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CN114810502B - 一种具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台 - Google Patents

一种具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台 Download PDF

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CN114810502B
CN114810502B CN202210207030.4A CN202210207030A CN114810502B CN 114810502 B CN114810502 B CN 114810502B CN 202210207030 A CN202210207030 A CN 202210207030A CN 114810502 B CN114810502 B CN 114810502B
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缪维跑
刘青松
岳敏楠
欧华浩
肖俊青
李春
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University of Shanghai for Science and Technology
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University of Shanghai for Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台，包括：塔架、与塔架固接的机舱、与所述机舱活动连接的叶片及与所述塔架固接的大王莲仿生平台；所述大王莲仿生平台包括漂浮件及设置于所述漂浮件远离塔架的一端面上的分形结构，且所述分形结构外廓形状与漂浮件的形状相同。根据本发明，具有较好的减震效果，且可有效提升平台阻尼、加强能量耗散速率以及降低疲劳载荷，增加了对抗海浪的能力，平台稳定性明显增强，减少了材料损耗，同时可提供较大的支撑强度，有效增强了海上风力机漂浮式平台的结构安全性。

Description

一种具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台
技术领域
本发明涉及漂浮风力机的技术领域，特别涉及一种具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台。
背景技术
海上风电系统属高耸结构。一般5MW风力机叶片轮毂高出海面约100 m，叶片长度约50-60 m。为降低度电成本，现代风力机正经历进一步大型化进程，通过提高风轮扫掠面积以增加风能捕获量。较之传统海工石油平台，大型漂浮式风力机系统重心位置更高、水线面面积矩更小，对波浪激励更敏感，波浪更加剧了平台的运动，严重时甚至倾覆，漂浮式平台稳定性仍存在较多问题需要探索。因此，有效提高稳定性是保障风力机稳定运行与长期健康服役的关键。
目前，国际上漂浮式风电采用的平台设计大多借鉴海工石油平台，根据其结构形式可分为三大类：半潜式平台、张力腿式平台和深水浮筒式平台。
现有平台设计中：①多借鉴海工石油平台，自重与工程造价高；②未充分考虑平台系统所受风、波、流等复杂载荷耦合作用；③漂浮式风力机系统重心位置高、水线面面积矩小，对波浪激励更敏感，加剧了平台及系泊的非线性运动，严重时将造成系泊断裂甚至平台倾覆。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台，具有较好的减震效果，且可有效提升平台阻尼、加强能量耗散速率以及降低疲劳载荷，增加了对抗海浪的能力，平台稳定性明显增强，减少了材料损耗，同时可提供较大的支撑强度，有效增强了海上风力机漂浮式平台的结构安全性。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台，包括：
塔架、与塔架固接的机舱、与所述机舱活动连接的叶片及与所述塔架固接的大王莲仿生平台；
所述大王莲仿生平台包括漂浮件及设置于所述漂浮件远离塔架的一端面上的分形结构，且所述分形结构外廓形状与漂浮件的形状相同。
优选的，所述漂浮件为一圆柱形台，且漂浮件一端面上的中心位置固接有塔架，另一端面上固接有分形结构，所述分形结构设置于海内。
优选的，分形结构包括多个主脉肋及沿主脉肋径向分支的多个分支脉肋，其中多个主脉肋一端的交汇点位漂浮件的中心点。
优选的，每两个分支脉肋之间及分支脉肋与主脉肋之间设置有多个间隔分布的间隔肋，所述间隔肋均沿分支脉肋与主脉肋的长度方向间隔分布。
