一种双向调谐液柱阻尼器及应用该阻尼器的海上风力发电机组的制作方法

1.本发明涉及海洋工程振动控制技术领域，具体涉及一种双向调谐液柱阻尼器及应用该阻尼器的海上风力发电机组。


背景技术：

2.海上风能作为可再生能源之一，对于改善能源系统结构，保护生态环境具有深远意义。
3.由于所受水动力载荷较小，导管架式基础成为我国近海地区海上风电场最适宜的基础结构。但是，随着海上风电场的建设趋势是选型逐渐倾向于超大尺寸和超高功率的风力发电机组，这意味导管架式海上风力发电机组也将面临更为复杂的环境条件，对其安全设计和正常运行提出了更高要求。
4.在现有技术中，被动减振装置可以显著降低海上风机结构响应，提高海上风力发电机组结构在风、浪、地震等随机荷载作用下的疲劳寿命和极限承载力，但现阶段，应用在导管架式海上风机结构的被动减振装置仍存在以下一些不足：(1)由于导管架式海上风机特殊的结构形式，极大地限制了被动减振装置的安装空间，目前减振装置多布置于风力机组的机舱内，而这只能使一阶振型为主的运动响应得到有效控制，无法降低由高阶模态控制的运动响应。
5.(2)由于风浪荷载的随机性，海上风机结构的动力响应往往同时在多个水平方向上都比较明显，沿某一方向布置的被动减振装置的减振效果将被削弱。
6.(3)在海上风机结构服役期内，由于海洋生物生长、基础底部冲刷、地震作用下结构受损等因素会导致海上结构固有频率发生比较显著的改变。
7.这就要求被动减振装置必须具备调谐频带宽的特点，不能仅对某一固定频率进行调谐，被动减振装置还可以根据风力机组固有频率的改变而进行相应的调谐带宽，以达到对海上风机减振的作用。
8.中国专利号cn108952287a公开了一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，包括管状水箱，管状水箱包括第一u型管状水箱、第二u型管状水箱、第一直线型管状水箱和第二直线型管状水箱，第一u型管状水箱、第二u型管状水箱分别与第一直线型管状水箱、第二直线型管状水箱固定连接，第一u型管状水箱、第二u型管状水箱与第一直线型管状水箱、第二直线型管状水箱的连接处均开孔并保证第一u型管状水箱、第二u型管状水箱、第一直线型管状水箱和第二直线型管状水箱的内部贯通，管状水箱内有水和可调节大小的过水孔。
9.上述公开的这种调谐液柱阻尼器通过振动信号和阻尼系统对调谐液柱阻尼器的阻尼效果进行控制，而当需要对海上风机进行阻尼调控时，难以实现对调谐液柱阻尼器的通电和控制，不适用于海上风机的阻尼调控。
10.因此，开发一种可对导管架式海上风机进行高阶频率双向调谐、减振频带宽以及性价比高的被动减振装置具有十分重要的工程意义。


