CN102734079B - 每个叶片上具有宽波段减震装置的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

风力涡轮机包括一个或多个叶片，每个叶片包含减震装置，减震装置包括在叶片的主共振频率Ωo上调谐的第一减震元件，以及在频率Ω1，Ω2，...Ωk上调谐的K个额外的减震元件，使得在叶片振动的情况下，在以Ωo的百分比X在叶片的主共振频率Ωo之上和之下延伸的波段内，叶片振动的振幅A以处于叶片的主共振频率Ωo的振幅Ao的百分比Y减小，频率Ω1，Ω2，...Ωk包括在所述波段内。

Description

每个叶片上具有宽波段减震装置的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及在每个叶片上具有减震装置的风力涡轮机，特别涉及在每个叶片上具有宽波段减震装置的风力涡轮机。

背景技术

风力涡轮机是将机械能转换为电能的装置。典型的风力涡轮机包括装配在塔上的发电机舱，包围着驱动机构，用于将转子的旋转发送到发电机，还包括其他元件，例如偏航驱动器，用于导向风力涡轮机，若干致动器、传感器和制动器。转子支撑从其径向延伸的多个叶片，用于捕获的风的动能并且引起驱动机构旋转运动。转子叶片具有空气动力学的形状，使得当风吹过叶片表面时，生成升力引起轴的旋转，该轴直接连接或通过联动结构连接至位于发动机舱内部的发电机。由风力涡轮机产生的能量的数量依赖于转子叶片扫过的表面，该表面接收来自风的动作并且结果增加叶片的长度通常导致风力涡轮机功率输出的增加。控制叶片使其在正常阶段保持在自动旋转状态，并且叶片的姿态依赖于风的强度。

增加叶片尺寸在空气弹性变形响应方面存在缺陷，因为总的趋势是结构性减震随着叶片长度降低。由于该减小，叶片在正常频率的动态响应与减震比率的倒数成比例地增加，并且还依赖于与涡流发散频率的接近。图2示出了该结构的典型的振幅-相关频率的图，其中强调了在共振频率F₀的振幅A₀，以及在频率F₁的最大振幅A₁。

由此从结构完整性和/或成本优化的观点看在叶片中包括一些额外的减震是方便的，从而使得可以减小动态负载。当组合空气动力学条件和结构特性时，特别有意思的是叶片总减震减小(空气动力学机上加上结构上的)，并且甚至可能进入用于相关本征模的负空气动力学减震值区域。当叶片中的相关螺旋桨处于失速情况(其中上升斜率为负)时，这可能发生。该情况可能对于正常生产过程中的失速调节风力涡轮机发生，但是也可能对于可变齿距风力涡轮机在闲置或具有高的进入角的空转状态中发生。

多个专利文档公开了用于风力涡轮机叶片的减震装置，例如WO95/21327、WO02/08114、WO99/32789和US6,626.642。

这些减震装置的通常缺点在于它们没有被设计为考虑如下情况：对于给定的风力涡轮机模型，由于容差存在叶片的结构或空气动力学属性的显著变化，这涉及效率的显著变化。

本发明致力于寻找这些缺陷的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供具有有效减震器装置的风力涡轮机叶片，而不管由于容差叶片的结构或空气动力学属性变化。

本发明的另一个目的在于提供具有减震器装置的风力涡轮机叶片，其允许负载减小和/或扩展叶片可以承受的风况而不具有关于结构完整性的较高风险。

本发明的另一个目的在于提供具有减震器装置风力涡轮机叶片，其允许减轻叶片重量。

这些和其他目的通过一种风力涡轮机实现，所述风力涡轮机包括一个或多个叶片，每个叶片包含减震装置，所述减震装置包括在叶片的主共振频率Ωo上调谐的第一减震元件，以及在频率Ω1，Ω2，...Ωk上调谐的K个额外的减震元件，使得在叶片振动的情况下，在以Ωo的百分比X在叶片的主共振频率Ωo之上和之下延伸的波段内，叶片振动的振幅A以处于叶片的主共振频率Ωo的振幅Ao的百分比Y减小，所述频率Ω1，Ω2，...Ωk包括在所述波段内。

