海上風電單樁基礎波流激勵減振裝置製造方法
2023-05-10 09:29:11 1
海上風電單樁基礎波流激勵減振裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種海上風電單樁基礎波流激勵減振裝置，採用頭短尾長的翼型壁面平順波流、改善流態，從振動源頭減小各類水動力激勵，同時採用粘彈性阻尼材料隔斷並吸收傳遞的荷載，達到減小樁基振動的目的。通過改變平衡水箱內水體重量，調節裝置與水面的相對位置，在重力和浮力共同作用下，減振裝置隨水位變化自行升降，始終處于波流的主要激勵區，在翼型過流壁面的頭部壓力和尾部吸力共同作用下，減振裝置能夠靈活跟隨波流方向變化，首尾始終保持與波流方向一致，時刻發揮減振功能。本實用新型可使樁基振動減小70％以上，結構簡單，易於實現。
【專利說明】海上風電單粧基礎波流激勵減振裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種減振裝置，具體是海上風電單樁基礎波浪和潮流激勵的減振裝置，屬於工程減振領域。
【背景技術】
[0002]風力發電是近年來發展最為迅猛的一種清潔能源，海上風能資源豐富、穩定，海上風電已成為世界各國投資開發的重點，歐洲走在世界的前列，我國尚處於起步階段，但我國風電「十二五」規劃到2015年海上風電裝機達到500萬千瓦，預示著我國將迎來海上風電的飛速發展時期。
[0003]海上風電基礎類型較多，主要包括重力式、樁基、導管架、浮式等，每種類型又包括多種形式，如樁基有單樁、多樁及我國東海大橋採用的八圓柱高樁承臺基礎等，各種基礎型式適用於不同的條件。目前，我國的海上風電規劃和開發主要集中在近海，單樁基礎適用於近海風電，在國外應用較多，國內海上風電設計也陸續採用，如江蘇響水潮間帶風電場、廣東湛江外羅海上風電場等，單樁基礎將成為我國近海風電中的一個主流形式。
[0004]隨著風機日益大型化，由風機-塔架-基礎組成的高聳結構，動力穩定問題突出，尤其與陸上風電相比，海上風電還要受到波浪潮流荷載作用，結構動力安全問題愈加複雜。波流水動力荷載主要包括波浪破碎衝擊、潮流脈動、漩渦脫落、繞流漩渦激勵等，各種荷載複雜多變，而且激勵主頻較低，與風機支撐結構自振頻率十分接近，易誘髮結構共振，威脅風機安全可靠運行。因此，在風電結構設計時，首先應考慮結構的自振頻率與動力荷載激勵頻率偏差在20%?30%以上，以避免共振，主要措施是儘量提高結構的自振頻率，然而由於風機支撐體系為薄壁高聳結構，局部結構增強很難有效改變整體的固有屬性。目前，風機支撐結構減振措施主要參考海洋平臺，採用阻尼器降低振動響應，該法屬于振動出現後的被動減振，激勵荷載的輸入沒有變化，減振效果不明顯，很難消除共振隱患，而且在波流長期作用下樁基的疲勞破壞無法防範。
【發明內容】
[0005]本實用新型即針對海上風電波浪潮流激勵下的風機支撐結構的振動問題，從振源控制和切斷傳播路徑出發，提出適用於單樁基礎的波流激勵的減振裝置，抑制結構振動。
[0006]達到上述目的的技術方案是:
[0007](I)採用翼型壁面平順水流，改善流態，減小波浪破碎衝擊和潮流紊動強度，避免因圓柱繞流引起的漩渦脫落及卡門渦激勵，即從振動源頭進行主動控制；
[0008](2)切斷激勵荷載的傳遞路徑，並採用阻尼材料吸收激勵能量，進一步減小作用於樁基結構的荷載。
[0009]所述的減振裝置，為一等截面平面對稱的空心柱狀結構，套於單樁基礎上，從內向外由支撐部件、阻尼部件、平衡水箱三部分組成，各部分構造尺寸根據工程具體條件進行設計，主要受單樁基礎的直徑、波流參數影響，具體步驟如下:[0010](I)減振裝置高度應大于波浪主要衝擊作用的範圍，取1.2倍以上的設計最大波聞。
[0011](2)減振裝置的支撐部件，位於樁基外第一層，由上部、中部和下部三圈光滑半球外接一層薄壁圓管組成，支撐部件內與樁基光滑接觸，外接阻尼部件。
[0012](3)減振裝置的阻尼部件，為位於支撐部件與平衡水箱之間的一層阻尼材料，阻斷和吸收外層傳遞過來的激勵。
