一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统

本发明涉及一种张力腿平台浮式风机。特别是涉及一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统。

背景技术：

1、张力腿平台浮式风机是深远海风能资源开发利用的关键装备，主要由上部风轮及塔筒、下部浮体及张力腿系泊系统组成，起到了使风机结构稳定漂浮于海面并实现风能向电能转化的重要作用。海洋环境复杂，特别是在深远海区域。浮式风机结构在风、浪、流的联合作用下极易产生耦合动力响应问题，致使其出现风轮俯仰、塔筒侧摆等不良运动，并加剧发电功率起伏，甚至诱发结构破坏。另一方面，目前张力腿平台浮式风机的张力筋腱一般采用聚酯纤维缆作为主要材料，而聚酯缆长期服役下的蠕变松弛问题将导致张力筋腱预张力的缓慢衰减和因筋腱伸长所产生的浮体局部或整体抬升，迫使风机运维成本增加，从而限制了该类型浮式风机的应用范围。因此，张力腿平台浮式风机的整体姿态控制是保障其运转稳定、结构安全及成本低廉的关键性技术之一。

2、为了实现对浮式风机结构姿态的有效控制，至今已有一些手段及方法被提出。例如，通过调整叶片桨距角及发电机扭矩来控制结构气动载荷。然而，浮式风机是一种典型的欠驱动控制结构，单纯控制上部风轮的确能够达到降低结构气动载荷、缓解不良运动产生的目的，但此方法往往以牺牲系统的发电效能为代价，而且难以抵消海面下水动力所导致的结构运动。对于采用分布式锚链系泊方式的半潜浮式风机、单立柱浮式风机等，可通过浮体上配备的锚机和导链轮对部分锚链进行绞放，从而实现结构姿态及锚链载荷的调节。但该方法一般仅适用于各锚链选用悬链线布置形式，该布置形式下锚链张力较小，且张力调节对锚链绞放长度的敏感性低。

3、而张力腿平台浮式风机采用的是张力筋腱垂直系泊方式，系统的垂向系泊刚度高，筋腱内部张力巨大，且微小的筋腱长度改变量将造成张力的剧烈变化。若套用上述控制形式，无疑将对驱动器的动力性及操控精准性提出极高的要求，普通锚机则无法胜任。另外，与深海张力腿油气开发平台相似，当张力腿平台浮式风机步入深远海，结构设计或将钢管作为筋腱主要构件，钢管自身的弯曲刚度也导致其无法像锚链一样被绞放。

4、综上所述，有必要针对张力腿平台浮式风机的结构特点，专门提出一种主动式筋腱系泊系统，使该类型浮式风机具备整体姿态可控性，从而使风机在复杂海洋环境中兼顾结构安全和发电效能，同时降低后期运维成本。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种各根张力筋腱均具有自我调节能力的张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统。

2、本发明所采用的技术方案是：一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，包括有发电机舱，与所述发电机舱内部相连用于驱动设置在发电机舱内部的发电机发电的风轮叶片，所述发电机舱通过偏航系统设置在塔筒的顶端，所述塔筒的底端固定在浮体的顶部，所述浮体的底端固定在外伸悬臂梁的上端面中部，所述浮体内设置有控制计算机和与所述控制计算机相连的运动姿态传感器，外伸悬臂梁的四个悬臂梁分别通过一组张力筋腱组连接水下基础，四组所述的张力筋腱组均是由两个张力筋腱构成，每个所述的张力筋腱上端都是通过一个筋腱长度调节机构连接在所述悬臂梁的端部，每个所述的张力筋腱的下端固定在所述水下基础上，每个所述的张力筋腱通过所述的筋腱长度调节机构独立调节自身长度及预张力，通过对所有张力筋腱的联合调节，实现张力腿平台浮式风机整体姿态的调整。

3、本发明的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，张力筋腱具有自我调节能力，各根张力筋腱可独立调节自身长度及预张力；不同张力筋腱进行联合调节可实现风机整体姿态的控制。本发明能够有效规避由于筋腱高预张力、高刚度、不可绞而导致的筋腱长度控制困难问题，并且所采用的驱动形式可满足设备能耗的经济性要求，具有良好的可推广性。本发明具有以下有益效果：