技术实现要素：

11.本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种减震频率宽、不需要额外安装空间、性价比高的适用于海上风力发电机组的双向调谐液柱阻尼器。
12.为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种双向调谐液柱阻尼器，包括阵列排布的阻尼组件和设置于阻尼组件中部的主筒体；所述阻尼组件包括相邻设置的两个振荡单元和相邻设置的两个连通单元，振荡单元和连通单元均与主筒体相连通，且主筒体、振荡单元和连通单元内均填充有液体；所述振荡单元和连通单元底部均设有与主筒体相连通的水平撑杆，且振荡单元和连通单元均设有与主筒体相连通的斜撑，斜撑设置于水平撑杆上方；所述振荡单元的水平撑杆内设有沿水平撑杆截面设置的隔板，隔板上形成有节流孔；所述振荡单元和连通单元以主筒体为中心对称设置。
13.作为本发明的一种优选方案，所述连通单元和振荡单元均为中空且密封结构的加强弦杆，加强弦杆上形成有可密封的注液口。
14.作为本发明的一种优选方案，所述主筒体和水平撑杆均为中空结构，液体在阻尼组件与主筒体之间自由流动。
15.作为本发明的一种优选方案，所述振荡单元的加强弦杆截面积与相对应的水平撑杆的截面积之比大于1。
16.作为本发明的一种优选方案，所述隔板上形成有至少一个节流孔，节流孔沿隔板表面阵列排布。
17.作为本发明的一种优选方案，所述水平撑杆长度大于相对应振荡单元的加强弦杆内液体高度的0.8倍。
18.作为本发明的一种优选方案，所述液体为至少一种稳态液体。
19.作为本发明的一种优选方案，相邻振荡单元分为第一振荡单元和第二振荡单元，第一振荡单元和第二振荡单元形成与主筒体相连通的u型结构。
20.一种海上风力发电机组，包括双向调谐液柱阻尼器，包括设置于海中泥面上的若干弦杆，相邻弦杆之间设有泥撑，且相邻弦杆之间设有相连接的x型斜撑，双向调谐液柱阻尼器设置于弦杆顶部，且加强弦杆设置于相对应的弦杆顶部，主筒体上设有塔筒，塔筒上设有上部风机。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.结合导管架式海上风机结构自身的特点，利用导管架平台处的加强弦杆和水平撑杆组成的u型结构作为本阻尼器的主体结构，在实现双向高频调谐功能的同时，无需额外的安装空间；2.可针对一定范围内的结构高阶频率进行调谐，解决了传统阻尼器只能针对单一调谐频率进行振动控制的问题。
22.3.通过在u型结构水平撑杆内设置带有节流孔隔板，产生水头损失，起到一定的耗能作用。
附图说明
23.图1是本发明的使用状态图；图2是双向调谐液柱阻尼器的结构示意图
图3是双向调谐液柱阻尼器的正视图；图4是双向调谐液柱阻尼器俯视图；图5是隔板的结构示意图；附图标记：弦杆1，泥撑2，x型斜撑3，加强弦杆4，水平撑杆5，主筒体6，斜撑7，塔筒8，上部风机9，第一振荡单元10，第二振荡单元10a，液体11，注液口12，隔板13，节流孔14。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
25.如图1-5所示，一种双向调谐液柱阻尼器，包括阵列排布的阻尼组件和设置于阻尼组件中部的主筒体6；所述阻尼组件包括相邻设置的两个振荡单元和相邻设置的两个连通单元，振荡单元和连通单元均与主筒体6相连通，且主筒体6、振荡单元和连通单元内均填充有液体11；所述振荡单元和连通单元底部均设有与主筒体6相连通的水平撑杆5，且振荡单元和连通单元均设有与主筒体6相连通的斜撑7，斜撑7设置于水平撑杆5上方；所述振荡单元的水平撑杆5内设有沿水平撑杆5截面设置的隔板13，隔板13上形成有节流孔14；所述振荡单元和连通单元以主筒体6为中心对称设置。
26.连通单元和振荡单元均为中空且密封结构的加强弦杆4，加强弦杆4上形成有可密封的注液口12，注液口12便于定量的注入或者排出一定量液体11，达到对一定带宽的控制频率进行调谐，注液口12处通过过盈配合的橡胶塞或间隙配合的螺纹塞进行塞紧。
27.主筒体6和水平撑杆5均为中空结构，液体11在阻尼组件与主筒体6之间自由流动。
28.振荡单元的加强弦杆4截面积与相对应的水平撑杆5的截面积之比大于1，加强弦杆4截面积大于水平撑杆5的截面积，振荡单元在受到外力影响时，加强弦杆4的振荡将加强弦杆4内的液体流入水平撑杆5内，确保对水平撑杆5内进行充满，防止水平撑杆5内产生水波振荡。
