CN219366232U - 一种海上漂浮式风电机组 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种海上漂浮式风电机组，包括依次连接的风轮、机舱、塔架和漂浮平台，风电机组还包括宽频广域减振***，宽频广域减振***包括第一减振装置和第二减振装置，第一减振装置设置于漂浮内，第二减振装置设置于机舱内。第一减振装置和第二减振装置共同作用，有效的抑制了风电机组的动态振动，提高了风电机组的抗波性能。

Description

一种海上漂浮式风电机组

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电设备，具体而言，涉及一种海上漂浮式风电机组。

背景技术

随着全球工业化进程的快速推进，人类对能源的需求不断提高，但长期以来，依靠煤、石油、天然气等传统不可再生资源不仅成本高，而且在开采及使用过程中产生大量有害物质，对环境安全和人类生存造成巨大危害。近年来，人们加大了对可再生能源的探索力度和研究深度，风能作为一种可持续发展的可再生能源，拥有节能环保、清洁无污染等优势，从而在全球范围内引起了极大的重视。

风力发电需要建造和发展大型风电场，在电力需求较高的大都市地区，由于陆上土地资源稀缺、风力资源有限、风速不平稳以及噪声扰民等诸多问题，且大都市区域往往集中在沿海地区，使得当前全球风电能研究热点已从陆地转移到海上。海上风电具有风速大、风垂直切变小、湍流强度小、有稳定的信号主导方向、年利用小时长等显著优势，使得海上风机的效率远高于陆地风机，海上风电的前景具有更大的潜能。

根据基础类型的不同可以将海上风机大体上分为两大类：一类是定桩式海上风机，适用于水深低于60米的近海海域；另一类是基于漂浮式平台的海上风机，适用于深海海域。近年来随着海上风机的单机功率大型化和海上风电场逐渐走向深海和远海，漂浮式风机技术成为热点研究方向之一，正不断地涌现出新的形式。然而，漂浮式风机相比陆上风机和定桩式海上风机存在更多的技术难题，一是在海洋环境中，同时受到风、浪、流等环境荷载的作用，使得风电机组产生纵摇和横摇运动，从而导致风机入流风速波动较大，气动荷载明显加大，引起发电机和机舱较大的简谐振动响应；二是由于波浪和洋流作用，导致塔架和漂浮式基础的共振，从而造成塔架和漂浮平台的结构疲劳与荷载响应。

目前，为了减小漂浮式风机的荷载影响并优化结构设计，通常选择在机舱中安装阻尼器，利用主动或被动结构控制，实现荷载优化控制。其中现有技术中常用的调谐质量阻尼器是一种由弹簧、质量块和阻尼器组成的常用减振***，属于结构被动控制领域的常用装置。TMD具有恒定的参数且无能量输入，其被设计用来吸收整个结构在某一自然频率下的能量，基本原理就是通过结构间的相互运动来提供惯性力，反作用在结构上，达到结构的减振控制目的。

专利CN110155260A公开了一种适用于半潜式风力发电机的调谐质量阻尼器平台，该平台包括发电机结构、支撑组件及调谐质量阻尼器结构，发电机结构设置在支撑组件上，支撑组件为双层框架结构，发电机结构设置在支撑组件上，调谐质量阻尼器结构设置在支撑组件内。该方案设计的浮式平台结构较为复杂，且未提及在机舱内减振装置的设置情况。

专利CN104421107A公开了一种深海悬浮式风力发电机组，包括从上到下依次设置的风机结构、塔架和悬浮平台，风机结构包括横向依次连接的风机叶片、风机轴和风机机舱，在风机机舱和悬浮平台内均设有两组减振控制装置。该方案需安装的调谐质量阻尼器数量较多，占据了机舱和平台内的较多空间，造成安装难度较大；且阻尼器的体积和质量较小，减振效果非常有限，尤其对于漂浮平台的减振效果不明显。

鉴于以上技术问题，特推出本实用新型。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种海上漂浮式风电机组,用于减轻海上漂浮式风机的整体振动载荷，保证整机稳定，为风机正常运行及功率的稳定输出提供保障。

为了实现上述目的，本实用新型一种海上漂浮式风电机组，包括依次连接的风轮、机舱、塔架和漂浮平台，风电机组还包括宽频广域减振***，宽频广域减振***包括第一减振装置和第二减振装置，第一减振装置设置于漂浮平台内，第二减振装置设置于机舱内。