4、1、本发明在张力筋腱调节中所采用的丝杠-蜗轮机构具有自锁功能，在无动力驱动蜗轮旋转时，丝杠能够在风机浮体中保持固定不动，将张力筋腱的张力作用传递至风机浮体结构。因此，在不对本发明中的张力筋腱长度调节机构提供能源及动力时，该机构将转化为一种相当于普通张力腿平台的被动式筋腱连接结构。这便为张力筋腱长度调节控制系统的非常态化运转提供了可能，即根据实时海况按需启用该系统，从而在没有调节需求时完全关闭系统并切断电力供应，进而达到为整个风机的电控系统节能增效的目的。这也意味着本发明是对现有风机结构自我调节能力的增强，当风机处于一般性的中、低海况时，仍可单独依靠自身原有的结构特性化解环境载荷动力响应。所以，该调节控制系统的引入不会大幅改变现有风机结构设计。

5、(2)本发明能够充分发挥被动式结构具有高结构可靠性的优势，同时兼顾主动式结构的可调节性。当张力筋腱长度调节控制系统被关闭时，调节机构将处于机械自锁状态，使得浮体与张力筋腱之间的连接可在大多数海洋环境条件下保持稳定、可靠且经久耐用。而在少数情况下启用张力筋腱长度调节控制系统的过程中，即使系统中出现部分设备意外失效的情况，调节机构也能依靠其自锁功能特性继续维持张力筋腱的有效连接及传力，不易出现张力筋腱从浮体结构中完全脱出等危险情况。在自锁机构的保护下，系统仅丧失驱动能力。这样可最大限度地降低因引入调节控制系统而给风机整体可靠性带来的不利影响。

6、(3)本发明所采用的张力筋腱长度调节机构充分贴合张力筋腱垂直系泊方式的力学特性。相较于半潜、单立柱等浮式风机的悬链线分布式系泊，张力腿平台浮式风机的张力筋腱内部张力巨大，在引入调节装置时若使张力筋腱与驱动器直联，则必然要求驱动器的动力输出应能承受张力筋腱的张力，否则将发生调节失控、张力筋腱脱出失效及驱动器受损等情况。另外，张力筋腱刚度大，微小的长度改变量将引起张力的剧烈波动，这要求驱动器还应具备一定短行程下的驱动精准性。然而，目前很难找到两方面兼顾的驱动器类型。本发明采用的传动机构具有“加力减速”的功效，在放大电机扭矩的同时降低速度、缩短行程，大幅降低了驱动电机动力性和精准性的适配条件。

7、(4)相比于压电驱动、记忆合金等新生驱动形式，伺服电机配合机械传动的驱动形式其工程应用范围广泛，具有机械效率高、设备可靠性高及制造装配成本低的特点，使得该技术路线及方案具有良好的工程应用可行性。同时，相比于调谐液柱阻尼器等已有大型减摇装置，伺服电机与机械传动相结合更有利于设备小型化，从而避免了因风机姿态调节装置大量占据浮体内部空间而导致的结构增重及压载空间不足的问题。此外，小型的电机及传动机构布置在风机浮体内部，不破坏结构的水动力外形，故而不会大幅影响原有结构设计的水动力性能。

8、(5)相比于系泊缆绞放，张力筋腱相对于浮体做升降直线运动的长度调节形式具有更广泛的应用前景。绞放调节仅能应用于锚链、聚酯缆等柔性弯曲构件作为张力筋腱选材的情况。而随着风机建造步入深远海并开始大型化发展，或将与深海张力腿油气平台设计类似，采用钢管作为张力筋腱选材。钢管自身具有弯曲刚度，无法绞放，届时本发明将为其提供一种可行的技术方案。

技术特征：

1.一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，包括有发电机舱(2)，与所述发电机舱(2)内部相连用于驱动设置在发电机舱(2)内部的发电机发电的风轮叶片(1)，所述发电机舱(2)通过偏航系统设置在塔筒(3)的顶端，所述塔筒(3)的底端固定在浮体(4)的顶部，所述浮体(4)的底端固定在外伸悬臂梁(5)的上端面中部，所述浮体(4)内设置有控制计算机和与所述控制计算机相连的运动姿态传感器，外伸悬臂梁(5)的四个悬臂梁(5.1)分别通过一组张力筋腱组连接水下基础(7)，其特征在于，四组所述的张力筋腱组均是由两个张力筋腱(6)构成，每个所述的张力筋腱(6)上端都是通过一个筋腱长度调节机构(8)连接在所述悬臂梁(5.1)的端部，每个所述的张力筋腱(6)的下端固定在所述水下基础(7)上，每个所述的张力筋腱(6)通过所述的筋腱长度调节机构(8)独立调节自身长度及预张力，通过对所有张力筋腱(6)的联合调节，实现张力腿平台浮式风机整体姿态的调整。

