CN102840269B - 用于增加风力发电机组系统阻尼的方法及调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于增加风力发电机系统阻尼的方法及调谐质量阻尼器，在风力发电机组机架尾部设置调谐质量阻尼器，通过调节调谐质量阻尼器的固有频率，使其与机架的摆振频率一致或相近，机架与该调谐质量阻尼器共振时相位角不同，利用该调谐质量阻尼器提供的阻尼吸收叶片的摆振能量，这样能有效地保护风力发电机的结构，消除风力发电机组频繁停机的问题，提高风力发电机组的使用寿命，同时不会对风力发电机组的发电效率产生影响。

Description

用于增加风力发电机组系统阻尼的方法及调谐质量阻尼器

技术领域

本发明属于工程结构减振技术领域，具体涉及一种用于增加风力发电机系统阻尼的方法及调谐质量阻尼器，主要用于风力发电机组的减震，也可用于桥梁、高层建筑等工程中。

背景技术

对于定桨距失速控制型风力发电机组，在环境温度低于-20℃，风速超过额定点以后（大约16-25m/s），在风力发电机组正常运行过程中，会发生无规律的、不可预测的叶片瞬间振动现象，即叶片在旋转平面内的摆振，这种振动有时会发散，导致机组振动迅速增加，造成机组停机，影响机组的正常发电。同时，这种振动对叶片也是有害的，它会导致叶片后缘结构失效，产生裂纹。

叶片的摆振方向的振动根源是由于失速运行时的气动力产生的，是由叶片失速后气动阻尼变为负值所致。它与叶片翼型的静态、动态空气动力特性，叶片的布局（叶片的几何分布），叶片的结构特性（结构阻尼）等有关；其次是复合材料叶片低温时其结构阻尼下降，最后导致总的阻尼下降。解决此问题的主要措施就是要增加系统的阻尼，通过阻尼耗散掉这部分能量。

针对此问题，目前运用较多的方法是在叶片上粘贴失速条，通过失速条来改变叶片的气动特性，进而减少叶片的摆振。该办法能有效耗散摆振能量，但是其会降低风力发电机组的发电效率，减少发电量，这是风场业主不可接受的。

因此，有必要对现有技术进行改进。经初步检索，未发现与本发明技术方案相同或者相似的有关记载。

发明内容

针对现有风力发电机组叶片失速导致系统阻尼下降引起振动，而现在采用的在叶片上贴时速条的方法会降低发电效率减少发电量的技术缺陷，本发明提出了一种用于增加风力发电机系统阻尼的方法及用于实现该方法的调谐质量阻尼器，本发明方法具有易实施、增阻尼效果良好的有点，而阻尼器具有结构合理、增阻尼效果明显、维护方便的优点。

本发明采用的技术方案是：

用于增加风力发电机系统阻尼的方法，在风力发电机组机架尾部设置调谐质量阻尼器，通过调节调谐质量阻尼器的固有频率，使其与机架的摆振频率一致或相近，机架与该调谐质量阻尼器共振时相位角不同，利用该调谐质量阻尼器提供的阻尼吸收叶片的摆振能量，这样能有效地保护风力发电机的结构，消除风力发电机组频繁停机的问题，提高风力发电机组的使用寿命，同时不会对风力发电机组的发电效率产生影响。

进一步地，所述调谐质量阻尼器的固有频率是通过改变调谐质量阻尼器的质量系统的质量或者刚度系统的刚度性能进行调节。

进一步地，所述风力发电机组机架尾部设有多台调谐质量阻尼器，每台调谐质量阻尼器的频率各不相同，即能抑制风力发电机系统多个频率的振动，控制范围更广，效率更高。

进一步地，所述多台调谐质量阻尼器采用由上至下叠加或者采用水平平行的布置方式。

用于增加风力发电机组阻尼的调谐质量阻尼器，包括承载支撑结构、导向系统、质量块系统、刚度系统和阻尼系统，所述承载支撑结构固定在风力发电机组的机架上；所述导向系统固定在所述承载支撑结构上，所述质量块系统置于所述导向系统上，质量块系统沿导向系统的运动；所述刚度系统固定在所述承载支撑结构上，刚度系统与质量块系统连接，为整个调谐质量阻尼器提供刚度；所述阻尼系统固定在所述承载支撑结构上，阻尼系统与质量块系统连接，为整个调谐质量阻尼器提供阻尼。

上述调谐质量阻尼器的工作原理为：当风力发电机组开始振动时，所述调谐质量阻尼器与之共振，其固有频率与风机机舱的摆振频率一致或相近，质量块系统沿导向系统作往复运动，从而带动刚度系统和阻尼系统往复运动，刚度系统和阻尼系统同时工作吸收风机机舱的摆阵能量。

进一步地，所述导向系统为直线导轨副。

进一步地，所述承载支撑结构上设有限位装置，用于限制质量块系统的位移。

进一步地，所述质量块系统包括质量块基座、调节质量块和转接板，所述质量块基座用于放置质量块，所述调节质量块用于调节调谐质量阻尼器的固有频率，所述转接板用于连接所述刚度系统和阻尼系统。

