置在活塞杆的中间位置，截面直径略小于缸体内壁的直径，并预先设置适量阻尼孔，迫使粘滞流体从阻尼孔或活塞与缸体之间的空隙中流过，以达到粘滞耗能的目的；在缸体与活塞杆的接触位置处设置密封衬套，防止粘滞流体发生外渗，并保护其中的金属构件免于发生锈蚀，从而保证阻尼器密封的可靠性，满足粘滞阻尼器在役期间的使用要求，避免出现漏油失效现象。

所述斜撑组以及用于固定所述过渡连接段的与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件中的斜撑杆件采用等管径的圆形钢管，其中一端铸有与上述粘滞阻尼器的法兰盘形状和尺寸相对应的法兰盘，并通过高强度螺栓与粘滞阻尼器同样带有法兰盘的一端呈一字型固定连接，另一端则通过焊接与导管架腿柱相连接。由于所述斜撑组以及用于固定所述过渡连接段的与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件中的粘滞阻尼器与斜撑杆件之间采用具有构造简单、易于装配、拆卸方便等特点的法兰连接，在粘滞阻尼器达到设计使用年限或遭遇极端环境载荷作用后可根据需要及时对其进行更换。

本发明的工作机理是：当导管架受到暴风和强震等极端环境载荷作用时，由于其结构高耸且体型庞大，导管架结构中的导管架腿柱产生侧向变形，粘滞阻尼器产生轴向伸长或者压缩变形，保证斜撑杆件处于弹性状态。当粘滞阻尼器被拉伸或者压缩时，粘滞阻尼器的活塞与缸体发生相对运动，迫使粘滞流体通过阻尼孔或空隙在以活塞为分隔的两个腔体之间迅速流动。在活塞往复运动的过程中，通过粘滞流体从一个缸体经孔洞流到另一个缸体所产生的阻尼力做功，将外载振动能量转化为热量耗散掉，使活塞运动速度逐渐降低，从而缓冲导管架结构的振动响应，实现耗能减振的目的。

本发明与现有技术相比主要具有以下优点：

1.利用粘滞阻尼器消耗罕遇的暴风和强震等极端环境载荷输入的振动能量，可显著提高海上风电导管架结构的抗振性能，降低导管架的损坏程度以避免发生倒塌事故，从而合理有效地延长导管架结构的使用寿命。

2.粘滞阻尼器相对其他耗能减震装置而言，具有结构简单、原材料来源广泛、加工制造成本和后期维护费用较低等优势，选用粘滞阻尼器对罕遇的暴风和强震等极端环境载荷作用下的海上风电导管架结构进行防护可以较低的成本取得相对较好的结果，实现经济和效能两方面的双重效益。

附图说明

图1为实施例提供的附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构的立体结构示意图；

图2为实施例提供的附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构的主视图；

图3为实施例提供的附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构中的粘滞阻尼器的主视图；

图4为实施例提供的附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构中的粘滞阻尼器的右视图；

图5为实施例提供的附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构中的粘滞阻尼器的内部结构示意图；

图6为实施例提供的附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构中的与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件的主视图。

图中标记为：1、导管架腿柱；2、斜撑杆件；3、粘滞阻尼器；4、顶部钢梁；5、过渡连接段；6、活塞杆；7、缸体；8、法兰盘；9、螺栓孔；10、活塞；11、阻尼孔；12、粘滞流体；13、密封衬套；14、锁紧螺母。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面细致的描述，附图中给出了本发明的实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于附图所展示的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使本发明公开的内容更加透彻全面。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶端”、“内部”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1至图6，一种附加粘滞阻尼器3的海上风电导管架结构，包括四个以风机塔筒为中心均匀分布的导管架腿柱1，导管架腿柱1采用等管径的圆形钢管，由上至下向外倾斜设置成方锥形结构，其顶端通过焊接与顶部钢梁4相连接，顶部钢梁4上设置有用于支撑风机的过渡连接段5，风机塔筒底部通过法兰盘或者灌浆的形式与过渡连接段5固定连接，实现风机与导管架结构的固定安装。所述导管架腿柱1底端则与埋入海底的钢管桩灌浆连接，实现导管架结构在海底的固定安装。