[0013](4)減振裝置的平衡水箱，內側為圓柱面，與阻尼部件連接，外側為波浪、潮流過流壁面，過流壁面形狀設計如下:①以過鋼管樁中心垂直水流方向的直線為界，水箱在分界線上左右兩邊的寬度最窄，分別以分界線上水箱兩端點為圓心、以兩端點距離為半徑，繪製兩段圓弧，兩圓弧在分界線上遊迎水側交匯於樁基的正前方，過交點和鋼管樁中心的直線與分界線垂直，為斷面中心線，與水流流向平行，分界線上遊兩段交匯的圓弧沿中心線左右對稱，構成了頭部迎水壁面；②從鋼管樁中心沿斷面中心線向下遊3倍以上樁徑的位置設為尾部末端，繪製過該點與頭部兩圓弧的切線，切點位於分界線下遊，兩切線與分界線下遊兩段圓弧組成尾部背水壁面。
[0014]所述減振裝置通過兩個獨特設計確保其時刻發揮減振功能:
[0015](I)在平衡水箱內填充不同深度的水體來控制減振裝置相對海水表面的位置，以保證其處於表面波浪潮流的主要作用區，在重力和浮力的共同作用下，裝置會跟隨水位變化自動升降，與海水表面的相對位置始終不變；
[0016](2)水箱外側壁面採用翼型流線設計，用於平順水流，減小漩渦脈動激勵，翼型斷面，頭短尾長，在頭部壓力和尾部吸力的作用下，減振裝置能夠靈活跟隨波流方向變化，首尾始終保持與波流方向一致。
[0017]所述減振裝置的平衡水箱和支撐部件採用高分子防腐材料製造，阻尼部件選用粘彈性阻尼材料。
[0018]本實用新型與已有技術相比具有以下優點:
[0019](I)減振效果顯著。本實用新型提出的單樁基礎波流水動力激勵減振裝置，使樁基振動響應減小70%以上，有效預防結構在長期波流作用下出現疲勞破壞；
[0020](2)裝置設計巧妙。本實用新型提供的減振裝置能夠靈活跟隨波流條件變化自行調整，時刻發揮減振功能；
[0021](3)結構簡單，易於操作。
[0022]【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]附圖1為單樁基礎減振裝置正視圖；
[0024]附圖2為單樁基礎減振裝置俯視圖；
[0025]附圖3為單樁基礎減振裝置縱剖面圖；
[0026]附圖4為單樁基礎減振裝置橫剖面圖。
[0027]【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖給出實施例並對本實用新型進行具體描述。
[0029]實施例一
[0030]本實施例為我國近海大型風電場，共布置67臺3麗風機，總裝機容量201麗，風機基礎採用單根直徑5.5m鋼管樁定位於海底，承受波浪、海流荷載，設計最大波高5m。[0031]本實施例單樁基礎減振裝置如圖1和圖2所示，圖1為正視圖，圖2為俯視圖，鋼管樁I外布置減振裝置2，共同承受波流3動力作用。圖3為減振裝置的縱剖面圖，圖4為減振裝置的橫剖面圖，減振裝置2為平面對稱的柱狀結構套於鋼管樁I上，採用翼型斷面設計，由支撐部件4、阻尼部件5、平衡水箱6三部分組成，平衡水箱6內置入不同深度的水體7來調整減振裝置整體在波流3中的位置。
[0032]依據鋼管樁I的直徑、波高等參數進行減振裝置2設計。減振裝置2高度應大于波浪主要衝擊作用的範圍，取1.2倍以上的設計最大波高，本實施例設計最大波高為5m，即減振裝置2高度6m以上。
[0033]減振裝置2斷面大小由鋼管樁I的直徑決定，本實施例鋼管樁I直徑為5.5m，鋼管樁I外第一層為裝置的支撐部件4，由上部、中部和下部三圈直徑為I / 10樁徑(即0.55m)的光滑半球外接一層薄壁圓管組成，管壁厚度為I / 20樁徑，即0.275m。支撐部件4外為阻尼部件5，布置一層厚度為I / 20樁徑，即0.275m的彈性阻尼材料，吸收外部傳遞過來的激勵荷載。裝置最外層為主體結構平衡水箱6，平衡水箱6為等斷面的柱狀結構，其內側與阻尼構件5連接，為圓柱面，外側為波浪、潮流過流壁面，用於平順波流。