进一步的，第一减振装置和第二减振装置均为调谐质量阻尼器，共同作用减轻风电机组的整体振动载荷。

进一步的，漂浮平台为半潜式浮式基础，包括中心浮筒，中心浮筒位于漂浮平台的中心位置且与塔架底部连接，第一减振装置位于中心浮筒内。

进一步的，第一减振装置包括第一质量块和多个弹性阻尼杆，第一质量块通过多个弹性阻尼杆与中心浮筒的内壁连接。

进一步的，多个弹性阻尼杆沿第一质量块周向均匀分布。

进一步的，第一质量块吊装在中心浮筒内部的中心位置。

进一步的，漂浮平台还包括多个斜管和多个边浮筒，多个边浮筒沿中心浮筒周向均匀分布，每个边浮筒通过一个斜管与中心浮筒连接。

进一步的，第二减振装置与机舱的内壁连接，并且位置靠近塔架的中心线。

进一步的，第二减振装置在机舱内可沿风轮的轴线方向移动。

进一步的，第二减振装置包括第二质量块、弹性元件和阻尼器。

应用本实用新型的技术方案，至少实现了如下有益效果：

1、本申请通过在漂浮平台内设置第一减振装置，降低海浪导致漂浮平台的低频振动，同时在机舱内设置第二减振装置，降低风导致机舱-塔架的高频振动，从而形成风电机组的宽频广域减振***，有效的抑制了风电机组的动态振动，提高了风电机组的抗波性能。

2、本申请通过在漂浮平台内设置调谐质量阻尼器，有效降低漂浮平台在海洋复杂环境作用下的结构疲劳与荷载响应，使得风机整机的疲劳特性得到了很好的控制，能够有效地延长风机***的工作时间，具有良好的经济效益。

3、本申请通过调节中心浮筒内第一质量块的总质量，可将风机整机的浮心降低到重心以下，当漂浮平台发生倾斜时，重心和浮心之间形成回复力矩，可抵抗漂浮平台的倾斜运动，进而保证风电机组整机的稳定。

4、本申请通过设计多个边浮筒与中心浮筒连接，边浮筒内的压载舱室可根据漂浮平台的实时姿态进行压载水闭环调节，从而提高漂浮式风电机组受风荷载时的稳定性。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请实施例的风电机组三维示意图；

图2示出了本申请实施例的第一减振装置安装俯视图；

图3示出了本申请实施例的第一减振装置安装主视图；

图4示出了本申请实施例的第二减振装置与机舱示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、风轮；2、机舱；3、塔架；4、漂浮平台；5、第一减振装置；6、第二减振装置；7、中心浮筒；8、第一质量块；9、弹性阻尼杆；10、斜管；11、边浮筒；12、第二质量块；13、弹性元件；14、阻尼器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本实用新型所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征；术语“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，而不是指示或暗示所指的装置或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实用新型的限制；此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例：

本实用新型提出一种海上漂浮式风电机组，用于减轻海上漂浮式风机的整体振动载荷，保证整机稳定，为风机正常运行及功率的稳定输出提供保障。

如图1所示，该海上漂浮式风电机组包括依次连接的风轮1、机舱2、塔架3和漂浮平台4。风轮1具有风机叶片和风叶轴，风机叶片通过风叶轴与机舱2内的发电机轴连接。风轮1和机舱2构成了风机结构。机舱2的底部与塔架3固定连接，塔架3的底部与漂浮平台4固定连接。

本申请的风电机组还包括宽频广域减振***，宽频广域减振***包括第一减振装置5和第二减振装置6，其中第一减振装置5设置于漂浮平台4内，第二减振装置6设置于机舱2内。

具体来说，第一减振装置5和第二减振装置6均为TMD(Tuned Mass Damper，调谐质量阻尼器)，通过在塔架3顶部的机舱2内和漂浮平台4内同时设置TMD，二者共同作用减轻风电机组的整体振动载荷。

本申请将由海风载荷和海浪载荷引起的海上漂浮式风电机组的振动区别开来，分别对应设计了不同的减振控制装置：针对主要由海浪载荷引起的漂浮平台及风电机组整体的低频振动，在漂浮平台内设置第一减振装置，形成了漂浮平台TMD振动控制***；针对主要由海风载荷引起的机舱-塔架的高频振动，将第二减振装置安置在风电机舱中，形成了机舱TMD振动控制***。当漂浮式风机在复杂的海洋环境载荷如风、浪、流的共同作用下产生振动时，机舱与漂浮平台的TMD振动控制***共同发挥作用，同时降低发电机机舱和漂浮平台的振动荷载响应，从而形成风电机组的宽频广域减振***，有效的抑制了风电机组的动态振动，提高了风电机组的抗波性能。