优选的，多个分支脉肋之间及分支脉肋与主脉肋之间通过间隔肋形成多个大小随机的多个格状凹槽。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
（1）将驳船式平台改型为底部具有大王莲腔室的圆形平台，使其对各方向的海浪均具有较好的减载作用，可极大提高平台的稳定性。
（2）平台底部仿生分形结构减少了材料损耗，同时可提供较大的支撑强度，有效增强了海上风力机漂浮式平台的结构安全性。
（3）采用圆形平台，也可以在原有驳船式平台下半部分嵌入圆形大王莲腔室，或将原有驳船式平台整体加工具有大王莲腔室的平台。
（4）平台底部仿生分形结构具有较好的减震效果，且可有效提升平台阻尼、加强能量耗散速率以及降低疲劳载荷，增加了对抗海浪的能力，平台稳定性明显增强。
附图说明
图1 为根据本发明的具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台的三维结构示意图；
图2 为根据本发明的具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台的仰视图；
图3 为根据本发明的具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台的平台规则与随机分形的涡量图；
图4 为根据本发明的具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台的不同平台载荷随时间变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-4，一种具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台，包括：塔架1、与塔架1固接的机舱2、与所述机舱2活动连接的叶片3及与所述塔架）固接的大王莲仿生平台4；所述大王莲仿生平台4包括漂浮件41及设置于所述漂浮件41远离塔架1的一端面上的分形结构42，且所述分形结构42外廓形状与漂浮件41的形状相同。
进一步的，所述漂浮件41为一圆柱形台，且漂浮件41一端面上的中心位置固接有塔架1，另一端面上固接有分形结构42，所述分形结构42设置于海内，分形结构42包括多个主脉肋及沿主脉肋径向分支的多个分支脉肋，其中多个主脉肋一端的交汇点位漂浮件41的中心点，分形结构42减少了海上风力机漂浮式平台材料损耗，同时可提供较大的支撑强度，有效增强了海上风力机漂浮式平台的结构安全性；仿生分形海上风力机漂浮式平台具有较好的减震效果，且可有效提升平台阻尼、加强能量耗散速率以及降低疲劳载荷，增加了对抗海浪的能力，平台稳定性明显增强，有效提高了平台稳定性，对海上风力机稳定运行具有积极作用，从而达到对平台的保护作用。
进一步的，每两个分支脉肋之间及分支脉肋与主脉肋之间设置有多个间隔分布的间隔肋，所述间隔肋均沿分支脉肋与主脉肋的长度方向间隔分布，多个分支脉肋之间及分支脉肋与主脉肋之间通过间隔肋形成多个大小随机的格状凹槽，所述格状凹槽中充满空气，可以极大提高大王莲仿生平台4的浮力。
通过新构型仿生平台运动响应规律、能量耗散机制及运动响应抑制机理的重要前提为：构建仿生平台主茎/分支/肋结构参数化模型，通过分形几何学迭代函数系统IFS（Iteration Function System），初步构建了仿生平台主脉肋/分支脉肋/间隔肋结构规则分行与随机分形参数化模型，并通过计算流体力学方法分析了两种垂荡板平台简化模型在水中受迫震荡作用下受力情况。
由图3可见，尽管两种结构具有相近的穿孔数量和穿孔面积，但较之规则分形平台，具有随机分形特征的漂浮式平台垂荡方向受到阻力显著上升，说明随机分形结构比常规结构在相同海浪情况下阻尼更大，可使平台相对更快恢复至稳定状态。图（b）-（c）中涡量场表明两种结构可产生不同的流场结构。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种具有仿生分形特性的漂浮式风力机平台，其特征在于，包括：
塔架（1）、与塔架（1）固接的机舱（2）、与所述机舱（2）活动连接的叶片（3）及与所述塔架（1）固接的大王莲仿生平台（4）；
所述大王莲仿生平台（4）包括漂浮件（41）及设置于所述漂浮件（41）远离塔架（1）的一端面上的分形结构（42），且所述分形结构（42）外廓形状与漂浮件（41）的形状相同；
所述漂浮件（41）为一圆柱形台，且漂浮件（41）一端面上的中心位置固接有塔架（1），另一端面上固接有分形结构（42），所述分形结构（42）设置于海内，分形结构（42）包括多个主脉肋及沿主脉肋径向分支的多个分支脉肋，其中多个主脉肋一端的交汇点位漂浮件（41）的中心点，每两个分支脉肋之间及分支脉肋与主脉肋之间设置有多个间隔分布的间隔肋，所述间隔肋均沿分支脉肋与主脉肋的长度方向间隔分布，多个分支脉肋之间及分支脉肋与主脉肋之间通过间隔肋形成多个大小随机的格状凹槽。
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