为增强导管架式海上风机的抗震性能，防止其在暴风和强震等极端环境载荷作用下发生破坏，本发明选择在导管架结构中附加耗能减震装置，而粘滞阻尼器3相对其他耗能减震装置具有构造简单、便于安装和拆卸、加工制造成本和后期维护费用较低等优点，故本发明选择粘滞阻尼器3作为斜撑杆件的附加部分。用于支撑风机的过渡连接段5与导管架腿柱1顶端通过与粘滞阻尼器3串联的斜撑杆件2固定，任意相邻的两个作为主支撑的导管架腿柱1之间通过沿高度方向设置的多个斜撑组连接成整体，斜撑组由两个与粘滞阻尼器3串联的斜撑杆件2采用焊接方式交叉设置组成，从而保证相邻两个导管架腿柱1之间的连接稳固性，进一步提高支撑件组的支撑性能，使整个海上风电导管架结构更加稳固牢靠。其中，斜撑组以及用于固定过渡连接段5的与粘滞阻尼器3串联的斜撑杆件2中的粘滞阻尼器3的刚度和强度均小于斜撑杆件2的刚度和强度，以确保在暴风和强震等极端环境载荷作用下粘滞阻尼器3先于斜撑杆件2发生变形，使阻尼器进入耗能状态，从而保护斜撑杆件2和导管架腿柱1。此外，导管架腿柱1与斜撑组中的粘滞阻尼器3和斜撑杆件2的外表面上均涂有工业重防腐涂料，保证导管架结构在海洋环境中具有较长的防腐寿命。

在本实施例中，斜撑组以及用于固定过渡连接段5的与粘滞阻尼器3串联的斜撑杆件2中的粘滞阻尼器3主要包括缸体7、活塞10、活塞杆6、粘滞流体12、密封衬套13和法兰盘8等部分，缸体7内部充满可流动的粘滞流体12，活塞杆6穿过缸体7，其中一端通过焊接与导管架腿柱1相连接，另一端在其圆柱形外表面上套有矩形的法兰盘8，且法兰盘8通过环形焊接与该端的缸体7固定连接；活塞10设置在活塞杆6的中间位置，截面直径略小于缸体7内壁的直径，并预先设置适量阻尼孔11，迫使粘滞流体12从阻尼孔11和活塞10与缸体7之间的空隙中流过，以达到粘滞耗能的目的；在缸体7与活塞杆6的接触位置处设置密封衬套13，防止粘滞流体12发生外渗，并保护其中的金属构件免于发生锈蚀，从而保证阻尼器密封的可靠性，满足粘滞阻尼器3在役期间的使用要求，避免出现漏油失效现象。

斜撑组以及用于固定过渡连接段5的与粘滞阻尼器3串联的斜撑杆件2中的斜撑杆件2采用等管径的圆形钢管，其中一端铸有与上述法兰盘8的形状和尺寸相对应的法兰盘8，并通过高强度螺栓与粘滞阻尼器3同样带有法兰盘8的一端呈一字型固定连接，另一端则通过焊接与导管架腿柱1相连接。由于斜撑组以及用于固定过渡连接段5的与粘滞阻尼器3串联的斜撑杆件2中的粘滞阻尼器3与斜撑杆件2之间采用具有构造简单、易于装配、拆卸方便等特点的法兰连接，在粘滞阻尼器3达到设计使用年限或遭遇极端环境载荷作用后可根据需要及时对其进行更换。

本实施例在制作时，导管架腿柱1、顶部钢梁4、过渡连接段5、斜撑杆件2和粘滞阻尼器3等组成部件均按照实际工程所需的型号尺寸在工厂内进行加工制作。导管架结构在海上风机中起着承上启下的作用，故对其强度、刚度以及制作精度都有着很高的要求，各组成部件成品只有经检验合格后才能进行组装，待组装完毕后将导管架结构整体运输至规定海域，从而实现装配式制造、运输和生产的过程。

本实施例在安装时采用先桩法施工技术，将导管架结构竖直向下吊装至指定位置，四个导管架腿柱1***预先打入海底的四根钢管桩内，对接过程无需调平，通过水下灌浆将导管架腿柱1与钢管桩固定连接，使各单桩有机地连为一体，实现导管架结构在海底的固定安装。在进行上部结构的安装时，为确保施工安全和加快施工进度，利用导管架架设临时施工平台，以便将风机塔筒底部通过法兰盘或者灌浆的形式与导管架结构的过渡连接段5固定连接，实现风机与导管架结构的固定安装。导管架结构作为上部结构与海床的连接通道，可用于支撑海上风电机组的附属设施。在导管架上安装系靠船设备，还可以停靠工作船。