以過鋼管樁I中心垂直水流方向的直線為界，水箱在分界線上左右兩邊的寬度最窄，取I / 20樁徑，即0.275m,則分界線上水箱兩端的距離為1.4倍的樁徑，即7.7m，分別以分界線上水箱兩端點為圓心，以此1.4倍的樁徑為半徑繪製兩段圓弧，兩圓弧在分界線上遊迎水側交匯於樁基的正前方，交點與兩端點處於等邊三角形的三個頂點，過交點和鋼管樁I中心的直線與分界線垂直，為斷面中心線，與水流流向平行，分界線上遊兩段交匯的圓弧沿中心線左右對稱，構成了頭部迎水斷面，頭部尖角代替鋼管樁圓柱面迎水，有效避免了波浪的雍高及破碎衝擊，使過流更加平順，減小紊動激勵。從鋼管樁I中心沿斷面中心線向下遊3倍以上樁徑(即大於16.5m)的位置設為尾部末端，繪製過該點與頭部兩圓弧的切線，切點位於分界線下方，兩切線與分界線下遊兩段圓弧組成尾部背水斷面，尾部採用長漸變收縮體型代替原樁基半圓柱面，有效避免邊壁漩渦脫落及尾部卡門渦激勵。至此，減振裝置2的構造尺寸均已確定。
[0034]在平衡水箱6內置入水體7，改變箱內水量控制減振裝置2相對海水表面的位置，以保證其處於表面波浪潮流3的主要激勵區，在重力和浮力的共同作用下減振裝置2會跟隨水位變化自動升降，與海水表面的相對位置始終不變。另外，減振裝置2壁面採用翼型流線設計，用於平順水流，減小漩渦脈動激勵，翼型斷面，頭短尾長，在頭部壓力和尾部吸力的作用下，減振裝置2能夠靈活跟隨波流方向變化，首尾始終保持與波流方向一致。兩方面獨特設計保證了減振裝置2能夠靈活應對波流條件變化、時刻發揮減振功能。
[0035]試驗室模型試驗得出採用減振裝置前後鋼管樁I的振動響應見表1，可以看出，實施減振後，鋼管樁I振動響應減小70%以上，效果十分顯著。
[0036]表I減振前後樁基振動響應
[0037]
【權利要求】
1.一種海上風電單樁基礎波流激勵減振裝置，其特徵在於，為一等截面平面對稱的空心柱狀結構，套於單樁基礎上，從內至外由支撐部件、阻尼部件、平衡水箱三部分組成，從兩方面達到減振效果: (1)採用翼型壁面平順水流，改善流態，減小波浪破碎衝擊和潮流紊動強度，避免因圓柱繞流引起的漩渦脫落及卡門渦激勵，主動控制振源； (2)切斷激勵荷載的傳遞路徑，並採用阻尼材料吸收激勵能量，進一步減小作用於結構的荷載。
2.根據權利要求1所述的海上風電單樁基礎波流激勵減振裝置，其特徵在於，減振裝置高度應大于波浪主要衝擊作用範圍，取1.2倍以上的設計最大波高。
3.根據權利要求1所述的海上風電單樁基礎波流激勵減振裝置，其特徵在於，所述的支撐部件，位於樁基外第一層，由上部、中部和下部三圈光滑半球外接一層薄壁圓管組成，支撐部件內與樁基光滑接觸，外接阻尼部件。
4.根據權利要求1所述的海上風電單樁基礎波流激勵減振裝置，其特徵在於，所述的阻尼部件，為位於支撐部件與平衡水箱之間的一層阻尼材料，阻斷和吸收外層傳遞過來的激勵。
5.根據權利要求1所述的海上風電單樁基礎波流激勵減振裝置，其特徵在於，所述的平衡水箱，內側為圓柱面，與阻尼部件連接，外側為波浪、潮流過流壁面，過流壁面形狀設計如下: (1)以過鋼管樁中心垂直水流方向的直線為界，水箱在分界線上左右兩邊的寬度最窄，分別以分界線上水箱兩端點為圓心、以兩端點距離為半徑，繪製兩段圓弧，兩圓弧在分界線上遊迎水側交匯於樁基的正前方，過交點和鋼管樁中心的直線與分界線垂直，為斷面中心線，與水流流向平行，分界線上遊兩段交匯的圓弧沿中心線左右對稱，構成了頭部迎水壁面； (2)從鋼管樁中心沿斷面中心線向下遊3倍以上樁徑的位置設為尾部末端，繪製過該點與頭部兩圓弧的切線，切點位於分界線下遊，兩切線與分界線下遊兩段圓弧組成尾部背水壁面。
6.根據權利要求1所述的海上風電單樁基礎波流激勵減振裝置，其特徵在於，平衡水箱內填充不同深度的水體來控制其整體相對海水表面的位置。
7.根據權利要求1所述的海上風電單樁基礎波流激勵減振裝置，其特徵在於，平衡水箱和支撐部件採用高分子防腐材料製造，阻尼部件選用粘彈性阻尼材料。
【文檔編號】E02D31/08GK203594056SQ201320571870
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】王新, 趙建平, 駱少澤, 張陸陳, 李子陽, 陳誠, 王勇 申請人:水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院