此外，通过分别调节机舱与漂浮平台内的阻尼器与风机之间质量、频率和阻尼的关系，并选择适当的弹簧常数和阻尼值，从而优化阻尼器设计，可以实现阻尼器最大限度的吸收各种频率的振动能量。

(一)在漂浮平台内设置减振装置

本申请中第一减振装置5基于半潜式浮式基础进行设置和安装。半潜式浮式基础通常包括多个大型浮筒构件，多个大型浮筒构件由斜撑管连接。通过分布式的浮筒结构产生较大的水线面变化，进而产生抵抗平台倾斜运动的回复力矩，来保证风机整机的稳定性。并且半潜式浮式基础一般由一定数量的锚链线固定于海底，从而形成一定范围内的运动约束。

结合图1-2所示，漂浮平台4即为半潜式浮式基础，包括中心浮筒7，中心浮筒7位于漂浮平台4的中心位置且与塔架3底部连接，第一减振装置5位于中心浮筒7内。

具体来说，第一减振装置5包括第一质量块8和多个弹性阻尼杆9，第一质量块8通过多个弹性阻尼杆9与中心浮筒7的内壁连接，提供低频海浪振动荷载下的惯性反力。

每个弹性阻尼杆均包括弹簧和阻尼器，优选地，每个弹性阻尼杆9包括中间部分的电涡流阻尼器和两端的弹簧，电涡流阻尼器一端通过弹簧连接至中心浮筒7的内壁，另一端也通过弹簧连接至第一质量块8。在本申请的其他实施例中，也可以采用其他类型的阻尼器。本申请对于每个弹性阻尼杆具有的弹簧数量也不做限定。弹簧和阻尼器参数选取的原则是使得第一减振装置5的振动频率与漂浮平台及风机整体的振动频率相同。

本申请通过在漂浮平台内设置第一减振装置，形成了漂浮平台TMD振动控制***，有效降低海浪导致漂浮平台的低频振动，且有效降低漂浮平台在如浪、风、流等海洋复杂环境作用下的结构疲劳与荷载响应，使得风机整机的疲劳特性得到了很好的控制，能够有效地延长风机***的工作时间，具有良好的经济效益。

此外，如图1所示，漂浮平台4还包括多个斜管10和多个边浮筒11，多个边浮筒11沿中心浮筒7周向均匀分布，每个边浮筒11通过一个斜管10与中心浮筒7连接。优选地，三个边浮筒11分别通过三个斜管10与中心浮筒7连接，并使用绳索将三个边浮筒11之间进行固定，即可形成比较稳定的漂浮平台4的结构。

本申请通过设计多个边浮筒与中心浮筒连接，边浮筒内的压载舱室可根据漂浮平台的实时姿态进行压载水闭环调节，从而提高漂浮式风电机组受风荷载时的稳定性。

优选地，多个弹性阻尼杆9沿第一质量块8周向均匀分布。进一步优选地，如图2所示第一质量块8由周向均匀分布的3个弹性阻尼杆9与中心浮筒7的内壁连接，使得3个弹性阻尼杆9可直接与3个斜管10之间固定连接。

如图3所示，第一质量块8吊装在中心浮筒7内部的中心位置。优选地，中心浮筒7为圆柱体结构，可使用三根钢丝绳将第一质量块8吊装在中心浮筒7中水平和垂直方向的中心处。

优选地，第一质量块8的质量为风机结构和漂浮平台在该质量块设置方向上振型广义质量的1％-5％。

本申请可通过调节中心浮筒内第一质量块的总质量，可将风机整机的浮心降低到重心以下，当漂浮平台发生倾斜时，重心和浮心之间形成回复力矩，可抵抗漂浮平台的倾斜运动，进而保证风电机组整机的稳定。

优选地，本风电机组中的漂浮平台上可以设置多条锚链线，例如在本实施例中三条锚链线一端与边浮筒11连接，另一端连接于锚固点，锚固点设置在海底。

(二)在机舱内设置减振装置

如图4所示，第二减振装置6与机舱2的内壁连接，并且位置靠近塔架3的中心线。第二减振装置6在机舱参考系中做平移运动。优选地，在机舱2内可沿风叶轴方向移动，减振控制装置的振动方向与风叶轴相同的原因是风机按照塔架轴线看是不对称的，风机具有偏航控制功能，一般情况下，风叶轴与风向保持一致可提高减振效果。

