具体实施方式

下面将参考本发明的示例实施例来介绍本发明。不过，本发明可以以不同形式来实施，且不应当解释为局限于本文所述的实施例，也不解释为任何优先顺序。而是，这些实施例用于使得本公开更加透彻，并将本发明的范围表达给本领域技术人员。

下面公开的本发明实施例总体提供了对各种类型的浮动海上风力涡轮机(FOWT)平台的改进，例如驳船类型平台、潜水式或半潜类型平台、桅杆浮标类型平台和拉伸支腿类型平台。本发明包括具有改进的调谐质量阻尼器系统的FOWT平台，以便降低在操作过程中的运动和负荷。

本文使用的术语“平行”定义为在与水平面基本平行的平面中。术语“竖直”定义为基本垂直于水平平面。

参考附图，特别参考图1至3，具有改进的调谐质量阻尼器(TMD)系统34的FOWT平台10的第一实施例表示为部署在水体BW中并锚固在海床(未示出)上。所示的FOWT平台10是驳船类型平台的一个实施例，并包括支承塔架14的基础或船体12。塔架14支承风力涡轮机16。船体12是半浸没式，并构造和设置成漂浮和半浸没在水体BW中。因此，当船体12在水体BW中漂浮时，船体12的一部分将高于水面。如图所示，船体12的一部分低于水线WL。如本文中使用的那样，水线WL定义为水的表面与FOWT平台10相遇的近似线。常规的系泊缆线(未示出)可以附接在FOWT平台10上，还附接在海床(未示出)中的锚(未示出)上，以便限制FOWT平台10在水体BW上的运动。

如在示例实施例中所示，船体12由四个船体支腿18形成，这四个船体支腿从中心基础(keystone)20沿径向向外延伸，并提供浮力。因此，船体12成大致十字形。内部或中心柱22安装在中心基础20上，并提供平台，塔架14安装在该平台上。也可选择，船体12可以包括三个船体支腿18或超过四个船体支腿18。在所示实施例中，根据安装的商用风力涡轮机的尺寸，船体支腿18的长度在大约10m至大约75m的范围内。

尽管驳船类型FOWT平台10的船体12是十字形，但是应当理解，改进的TMD系统34可以用于具有其它船体形状的驳船类型平台，包括但不局限于具有矩形、正方形、圆形、椭圆形和其它几何形状的船体。

在本文所示的实施例中，风力涡轮机16是水平轴风力涡轮机。也可选择，风力涡轮机可以是传统的竖直轴风力涡轮机(未示出)。涡轮机16的尺寸将根据在FOWT平台10锚固的位置处的风情况和所希望的功率输出而变化。例如，涡轮机16可以有大约10MW的输出。也可选择，涡轮机16可以有在从大约1MW至大约20MW的范围内的输出。

风力涡轮机16可以是常规的，并可以包括可旋转轮毂24。至少一个转子叶片26与轮毂24联接并且从轮毂24向外延伸。轮毂24可旋转地与发电机(未示出)联接。发电机可以通过变压器(未示出)和水下电缆(未示出)而与电网(未示出)联接。在所示实施例中，轮毂24有三个转子叶片26。在其它实施例中，轮毂24可以有多于或少于三个的转子叶片26。

如图2和3中所示，中心基础20包括限定上表面的上壁20A以及下壁20B，还限定了中心空腔28，该中心空腔28有四个径向向外延伸的中心基础支腿30。各支腿30包括端壁30A，该端壁30A限定了基本竖直的连接面32，四个船体支腿18将附接在该连接面32上。也可选择，中心基础20可包括三个中心基础支腿30或超过四个的中心基础支腿30，与船体支腿18的数量相对应。

常规的TMD是与使用内部或外部质量的动态体集成的机构，并通过弹簧和阻尼器而与动态体连接。阻尼器用于通过将阻尼器设置得与不希望的响应异相地响应和同频率地响应而降低在动态体中的不希望的响应，该处理过程通常称为调谐质量阻尼。可以通过选择质量以及在阻尼器和动态体之间的连接刚性的组合来对TMD的固有频率进行调谐。可以通过调节在质量阻尼器和动态体之间的连接装置中的阻尼来对阻尼器的相位进行调谐。优选是，本文所述和所示的TMD的实施例使用在船体中(例如在船体支腿18中)的水压载腔室内的现有水或者在船体支腿18外部的水作为质量，使用增压空气作为弹簧，并使用用于调节阻尼的孔。

