海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)波流激勵(lì)減振裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)波流激勵(lì)減振裝置，采用頭短尾長(zhǎng)的翼型壁面平順波流、改善流態(tài)，從振動(dòng)源頭減小各類水動(dòng)力激勵(lì)，同時(shí)采用粘彈性阻尼材料隔斷并吸收傳遞的荷載，達(dá)到減小樁基振動(dòng)的目的。通過(guò)改變平衡水箱內(nèi)水體重量，調(diào)節(jié)裝置與水面的相對(duì)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(lì)區(qū)，在翼型過(guò)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(shí)刻發(fā)揮減振功能。本實(shí)用新型可使樁基振動(dòng)減小70％以上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利說(shuō)明】海上風(fēng)電單粧基礎(chǔ)波流激勵(lì)減振裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種減振裝置，具體是海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)波浪和潮流激勵(lì)的減振裝置，屬于工程減振領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力發(fā)電是近年來(lái)發(fā)展最為迅猛的一種清潔能源，海上風(fēng)能資源豐富、穩(wěn)定，海上風(fēng)電已成為世界各國(guó)投資開發(fā)的重點(diǎn)，歐洲走在世界的前列，我國(guó)尚處于起步階段，但我國(guó)風(fēng)電“十二五”規(guī)劃到2015年海上風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到500萬(wàn)千瓦，預(yù)示著我國(guó)將迎來(lái)海上風(fēng)電的飛速發(fā)展時(shí)期。
[0003]海上風(fēng)電基礎(chǔ)類型較多，主要包括重力式、樁基、導(dǎo)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(guó)東海大橋采用的八圓柱高樁承臺(tái)基礎(chǔ)等，各種基礎(chǔ)型式適用于不同的條件。目前，我國(guó)的海上風(fēng)電規(guī)劃和開發(fā)主要集中在近海，單樁基礎(chǔ)適用于近海風(fēng)電，在國(guó)外應(yīng)用較多，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電設(shè)計(jì)也陸續(xù)采用，如江蘇響水潮間帶風(fēng)電場(chǎng)、廣東湛江外羅海上風(fēng)電場(chǎng)等，單樁基礎(chǔ)將成為我國(guó)近海風(fēng)電中的一個(gè)主流形式。
[0004]隨著風(fēng)機(jī)日益大型化，由風(fēng)機(jī)-塔架-基礎(chǔ)組成的高聳結(jié)構(gòu)，動(dòng)力穩(wěn)定問(wèn)題突出，尤其與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電還要受到波浪潮流荷載作用，結(jié)構(gòu)動(dòng)力安全問(wèn)題愈加復(fù)雜。波流水動(dòng)力荷載主要包括波浪破碎沖擊、潮流脈動(dòng)、漩渦脫落、繞流漩渦激勵(lì)等，各種荷載復(fù)雜多變，而且激勵(lì)主頻較低，與風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)自振頻率十分接近，易誘發(fā)結(jié)構(gòu)共振，威脅風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行。因此，在風(fēng)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的自振頻率與動(dòng)力荷載激勵(lì)頻率偏差在20%?30%以上，以避免共振，主要措施是盡量提高結(jié)構(gòu)的自振頻率，然而由于風(fēng)機(jī)支撐體系為薄壁高聳結(jié)構(gòu)，局部結(jié)構(gòu)增強(qiáng)很難有效改變整體的固有屬性。目前，風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)減振措施主要參考海洋平臺(tái)，采用阻尼器降低振動(dòng)響應(yīng)，該法屬于振動(dòng)出現(xiàn)后的被動(dòng)減振，激勵(lì)荷載的輸入沒(méi)有變化，減振效果不明顯，很難消除共振隱患，而且在波流長(zhǎng)期作用下樁基的疲勞破壞無(wú)法防范。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型即針對(duì)海上風(fēng)電波浪潮流激勵(lì)下的風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題，從振源控制和切斷傳播路徑出發(fā)，提出適用于單樁基礎(chǔ)的波流激勵(lì)的減振裝置，抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)。
[0006]達(dá)到上述目的的技術(shù)方案是:
[0007](I)采用翼型壁面平順?biāo)?，改善流態(tài)，減小波浪破碎沖擊和潮流紊動(dòng)強(qiáng)度，避免因圓柱繞流引起的漩渦脫落及卡門渦激勵(lì)，即從振動(dòng)源頭進(jìn)行主動(dòng)控制；
[0008](2)切斷激勵(lì)荷載的傳遞路徑，并采用阻尼材料吸收激勵(lì)能量，進(jìn)一步減小作用于樁基結(jié)構(gòu)的荷載。