在本发明的实施例中，所述减震装置位于扭转是0°的叶片部分中，以衰减摆振方向振动；或者位于具有预定扭转的叶片部分中，以衰减摆振方向和挥舞方向振动；或者位于第二摆振方向振动模态形状的位置上的叶片部分中，以必须激励混合振动模式。由此实现能够经受不同振动模式的用于风力涡轮机的有效减震装置。

在本发明的实施例中，所述额外的减震元件的数目是2。考虑到两个额外的减震元件是在风力涡轮机叶片中实现满意的结构的合理数目的元件，另一方面，这有助于优化处理，用于获得减震元件的参数：模态质量m、模态硬度k和减震系数c。

在本发明的实施例中，所述百分比X小于15％，或者甚至小于11％。对应的波段是适合的波段，用于确保宽范围的叶片在其动态响应中的充分减小，而不管相同型号的叶片的容差变化。

在本发明的实施例中，所述百分比Y小于40％，甚至小于21％。考虑到这个界限可以实现适合尺寸的减震元件，并且引起足够的负载和偏离减小，允许叶片性能的改进。

本发明的其他特征和优点将从示例性而非限制性的实施例的具体描述结合附图中得到理解。

附图说明

图1是风力涡轮机的示意性截面侧视图。

图2示出结构的典型动态响应。

图3示出具有或不具有在自然频率调谐的一个减震器元件的结构的响应。

图4对于图3加入了具有两个减震器装置的结构的响应，该减震器装置具有多于一个减震器元件。

图5示出具有包括K个减震元件的减震装置的叶片的具体能量图。

图6示出挥舞和摆振方向。

图7示出根据本发明具有和不具有减震装置的叶片的频率响应。

图8示出由于减震系数上升引起的负载减小。

具体实施方式

如图1所示，典型的风力涡轮机包括塔3，用于支撑发动机舱8，发动机舱包裹发电机9，用于将风力涡轮机转子的旋转能量转换电能。风力涡轮机转子包括转子中心5，并且通常具有三个叶片7。转子中心5直接连接或通过传动盒连接至风力涡轮机的发电机9，用于将转子5产生的转矩传送到发电机9，并且增加轴速度，从而实现发电机转子的适合的旋转速度。

例如风力涡轮机的叶片的结构对于激励的响应是关于图3的曲线31所示的特征的振动，在结构自然频率Ω₀具有最大振幅，这依赖于结构特性。

如果结构具有正确调整为所述自然频率Ω₀的减震元件，系统的响应由图3中的曲线33示出，在所述自然频率Ω₀振幅衰减(该衰减依赖于所述减震元件的减震能力)，但是振幅在接近于Ω₀的频率Ω₁和Ω₂增加。

由此，本发明的基本观点在于增加在接近于自然频率Ω₀的的频率调谐的更多减震元件，从而减小响应的振幅直到最大值不超过如图4的曲线41和42所示的频率范围，曲线41和42具有分别对应于具有若干元件的减震装置的最大振幅A₁和A₂。组合一定数量的减震元件的效果专有地产生每个元件的效果的线性重叠，还产生了在自然频率Ω₀周围的一定频率范围内振幅衰减和叶片负载的减小的协作效果。