本实施例在使用时，在暴风和强震等极端环境载荷的作用下，导管架腿柱1产生侧向变形，斜撑组中的粘滞阻尼器3产生轴向伸长或压缩变形。如图5和图6所示，当与斜撑杆件2串联的粘滞阻尼器3被拉伸时，粘滞阻尼器3的活塞杆6相对于缸体7向左运动，带动活塞10向左移动，粘滞流体12则穿过阻尼孔11和活塞10与缸体7之间的空隙向右运动；当与斜撑杆件2串联的粘滞阻尼器3被压缩时，粘滞阻尼器3的活塞杆6相对于缸体7向右运动，带动活塞10向右移动，粘滞流体12则穿过阻尼孔11和活塞10与缸体7之间的空隙向左运动。在活塞10往复运动的过程中，通过粘滞流体12从缸体7一侧经孔洞流到另一侧所产生的阻尼力做功，能够有效把风振和地震产生的能量逐渐衰减掉，使活塞10运动速度逐渐降低，从而缓冲导管架结构的振动响应，避免结构出现明显的弹塑性状态，最终实现耗能减振的目的以确保本实施例中导管架式海上风机在役期间的安全使用。随着时间的推移，本实施例中的粘滞阻尼器3达到设计使用年限或遭遇极端环境载荷作用时，若发生严重损坏可及时将其拆除并更换新的阻尼器，若经检查确认未发生损坏则可继续使用。

最后需要说明的是，以上所述的实施例和说明书中描述的仅是本发明的基本原理和主要特征，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种附加粘滞阻尼器的海上风电导管架结构，其特征在于：包括四个以风机塔筒为中心均匀分布的导管架腿柱，所述导管架腿柱由上至下向外倾斜设置成方锥形结构，任意相邻的两个作为主支撑的导管架腿柱之间通过沿高度方向设置的多个斜撑组连接成整体，每个斜撑组由两个与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件采用焊接方式交叉设置组成；

所述导管架腿柱顶端通过焊接与顶部钢梁相连接，所述顶部钢梁上设置有用于支撑风机的过渡连接段，所述过渡连接段与所述导管架腿柱顶端通过与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件固定，风机塔筒底部通过法兰盘或者灌浆的形式与过渡连接段固定连接；

所述斜撑组以及用于固定所述过渡连接段的与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件中的粘滞阻尼器的刚度和强度均小于斜撑杆件的刚度和强度，以确保在极端环境载荷作用下阻尼器先于斜撑杆件发生变形，使阻尼器进入耗能状态，从而保护斜撑杆件和腿柱结构；

所述粘滞阻尼器包括缸体、活塞、活塞杆、粘滞流体、密封衬套和法兰盘，缸体内部充满流动的粘滞流体，活塞杆穿过缸体，其中一端通过焊接与导管架腿柱相连接，另一端在其圆柱形外表面上套有矩形的法兰盘，且法兰盘通过环形焊接与该端的缸体固定连接；活塞设置在活塞杆的中间位置，截面直径小于缸体内壁的直径，并预先设置阻尼孔，使粘滞流体从阻尼孔和活塞与缸体之间的空隙中流过，以达到粘滞耗能的目的；在缸体与活塞杆的接触位置处设置密封衬套，以防止粘滞流体发生外渗，并保护其中的金属构件免于发生锈蚀，从而保证阻尼器密封的可靠性；

采用先桩法施工技术安装所述海上风电导管架结构，将导管架结构竖直向下吊装至指定位置，四个导管架腿柱***预先打入海底的四根钢管桩内，对接过程无需调平，通过水下灌浆将导管架腿柱与钢管桩固定连接，使各单桩连为一体，实现导管架结构在海底的固定安装；在进行上部结构的安装时，利用导管架架设临时施工平台，以便将风机塔筒底部通过法兰盘或者灌浆的形式与导管架结构的过渡连接段固定连接，实现风机与导管架结构的固定安装；导管架结构作为上部结构与海床的连接通道，用于支撑海上风电机组的附属设备。

2.根据权利要求1的海上风电导管架结构，其特征在于：所述斜撑组以及用于固定所述过渡连接段的与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件中的粘滞阻尼器一端为矩形或者圆形的法兰盘，斜撑杆件一端铸有与其形状和尺寸相对应的法兰盘，二者通过高强度螺栓呈一字型相连接；粘滞阻尼器的另一端为活塞杆，与斜撑杆件的另一端分别与所述导管架腿柱焊接连接。

3.根据权利要求1的海上风电导管架结构，其特征在于：所述斜撑组以及用于固定所述过渡连接段的与粘滞阻尼器串联的斜撑杆件中的粘滞阻尼器与斜撑杆件之间采用法兰连接，粘滞阻尼器在达到设计使用年限或遭遇极端环境载荷作用后进行更换。

4.根据权利要求1的海上风电导管架结构，其特征在于：在所述导管架腿柱与所述斜撑组中的粘滞阻尼器和斜撑杆件的外表面上均涂有工业重防腐涂料。

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