[0009]所述的減振裝置，為一等截面平面對(duì)稱的空心柱狀結(jié)構(gòu)，套于單樁基礎(chǔ)上，從內(nèi)向外由支撐部件、阻尼部件、平衡水箱三部分組成，各部分構(gòu)造尺寸根據(jù)工程具體條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要受單樁基礎(chǔ)的直徑、波流參數(shù)影響，具體步驟如下:[0010](I)減振裝置高度應(yīng)大于波浪主要沖擊作用的范圍，取1.2倍以上的設(shè)計(jì)最大波聞。
[0011](2)減振裝置的支撐部件，位于樁基外第一層，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(nèi)與樁基光滑接觸，外接阻尼部件。
[0012](3)減振裝置的阻尼部件，為位于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(guò)來(lái)的激勵(lì)。
[0013](4)減振裝置的平衡水箱，內(nèi)側(cè)為圓柱面，與阻尼部件連接，外側(cè)為波浪、潮流過(guò)流壁面，過(guò)流壁面形狀設(shè)計(jì)如下:①以過(guò)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(diǎn)為圓心、以兩端點(diǎn)距離為半徑，繪制兩段圓弧，兩圓弧在分界線上游迎水側(cè)交匯于樁基的正前方，過(guò)交點(diǎn)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，分界線上游兩段交匯的圓弧沿中心線左右對(duì)稱，構(gòu)成了頭部迎水壁面；②從鋼管樁中心沿?cái)嗝嬷行木€向下游3倍以上樁徑的位置設(shè)為尾部末端，繪制過(guò)該點(diǎn)與頭部?jī)蓤A弧的切線，切點(diǎn)位于分界線下游，兩切線與分界線下游兩段圓弧組成尾部背水壁面。
[0014]所述減振裝置通過(guò)兩個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)確保其時(shí)刻發(fā)揮減振功能:
[0015](I)在平衡水箱內(nèi)填充不同深度的水體來(lái)控制減振裝置相對(duì)海水表面的位置，以保證其處于表面波浪潮流的主要作用區(qū)，在重力和浮力的共同作用下，裝置會(huì)跟隨水位變化自動(dòng)升降，與海水表面的相對(duì)位置始終不變；
[0016](2)水箱外側(cè)壁面采用翼型流線設(shè)計(jì)，用于平順?biāo)?，減小漩渦脈動(dòng)激勵(lì)，翼型斷面，頭短尾長(zhǎng)，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采用高分子防腐材料制造，阻尼部件選用粘彈性阻尼材料。
[0018]本實(shí)用新型與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0019](I)減振效果顯著。本實(shí)用新型提出的單樁基礎(chǔ)波流水動(dòng)力激勵(lì)減振裝置，使樁基振動(dòng)響應(yīng)減小70%以上，有效預(yù)防結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期波流作用下出現(xiàn)疲勞破壞；
[0020](2)裝置設(shè)計(jì)巧妙。本實(shí)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(diào)整，時(shí)刻發(fā)揮減振功能；
[0021](3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作。
[0022]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]附圖1為單樁基礎(chǔ)減振裝置正視圖；
[0024]附圖2為單樁基礎(chǔ)減振裝置俯視圖；
[0025]附圖3為單樁基礎(chǔ)減振裝置縱剖面圖；
[0026]附圖4為單樁基礎(chǔ)減振裝置橫剖面圖。
[0027]【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖給出實(shí)施例并對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行具體描述。
[0029]實(shí)施例一
[0030]本實(shí)施例為我國(guó)近海大型風(fēng)電場(chǎng)，共布置67臺(tái)3麗風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)容量201麗，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用單根直徑5.5m鋼管樁定位于海底，承受波浪、海流荷載，設(shè)計(jì)最大波高5m。[0031]本實(shí)施例單樁基礎(chǔ)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(dòng)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(duì)稱的柱狀結(jié)構(gòu)套于鋼管樁I上，采用翼型斷面設(shè)計(jì)，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(nèi)置入不同深度的水體7來(lái)調(diào)整減振裝置整體在波流3中的位置。