图1至3中所示的改进的TMD系统34包括：第一或低频率TMD36和第二或高频率TMD38。低频率TMD 36形成在各船体支腿18的外侧端处，并包括第一水压载腔室40，该第一水压载腔室40有位于中心的纵向延伸的第一阻尼器管42，该第一阻尼器管42从第一水压载腔室40的上端朝向第一水压载腔室40的下端延伸，但是终止在第一水压载腔室40的底板的上方。第一阻尼器管42的直径可以在大约1m至大约20m的范围内，并有封闭的第一端42A(当观察图2和3时为上端)和开口的第二端42B(当观察图2和3时为下端)。低频压力腔室44位于船体支腿18中。在所示实施例中，低频压力腔室44位于第一水压载腔室40附近。也可选择，低频压力腔室44可以位于船体支腿18中的其它合适位置处。第一连接管46在低频压力腔室44和第一阻尼器管42的上部部分之间延伸。

类似地，高频率TMD 38形成在各船体支腿18的内侧端处，并包括第二水压载腔室48，该第二水压载腔室48有位于中心的纵向延伸的第二阻尼器管50，该第二阻尼器管50从第二水压载腔室48的上端朝向第二水压载腔室48的下端延伸，但是终止在第二水压载腔室48的底板的上方。第二阻尼器管50的直径可以明显大于第一阻尼器管42的直径，例如在大约1m至大约20m的范围内，具有封闭的第一端50A(当观察图2和3时为上端)和开口的第二端50B(当观察图2和3时为下端)。高频压力腔室52也位于船体支腿18中。在所示实施例中，高频压力腔室52位于第二水压载腔室48附近，并低于第一水压载腔室40。也可选择，高频压力腔室52可以位于船体支腿18中的其它合适位置处。第二连接管54在高频压力腔室52和第二阻尼器管50的上部部分之间延伸。

通气管56安装在各船体支腿18的上部外表面上。各通气管56有多个连接通气管58，该多个连接通气管58连接各第一水腔室40和第二水腔室48，且各通气管56在它的开口端处终止于中心柱22内。在所示实施例中，两个连接通气管58与各第一水腔室40和第二水腔室48连接并连通。通气管56的内侧端与中心柱22内的中心通气毂60连接。通气管56和连接通气管58使得各第一水腔室40和第二水腔室48与大气通气。

在低频压力腔室44和高频压力腔室52内的空气压力可以在大约1.0psi至大约50.0psi的范围内，但是优选是，在高频压力腔室52内的空气压力大于在低频压力腔室44内的空气压力。在各低频压力腔室44和高频压力腔室52中的空气压力可定制，并可以通过在FOWT平台10内的空气压缩机(未示出)来设置和改变。

第一水腔室40和第二水腔室48可以与压载泵(未示出)或用于泵送或移动水的其它装置流体连通，从而使得第一水腔室40和第二水腔室48能够填充水，且其中的水量可以在需要时变化。

第一连接管46和第二连接管54可以设有在各第一连接管46和第二连接管54中的可调节孔，分别在47和55处示意表示。可调节孔47和55的内径可以在需要时调节，即，使其更大或更小，用于主动控制增压空气从低频压力腔室44至第一阻尼器管42的流动以及从高频压力腔室52至第二阻尼器管50的流动。可以手动或遥控地调节可调节孔47和55。因此，在低频率TMD 36和高频率TMD 38内可以保持所希望的频率。例如，在低频压力腔室44和高频压力腔室52内的频率优选是在大约0.03Hz至大约0.33Hz的范围内。优选是，高频率TMD 38的频率大于低频率TMD 36的频率。因此，可以通过分别改变气流通过第二连接管54和第一连接管46的速率而控制和调节高频率TMD 38和低频率TMD 36的阻尼特性。