第二减振装置6包括第二质量块12、弹性元件13和阻尼器14。弹性元件13和阻尼器14对第二质量块12产生的总力反作用于机舱，降低风机机舱在振动过程中的荷载响应。

具体来说，TMD在机舱2中沿x轴单向振动，图中k为弹簧系数，d为阻尼系数，m为第二质量块质量，f为产生的惯性力。优选地，m为所述风机结构在该第二质量块12设置方向上振型广义质量的1％-5％。机舱2内的弹簧系数k和阻尼器系数d选取的原则是第二减振装置6的振动频率与风机结构的振动频率相同。

本申请不限制在机舱2中设置的TMD的数量，在其他实施例中，也可以设置多个TMD，例如，一组其方向与风叶轴方向一致，另一组TMD方向与风叶轴方向垂直，可以使得任意水平切面上的振动都可以基于直角坐标分解到两个相互垂直的振动方向上去，通过两个运动相互垂直的减振装置可实现全方位的减振效果。

本申请通过在在机舱内设置第二减振装置，形成了机舱TMD振动控制***，可有效降低风导致机舱-塔架的高频振动。

总之，从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现如下技术效果：1、本申请通过在漂浮平台内设置第一减振装置，降低海浪导致漂浮平台的低频振动，同时在机舱内设置第二减振装置，降低风导致机舱-塔架的高频振动，从而形成风电机组的宽频广域减振***，有效的抑制了风电机组的动态振动，提高了风电机组的抗波性能。2、本申请通过在漂浮平台内设置调谐质量阻尼器，有效降低漂浮平台在海洋复杂环境作用下的结构疲劳与荷载响应，使得风机整机的疲劳特性得到了很好的控制，能够有效地延长风机***的工作时间，具有良好的经济效益。3、本申请通过调节中心浮筒内第一质量块的总质量，可将风机整机的浮心降低到重心以下，当漂浮平台发生倾斜时，重心和浮心之间形成回复力矩，可抵抗漂浮平台的倾斜运动，进而保证风电机组整机的稳定。4、本申请通过设计多个边浮筒与中心浮筒连接，边浮筒内的压载舱室可根据漂浮平台的实时姿态进行压载水闭环调节，从而提高漂浮式风电机组受风荷载时的稳定性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上漂浮式风电机组，包括依次连接的风轮(1)、机舱(2)、塔架(3)和漂浮平台(4)，其特征在于：所述风电机组还包括宽频广域减振***，所述宽频广域减振***包括第一减振装置(5)和第二减振装置(6)，所述第一减振装置(5)设置于所述漂浮平台(4)内，所述第二减振装置(6)设置于所述机舱(2)内。

2.根据权利要求1所述的风电机组，其特征在于：所述第一减振装置(5)和所述第二减振装置(6)均为调谐质量阻尼器，共同作用减轻所述风电机组的整体振动载荷。

3.根据权利要求2所述的风电机组，其特征在于：所述漂浮平台(4)为半潜式浮式基础，包括中心浮筒(7)，所述中心浮筒(7)位于所述漂浮平台(4)的中心位置且与所述塔架(3)底部连接，所述第一减振装置(5)位于所述中心浮筒(7)内。

4.根据权利要求3所述的风电机组，其特征在于：所述第一减振装置(5)包括第一质量块(8)和多个弹性阻尼杆(9)，所述第一质量块(8)通过所述多个弹性阻尼杆(9)与所述中心浮筒(7)的内壁连接。

5.根据权利要求4所述的风电机组，其特征在于：所述多个弹性阻尼杆(9)沿所述第一质量块(8)周向均匀分布。

6.根据权利要求5所述的风电机组，其特征在于：所述第一质量块(8)吊装在所述中心浮筒(7)内部的中心位置。

7.根据权利要求3-6中的任一项所述的风电机组，其特征在于：所述漂浮平台(4)还包括多个斜管(10)和多个边浮筒(11)，所述多个边浮筒(11)沿所述中心浮筒(7)周向均匀分布，每个边浮筒(11)通过一个斜管(10)与所述中心浮筒(7)连接。

8.根据权利要求2所述的风电机组，其特征在于：所述第二减振装置(6)与所述机舱(2)的内壁连接，并且位置靠近所述塔架(3)的中心线。

9.根据权利要求8所述的风电机组，其特征在于：所述第二减振装置(6)在所述机舱(2)内可沿所述风轮(1)的轴线方向移动。

10.根据权利要求9所述的风电机组，其特征在于：所述第二减振装置(6)包括第二质量块(12)、弹性元件(13)和阻尼器(14)。