在优化处理中进行用于实现期望频率范围内的足够衰减所需的数量和属性的确定，即所述减震元件的质量m、硬度k和减震系数c：

-进行系统的共振频率的正确调整；

-分散所需的能量以实现需要的负载减小。

下面是关于能量如何从叶片传送到减震器以实现叶片震荡(和负载)减小的理论说明。

图5示出了当叶片具有在所述优化处理中考虑的功率输入P_B时叶片B和减震元件D1，D2...Dk之间所有可能的相互作用：

-在叶片P_d，B的分散的功率

-在叶片B和减震元件D1，D2...Dk之间的发射功率：P_B1，P_B2，P_Bk

-来自减震元件D1，D2...Dk在叶片B的接收功率：P_1B，P_2B，P_kB

-在减震元件D1，D2...Dk之间的发射和接收功率：P₁₂，P_1k，P_2k；P₂₁，P_k1，P_k2

-在减震元件D1，D2...Dk的分散那功率：P_d，1，P_D，2，P_d，k

考虑不同的一般子系统i和其中i或j对应于叶片的B，并且1...k用于不同的减震元件，关键参数是：

·子系统分散的功率i：P_i，d＝ωη_iE_i

·子系统i和j之间的互换的功率：P_ij＝ωη_ijE_i-ωη_jiE_j

·互易关系：n_iη_ij＝n_jη_ji

·每个子系统的功率平衡：

其中，P_i是由外部激励在每个子系统中感应的功率。在这种情况下，这个参数表示通过空气动力学负载进入叶片的功率P_B。

$P_B={\∫}_{t=0}^{t=T_{\mathrm{\ω}}}{\∫}_{r=0}^{r=R}{F}_a(r,t)\·\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{u}(r,t)$

其中，T_ω是与本征频率ω相关的震荡周期，F_a是作用于叶片的空气动力学力的矢量，并且是模态位移的矢量。

η_i是系统i的内部损耗因子。表示当进入功率转换成叶片或减震装置中的能量时产生的损耗的百分比。这个因子表示每个子系统中的减震等级，所以其可以表示为η_i＝2γ_i＝2C_i/C_i，crit和

η_ij是子系统i和j之间的耦合损耗因子。在互联的子系统之间传输的功率可以被看作与每个子系统(叶片或减震元件)中的能量成比例。η_ij参数依赖于叶片和减震元件结构特性并且可以分析获得，或者通过数学计算模型(作为FEM)获得。

n_i是子系统i的模态密度，其代表频率波段单位内子系统i中共振特征模式的平均数量。通常对于叶片，在感兴趣的波段内大约为2(较低频率模式)，对于减震装置为1。

由此优化以获得特定叶片的足够的减震器装置的参数是叶片和减震元件之间的交互因子和减震元件和它们内部损耗因子之间的交互因子，其直接涉及它们对应的减震因子γ_i。

根据本发明的减震装置由此包括若干减震元件，根据叶片特性建立减震元件的参数：质量m、硬度k和减震系数c，从而减弱主要震动模式。当叶片运动对于特定频率波段具有相关贡献并且对于该波段已经正确调整减震器装置时，部分叶片能量转换到减震装置，使得叶片运动衰减。这种情况的发生是因为减震器分散了运动的能量，所以减小了叶片的震荡振幅。

在风力涡轮机叶片上发生两个主要震动模式：如图6所示的挥舞方向(flapwise)振动25和摆振方向(edgewise)振动26。在后缘(风到达叶片)至前缘(风离开叶片)方向上保持摆振运动。挥舞方向振动25垂直于摆振方向振动26。该指定牢记整个叶片的主零升线27，而不是在特定部分的轮廓的零升线29(当进入行程时存在一些轮廓扭转)。

根据本发明的减震装置在主振动模式(即挥舞和摆振第一振动模式)周围的宽带频率上作用于叶片振动的振幅之上，其具有较高的振幅，用于减小疲劳荷载。

关于根据本发明的减震装置的位置，应当考虑若干标准，例如叶片内的空间限制、根据减震装置的质量和位置加入到叶片的惰性负载、对于振动模式期望的效果以及由于减震装置的安装导致的次要效果。