29.隔板13上形成有至少一个节流孔14，节流孔14沿隔板13表面阵列排布，隔板13上的节流孔14数量根据实际需要进行设置，可在隔板13上设置一个节流孔14，此时节流孔14位于隔板13中部，也可在隔板13上设置多个节流孔14，此时多个节流孔14沿隔板13表面阵列排布，相邻节流孔14间隔一定位置，确保在液体11流动作用下，用于对液体11的能量进行消耗。
30.水平撑杆5长度大于相对应振荡单元的加强弦杆4内液体11高度的0.8倍。
31.液体11为至少一种稳态液体，液体11根据实际需要进行设置，可选用单纯的水作为液体11，也可选用多种粘度不同的稳定液体，例如：酒精（乙醇），木精（甲醇），柴油，汽油，煤油，植物油，四氯化碳，乙醚，乙酸乙酯。
32.相邻振荡单元分为第一振荡单元10和第二振荡单元10a，第一振荡单元10和第二振荡单元10a形成与主筒体6相连通的u型结构，该u型结构水平设置，且该u型结构作为双向调谐液柱阻尼器的主体结构，液体11可以在该u型结构内振荡，利用加强弦杆4中的液体重力作为恢复力来抑制结构的运动响应，并且，液体11通过隔板13时，会产生水头损失，耗散振动能量。
33.振荡单元的加强弦杆4内存在便于液体11流动的中空空间，保留一定的空间使液体11在第一振荡单元10和第二振荡单元10a形成的u型结构内可以自由流动，不可全部充满
液体11。
34.在实际使用过程中，将加强弦杆4和水平撑杆5作为双向调谐液柱阻尼器的主体结构，内部注入粘度系数不同的一种或多种稳定液体11，当结构振动时，阻尼器中的液体11会发生与结构运动相反的振动。然后，利用加强弦杆4中的液体11重力作为恢复力，并利用液体11流经水平撑杆5的隔板13时引起的水头损失产生相应的阻尼，从而达到降低结构运动响应和内力的目的。根据拉格朗日方程推导出了具有变截面调谐液体阻尼器的控制方程为：其中：液体11密度；为加强弦杆4的截面积；l为u型结构内的液体中心线总长度；b为u型结构中液体中心线间的距离；，其中，为水平撑杆5的截面积；为水头损失系数；分别为加强弦杆4内液体标高的变化量、变化量的一阶导数及其二阶导数。
35.上述等式除以质量后得到：通过该公式可以得到阻尼器的固有频率为：本双向调谐液柱阻尼器主要目的是降低由海上风机二阶等高阶频率控制的运动响应，因此将阻尼器的固有频率调整到结构的二阶等高阶固有频率一致，以实现最大的减振效果。因此，上述公式改写为：调谐液柱阻尼器的水平段长度越长，阻尼器更能有效的降低结构的最大响应，本阻尼器水平撑杆长度应大于变截面u型管内水柱全长的0.8倍。通过上述公式可知，根据需要布设阻尼器的结构空间确定变截面u型管的尺寸之后，注液孔注入或者排出定量的液体，可实现液柱总长度l的改变，从而对一定范围内的结构频率进行调谐减振。
36.水平撑杆4的隔板13上设置一定数量的节流孔14，液体11流经开孔比为的隔板13时引起的水头损失产生阻尼，耗散振动能量。水头损失系数的经验公式为：
由以上分析可知，本阻尼器在充分合理地利用导管架平台构造实现双向高频调谐的同时，还具备较宽的调谐频带、性价比高以及不需要额外的安装空间的优势。
37.一种海上风力发电机组，包括双向调谐液柱阻尼器，包括设置于海中泥面上的若干弦杆1，相邻弦杆1之间设有泥撑2，且相邻弦杆1之间设有相连接的x型斜撑3，双向调谐液柱阻尼器设置于弦杆1顶部，且加强弦杆4设置于相对应的弦杆1顶部，主筒体6上设有塔筒8，塔筒8上设有上部风机9。
38.海中泥面上设有插接的4根弦杆1，4根弦杆1两行两列式阵列排布，4根加强弦杆4分别通过焊接或螺栓固定连接于相对应的弦杆1顶部，并在水平撑杆5和斜撑7的作用下，使得4根弦杆1顶部相连接，从而使得4根弦杆1在使用过程中具有更好的稳定性。
39.泥撑2通过焊接或螺栓固定连接于弦杆1底部，且泥撑2设置于水中，4根阵列排布的弦杆1之间设有4根环绕成框型结构的泥撑2，x型斜撑3包括多个x型结构，且x型斜撑3沿弦杆1的长度方向进行设置，4根阵列排布的弦杆1之间形成有环绕成框型结构的x型斜撑3。
40.双向调谐液柱阻尼器连接于4根阵列排布的弦杆1顶部，塔筒8通过螺栓或焊接固定连接于主筒体6顶部，且上部风机9通过焊接或螺栓固定连接于塔筒8上，在上部风机9受力情况下，双向调谐液柱阻尼器对上部风机9传递的外力进行阻尼，实现4根阵列排布的弦杆1在使用过程中具有更好的稳定性。
41.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
42.尽管本文较多地使用了图中附图标记：弦杆1，泥撑2，x型斜撑3，加强弦杆4，水平撑杆5，主筒体6，斜撑7，塔筒8，上部风机9，第一振荡单元10，第二振荡单元10a，液体11，注液口12，隔板13，节流孔14等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。