更具体地说，可以各自主动控制TMD 36和38，以便在一定范围的频率内减轻在操作过程中由于风、水流和波浪负载而引起的FOWT平台运动和负载的不利影响。

例如，TMD系统34可以设有控制器，该控制器安装在FOWT平台10中的任何合适位置。优选是，作为风力涡轮机16的部件的控制器用作TMD 34控制器。不过应当理解，用于控制TMD系统34的操作的控制器可以独立于风力涡轮机16控制器。

再参考图3，可调节的孔47和55可以装备有传感器，例如位置传感器，该传感器设置成在操作过程中感测孔47和55的尺寸，并将感测的位置传送给控制器。也可选择，可以使用其它类型的传感器，包括但不局限于流体流量传感器，以便在操作过程中测量通过孔47和55的流体流量，并将感测的流体流量传送给控制器。低频压力腔室44和高频压力腔室52各自可以装备有压力传感器，该压力传感器设置成在操作过程中感测在压力腔室44和52中的空气压力，并将感测的压力传送给控制器。

而且，船体12可以包括传感器阵列，该传感器阵列设置成感测海况的变化，并将感测的海况变化传送给控制器。可以设置在船体12上的海况传感器的实例包括但不局限于加速度计、倾角仪和其它角位置传感器以及负荷传感器。来自该海况变化传感器阵列的数据传送给控制器。控制器内的算法分析接收的数据，然后：(1)通过分别改变压力腔室44和52中的空气压力来改变TMD 36和38的刚性，和/或(2)通过分别改变孔47和55的尺寸(从而改变通过第一连接管46和第二连接管54的空气流量)来改变TMD 36和38的阻尼频率。

在操作中，低频率TMD 36和高频率TMD 38各自可以根据FOWT船体的几何形状和希望减轻的合适频率来进行调谐。优选是，FOWT平台10的TMD系统34可以用于减轻在两个或更多频率处的运动。如图3中最佳所示，可以在低频率TMD 36的低频压力腔室44中建立所希望的空气压力。所述希望的空气压力将通过第一连接管46而连通至第一阻尼器管42，并因此确定第一阻尼器管42内的水位。在第一阻尼器管42中的水推压第一阻尼器管42中的增压空气，因此像弹簧一样起作用。由于低频率TMD 36形成在各船体支腿18的外侧端处，并竖直定向，因此它提供了更大的杠杆作用，并更有效地减轻横倾或降低船体12的旋转运动。

类似地，可以在高频率TMD 38的高频压力腔室52中建立所希望的空气压力。所述希望的空气压力将通过第二连接管54而连通至第二阻尼器管50，并因此确定第二阻尼器管50内的水位。第二阻尼器管50中的水推压第二阻尼器管50中的增压空气，因此像弹簧一样起作用。由于高频率TMD 38形成在各船体支腿18的内侧端，并且竖直定向，因此它更有效地减轻上下运动，即船体12的竖直运动。

图4和5表示了具有改进的TMD系统(在70处示意表示)的第二实施例的半潜FOWT平台62。半潜FOWT平台62包括三个浮力梁64、在各梁64的外侧端处的竖直外部柱66和在FOWT平台62中心处的竖直中心柱68。上部梁65可以在中心柱68的上端和各外部柱66的上端之间延伸。如图5中所示，TMD系统70包括水腔室72和具有孔阻尼器74的压力腔室。在所示实施例中，各梁64有在其中的水平定向的TMD系统70，且各柱66和68有在其中的竖直定向的TMD系统70。

图6和7表示了具有改进的TMD系统的第三实施例的拉伸支腿FOWT平台76(在84处示意表示)。拉伸支腿FOWT平台76包括三个浮力梁80以及在FOWT平台76的中心处的竖直中心柱78。柔性且不透水的隔膜82形成在各梁80的下表面中，并与水86接触，拉伸支腿FOWT平台76部署在该水86中。如图7中所示，TMD系统84包括隔膜82和具有孔阻尼器84的压力腔室。代替水腔室，作用在隔膜82上的水86用作TMD 84的质量。隔膜82可响应于压力腔室84中的空气压力而运动。在所示实施例中，各梁80有在其中的竖直定向的TMD系统84。