减震装置的适合位置如下：

-扭转(即零升轮廓线29和主零升线27之间的角度)为0°的叶片部分，从而衰减摆振方向振动。

-具有预定扭转的叶片，从而衰减挥舞方向和摆振方向振动，或者仅衰减摆振方向振动，根据每个叶片的需要而不同。

-在第二摆振方向振动模态形状的位置上以避免激励混合振动模式的叶片部分。该部分通常位于第二第三叶片。

在本发明的优选实施例中，减震装置包括在叶片的主共振频率Ω_o调谐的第一减震元件，和在频率Ω₁、Ω₂调谐的2个附加减震元件。

接近于主振动频率具有和不具有根据优选实施例的减震器装置叶片的响应分别由图7的曲线53和51表示。由此，减震器装置允许振幅在期望频率波段Ω_a-Ω_b减小到预定界限A_max之下，其中Ω_a＝Ω_o-X％*Ω_o和Ω_b＝Ω_o+X％*Ω。

优选地所述百分比X％小于15％，甚至小于11％，这样定义的波段覆盖了足以应对制造偏差的频率波段，并对减震装置给出足够的余量以正确地应对不同环境情况。在所述频段内，应该正确选择额外的减震元件的频率Ω₁，Ω₂，以实现上述协作效果，即，用作宽带减震器装置而不是三个单独的减震元件之和。

优选地，在叶片的主共振频率Ω_o，不具有任何减震元件，预定界限A_max小于振幅A_o的40％，或者甚至25％。

一方面，实现振动振幅的减小避免了叶片的结构危险，另一方面，允许叶片应对更高的负载。这是基于如下事实：因为叶片是柔性元件，负载总是具有令人不安的稳定元件(与其他参数中的风速相关)，并且动态元件(例如来自强风)直接与总减震(结构和空气动力学的)相关。如果增加了减震，可以减小动态负载，这允许增加令人不安的稳定负载(可允许的最大风速)而不超过叶片上的总负载。可选地，仅增加保持定尺寸的风况的减震允许如前所述优化叶片结构(重量和成本)。

根据本发明的减震装置的效果不仅是在某些频率减小叶片偏离。还减轻叶片上的负载，所以增加减震器是清楚的改进。图8示出了对于不同仿真S叶片上的负载L的减小，与不具有减震装置的叶片的情况61相比，情况63、65和67增加减震系数。

关于具有在频率Ω₀、Ω₁、Ω₂调谐的三个减震元件的减震装置的优选实施例的上述定量信息已经在具体的参数研究中获得，并且通过实验测试被验证。

根据本发明的减震装置是适合的减震装置，用于在正常操作过程中停转(stall)调节的风力涡轮机，并且当停止或空转状态下以高进入角停转调节的和桨距(pitch)调节的风力涡轮机。

尽管结合优选实施例充分描述了本发明，显而易见在本发明的范围内可以引入改进，本发明的范围不受这些实施例的限制，而是有所附权利要求的内容限定。

Claims (11)

1.一种风力涡轮机，包括一个或多个叶片，其特征在于，

每个叶片包含减震装置，所述减震装置包括在叶片的主共振频率Ωo上调谐的第一减震元件，以及在频率Ω1，Ω2，...Ωk上调谐的K个额外减震元件，使得在叶片振动的情况下，在以Ωo的百分比X在叶片的主共振频率Ωo之上和之下延伸的波段内，叶片振动的振幅A以叶片主共振频率Ωo下的振幅Ao的百分比Y减小，所述频率Ω1，Ω2，...Ωk包括在所述波段内。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述减震装置位于扭转是0°的叶片部分中，以衰减摆振方向振动。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述减震装置位于具有预定扭转的叶片部分中，以衰减摆振方向和挥舞方向振动。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述减震装置位于第二摆振方向振动模态形状的位置上的叶片部分中，以避免激励混合振动模式。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述额外减震元件的数目是2。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中，所述百分比X小于15％。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中，所述百分比X小于11％。

8.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中，所述百分比Y小于40％。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，所述百分比Y小于25％。

10.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机的调节系统是停转调节系统。

11.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机的调节系统是桨距调节系统。