[0032]依據(jù)鋼管樁I的直徑、波高等參數(shù)進(jìn)行減振裝置2設(shè)計(jì)。減振裝置2高度應(yīng)大于波浪主要沖擊作用的范圍，取1.2倍以上的設(shè)計(jì)最大波高，本實(shí)施例設(shè)計(jì)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?jīng)Q定，本實(shí)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(guò)來(lái)的激勵(lì)荷載。裝置最外層為主體結(jié)構(gòu)平衡水箱6，平衡水箱6為等斷面的柱狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)與阻尼構(gòu)件5連接，為圓柱面，外側(cè)為波浪、潮流過(guò)流壁面，用于平順波流。以過(guò)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(diǎn)為圓心，以此1.4倍的樁徑為半徑繪制兩段圓弧，兩圓弧在分界線上游迎水側(cè)交匯于樁基的正前方，交點(diǎn)與兩端點(diǎn)處于等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，過(guò)交點(diǎn)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，分界線上游兩段交匯的圓弧沿中心線左右對(duì)稱，構(gòu)成了頭部迎水?dāng)嗝?，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沖擊，使過(guò)流更加平順，減小紊動(dòng)激勵(lì)。從鋼管樁I中心沿?cái)嗝嬷行木€向下游3倍以上樁徑(即大于16.5m)的位置設(shè)為尾部末端，繪制過(guò)該點(diǎn)與頭部?jī)蓤A弧的切線，切點(diǎn)位于分界線下方，兩切線與分界線下游兩段圓弧組成尾部背水?dāng)嗝?，尾部采用長(zhǎng)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(lì)。至此，減振裝置2的構(gòu)造尺寸均已確定。
[0034]在平衡水箱6內(nèi)置入水體7，改變箱內(nèi)水量控制減振裝置2相對(duì)海水表面的位置，以保證其處于表面波浪潮流3的主要激勵(lì)區(qū)，在重力和浮力的共同作用下減振裝置2會(huì)跟隨水位變化自動(dòng)升降，與海水表面的相對(duì)位置始終不變。另外，減振裝置2壁面采用翼型流線設(shè)計(jì)，用于平順?biāo)?，減小漩渦脈動(dòng)激勵(lì)，翼型斷面，頭短尾長(zhǎng)，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(dú)特設(shè)計(jì)保證了減振裝置2能夠靈活應(yīng)對(duì)波流條件變化、時(shí)刻發(fā)揮減振功能。
[0035]試驗(yàn)室模型試驗(yàn)得出采用減振裝置前后鋼管樁I的振動(dòng)響應(yīng)見表1，可以看出，實(shí)施減振后，鋼管樁I振動(dòng)響應(yīng)減小70%以上，效果十分顯著。
[0036]表I減振前后樁基振動(dòng)響應(yīng)
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)波流激勵(lì)減振裝置，其特征在于，為一等截面平面對(duì)稱的空心柱狀結(jié)構(gòu)，套于單樁基礎(chǔ)上，從內(nèi)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(dá)到減振效果: (1)采用翼型壁面平順?biāo)?，改善流態(tài)，減小波浪破碎沖擊和潮流紊動(dòng)強(qiáng)度，避免因圓柱繞流引起的漩渦脫落及卡門渦激勵(lì)，主動(dòng)控制振源； (2)切斷激勵(lì)荷載的傳遞路徑，并采用阻尼材料吸收激勵(lì)能量，進(jìn)一步減小作用于結(jié)構(gòu)的荷載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)波流激勵(lì)減振裝置，其特征在于，減振裝置高度應(yīng)大于波浪主要沖擊作用范圍，取1.2倍以上的設(shè)計(jì)最大波高。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)波流激勵(lì)減振裝置，其特征在于，所述的支撐部件，位于樁基外第一層，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(nèi)與樁基光滑接觸，外接阻尼部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)波流激勵(lì)減振裝置，其特征在于，所述的阻尼部件，為位于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(guò)來(lái)的激勵(lì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)波流激勵(lì)減振裝置，其特征在于，所述的平衡水箱，內(nèi)側(cè)為圓柱面，與阻尼部件連接，外側(cè)為波浪、潮流過(guò)流壁面，過(guò)流壁面形狀設(shè)計(jì)如下: (1)以過(guò)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(diǎn)為圓心、以兩端點(diǎn)距離為半徑，繪制兩段圓弧，兩圓弧在分界線上游迎水側(cè)交匯于樁基的正前方，過(guò)交點(diǎn)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，分界線上游兩段交匯的圓弧沿中心線左右對(duì)稱，構(gòu)成了頭部迎水壁面； (2)從鋼管樁中心沿?cái)嗝嬷行木€向下游3倍以上樁徑的位置設(shè)為尾部末端，繪制過(guò)該點(diǎn)與頭部?jī)蓤A弧的切線，切點(diǎn)位于分界線下游，兩切線與分界線下游兩段圓弧組成尾部背水壁面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)波流激勵(lì)減振裝置，其特征在于，平衡水箱內(nèi)填充不同深度的水體來(lái)控制其整體相對(duì)海水表面的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)波流激勵(lì)減振裝置，其特征在于，平衡水箱和支撐部件采用高分子防腐材料制造，阻尼部件選用粘彈性阻尼材料。
【文檔編號(hào)】E02D31/08GK203594056SQ201320571870
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】王新, 趙建平, 駱少澤, 張陸陳, 李子陽(yáng), 陳誠(chéng), 王勇 申請(qǐng)人:水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院