图8和9表示了具有改进的TMD系统(在94处示意表示)的第四实施例的桅杆类型FOWT平台86。桅杆类型FOWT平台86包括基座90和从该基座90向外和向上延伸的竖直桅杆92。如图9中所示，TMD系统94与TMD系统70基本相同，并包括水腔室96和具有孔阻尼器98的压力腔室。在所示实施例中，TMD系统94在基座90内水平定向。

下面参考图10，图中表示了TMD系统70的一个实例。TMD系统70表示在竖直外部柱66内。不过应当理解，TMD系统70可以形成在梁64和竖直中心柱68中的任何一个中。TMD系统70包括压载水腔室100和压力腔室102。阻尼器管104在压载水腔室100和压力腔室102之间延伸，并有形成于其中的孔，该孔限定了孔阻尼器106，用于控制在阻尼器管104内的增压空气的量。阻尼器管104的直径可以在大约1m至大约20m的范围内。

通气管108在压载水腔室100和柱66外部的大气之间延伸，从而使压载水腔室100与大气通气。

下面参考图11，图中表示了TMD系统84的一个实例。TMD系统84表示为在半潜FOWT平台62的水平梁64内。不过应当理解，TMD系统84也可以形成在TMD系统94的基座90中。TMD系统84包括压载水腔室110和压力腔室112。阻尼器管114在压载水腔室110和压力腔室112之间延伸，并有在它的第一端(当观察图11时的最右端)中形成的孔，该孔限定了孔阻尼器116，用于控制在阻尼器管114内的增压空气的量。柔性的不透水的隔膜118形成在阻尼器管114中并在阻尼器管114的第二端附近(当观察图11时的最左端)。隔膜118可响应于阻尼器管114中的空气压力而克服由阻尼器管114中的水施加的力而运动。阻尼器管114的直径可以在大约1m至大约20m的范围内。

下面参考图12，图中表示了TMD系统94的一个实例。TMD系统94表示在拉伸支腿FOWT平台76的梁80内。TMD系统94包括压力腔室120，该压力腔室120有形成于其中的孔，该孔限定了孔阻尼器122，从而控制在压力腔室120内的增压空气的量。柔性的不透水的隔膜124形成压力腔室120的一端，并使压力腔室120与梁80外部的水分开。隔膜124可响应于压力腔室120中的空气压力而克服由水体BW中的水施加的力而运动。

尽管在本文中介绍了拉伸支腿FOWT平台，但是本文中所述的TMD系统94可以设置成与本文中所述和所示的FOWT平台的任何实施例一起使用。

优选是，本文所述和所示的TMD系统34的任何实施例可以用于以设计驱动FOWT平台的响应和特性为目标，包括但不限于：(1)系统横倾角度，其中，TMD系统的动态横倾角度是典型的设计驱动标准，它不仅影响FOWT的结构设计的鲁棒性，还总体影响浮动海上平台。已经表明，将质量阻尼器技术(例如TMD系统34)实施至FOWT平台的船体中将减少动态横倾运动。横倾运动的减少与在船体12、塔架14和安装于其上的风力涡轮机16中的各种结构部件的疲劳和极限负载的降低相关联；(2)系统起伏运动，其中，在FOWT平台中使用TMD将减小对于平台的起伏(竖直)运动的响应。这使得FOWT船体能够设计成与涡轮机和环境负载频率无关；(3)涡轮强制谐波，其中，由于与叶片旋转相关的涡轮谐振负载而引起的疲劳损坏是在风力涡轮机塔架设计中的主要考虑因素。因为这种疲劳在已知频率下发生，所以TMD可以用于减轻负荷并且因此提高疲劳性能；以及(4)由于波浪环境而引起的响应，其中，在FOWT平台船体内的TMD可以设置成以波浪频率响应为目标，从而可以减轻与波浪相关的动态和结构响应。

已经在本发明的优选实施例中解释和说明了本发明的原理和操作方式。不过，必须理解，本发明可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下以与具体所述和所示不同的方式来实施。