2.根据权利要求1所述的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，其特征在于，所述的筋腱长度调节机构(8)包括有形成于所述悬臂梁(5.1)的端部且上下贯通的丝杠通道(8.2)，贯穿的安装在所述丝杠通道(8.2)内的丝杠(8.1)，以及卡入在所述丝杠通道(8.2)侧壁中的用于驱动所述丝杠(8.1)上下移动的丝杠驱动机构，所述丝杠(8.1)的下端固定连接所述张力筋腱(6)的顶端。

3.根据权利要求2所述的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，其特征在于，所述的丝杠(8.1)的下端是通过筋腱连接器(9)固定连接所述张力筋腱(6)的顶端，所述的筋腱连接器(9)内设置有张力传感器。

4.根据权利要求2所述的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，其特征在于，所述的丝杠(8.1)包括有丝杠主体(8.1.1)，形成在所述丝杠主体(8.1.1)中部的丝杠螺纹(8.1.2)，套在所述丝杠螺纹(8.1.2)的外侧、并与所述丝杠螺纹(8.1.2)为螺纹连接的蜗轮(8.1.3)，圆周向等间隔的形成在所述蜗轮(8.1.3)外壁上的一圈蜗齿(8.1.4)；所述的丝杠驱动机构包括有沿圆周方向向内凹进的形成在所述丝杠通道(8.2)内壁上用于嵌入所述蜗轮(8.1.3)的蜗轮卡槽(8.2.3)，沿所述悬臂梁(5.1)的宽度方向设置在所述蜗轮卡槽(8.2.3)处的蜗杆(8.3)，以及与所述蜗杆(8.3)相连的伺服电机(8.4)，所述的伺服电机(8.4)通过电缆连接设置在浮体(4)内部的控制计算机，且每个悬臂梁(5.1)端部的两个筋腱长度调节机构(8)中的伺服电机(8.4)为相邻设置，所述的蜗杆(8.3)与形成在所述的蜗轮(8.1.3)外周壁上的一圈蜗齿(8.1.4)相啮合，在所述伺服电机(8.4)的驱动下由蜗杆(8.3)带动蜗轮(8.1.3)旋转，从而使与所述蜗轮(8.1.3)螺纹连接的丝杠主体(8.1.1)随蜗轮(8.1.3)的旋转方向不同而上下移动。

5.根据权利要求4所述的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，其特征在于，所述的蜗杆(8.3)的两端是通过轴承(16)设置在所述丝杠通道(8.2)侧壁上。

6.根据权利要求4所述的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，其特征在于，所述的丝杠主体(8.1.1)在位于所述丝杠螺纹(8.1.2)的上部和下部轴向对称的形成有丝杠滑块(8.1.5)，所述的丝杠通道(8.2)上对应所述的丝杠滑块(8.1.5)轴向形成有用于对所述丝杠滑块(8.1.5)进行导向的丝杠滑块导槽(8.2.1)，所述的丝杠滑块导槽(8.2.1)上设置有丝杆升降位置传感器(8.2.2)。

7.根据权利要求1所述的一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，其特征在于，每个所述悬臂梁(5.1)的端部都设置有两个张力筋腱(6)，采用关于外伸悬臂梁(5)轴线的对称布局形式。

技术总结
一种张力腿平台浮式风机主动式筋腱系泊系统，包括有与发电机舱内部相连的发电机及风轮叶片，发电机舱通过偏航系统设置在塔筒的顶端，塔筒的底端固定在浮体的顶部，浮体的底端固定在外伸悬臂梁的上端面中部，浮体内设置有控制计算机和与控制计算机相连的运动姿态传感器，外伸悬臂梁的四个悬臂梁分别通过一组张力筋腱组连接水下基础，四组张力筋腱组均是由两个张力筋腱构成，每个张力筋腱上端都是通过一个筋腱长度调节机构连接在悬臂梁的端部，每个张力筋腱的下端固定在水下基础上，每个张力筋腱通过筋腱长度调节机构独立调节自身长度及预张力，通过对所有张力筋腱的联合调节，实现张力腿平台浮式风机整体姿态的调整。本发明具有良好的可推广性。

技术研发人员：郝帅,王宾,张明,成司元
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14