进一步地，所述刚度系统为钢弹簧系统，两个钢弹簧通过连接件首尾相接组成一组钢弹簧系统，钢弹簧系统通过该连接件连接所述质量块系统。

进一步的，所述阻尼系统为液压阻尼系统或者摩擦阻尼系统，其一端固定在所述承载支撑结构上，另一端连接所述质量块系统。

进一步地，所述刚度系统和阻尼系统合为一体，为同时具备刚性和阻尼特性的弹性橡胶，该弹性橡胶一端直接在所述承载支撑结构上，另一端连接质量块系统，风机机舱发生摆振时，质量块系统直接在导向系统上往复运动，从而带动弹性橡胶进行往复运动，利用弹性橡胶的刚性和阻尼特性吸收风机机舱的摆振能量。

本发明的优点在于：1、本发明用于增加风力发电机系统阻尼的方法首次将调谐质量阻尼器应用于大型风力发电机组上，经多次实验和长期实践检验，能有效增加风力发电机组系统阻尼，减振效果明显；2、通过设置多个不同频率的调谐质量阻尼器，能抑制风力发电机组多个频率的振动，控制范围更广，效率更高；3、本发明用于增加风力发电机组阻尼的调谐质量阻尼器，在承载支撑架构上设有导向系统，限定了质量块系统的运动轨迹，使得整个调谐质量阻尼器的结构非常稳定，且有效抑制了质量块系统在水平方向运动带来的负面影响；4、使用钢弹簧作为刚度系统，使用液压阻尼器或者摩擦阻尼器作为阻尼系统，使得整个调谐阻尼器具有优秀的刚性及阻尼特性，可有效增加风力发电机组的系统阻尼，并能有效吸收摆振能量；5、刚度系统和阻尼系统既可以独立设置，由钢弹簧和液压（或者摩擦）阻尼器分别实现，也可合二为一，由同时具有刚性和阻尼特性的弹性橡胶单独实现，有多种实现方式，便于生产者灵活采用。

附图说明

图1是本发明所述用于增加风力发电机组系统阻尼的调谐质量阻尼器的安装布置示意图（三面视图）；

图2是本发明实施例1所述调谐质量阻尼器的结构示意图（三面视图）；

图3是本发明实施例1所述调谐质量阻尼器的结构俯视图；

图4是本发明实施例1所述钢弹簧的结构示意图；

图5是本发明实施例1所述的导向系统的结构示意图（三面视图）；

图6是本发明实施例2所述调谐质量阻尼器的结构示意图（三面视图）；

图7是本发明实施例2所述调谐质量阻尼器的结构俯视图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段，以下结合附图及实施例，对本发明提出的一种用于增加风力发电机系统阻尼的方法及调谐质量阻尼器的具体实施方式、步骤、结构、特征进行详细说明，应当指出，由于篇幅原因，本文不对本发明所有的实施例进行穷举，以下实施例仅是本发明的优选实施例，但本发明的保护范围并不局限于下述优选实施例。

如图1所示，用于增加风力发电机系统阻尼的方法，在风力发电机组机架4尾部设置调谐质量阻尼器3，通过锁紧装置2固定在机架4上后侧，置于发电机1下部通过调节调谐质量阻尼器3的固有频率，使其与机舱机架4的摆振频率一致或相近，机舱机架4与该调谐质量阻尼器3共振时相位角不同，利用该调谐质量阻尼器3提供的阻尼吸收叶片的摆振能量，这样能有效地保护风力发电机的结构，消除风力发电机组频繁停机的问题，提高风力发电机组的使用寿命，同时不会对风力发电机组的发电效率产生影响。

进一步地，所述调谐质量阻尼器的固有频率是通过改变调谐质量阻尼器的质量系统的质量或者刚度系统的刚度性能进行调节。

进一步地，所述风力发电机组机舱机架尾部设有多台调谐质量阻尼器，每台调谐质量阻尼器的频率各不相同，即能抑制风力发电机组多个频率的振动，控制范围更广，效率更高。

进一步地，所述多台调谐质量阻尼器采用由上至下叠加的布置方式。

用于实现上述方法的调谐质量阻尼器，包括承载支撑结构、导向系统、质量块系统、刚度系统和阻尼系统，所述承载支撑结构固定在风力发电机组的机架上；所述导向系统固定在所述承载支撑结构上，所述质量块系统置于所述导向系统上，质量块系统沿导向系统的运动；所述刚度系统固定在所述承载支撑结构上，刚度系统与质量块系统连接，为整个调谐质量阻尼器提供刚度；所述阻尼系统固定在所述承载支撑结构上，阻尼系统与质量块系统连接，为整个调谐质量阻尼器提供阻尼。

上述调谐质量阻尼器的工作原理为：当风力发电机组开始振动时，所述调谐质量阻尼器与之共振，其固有频率与风机机舱的摆振频率一致或相近，质量块系统沿导向系统作往复运动，从而带动刚度系统和阻尼系统往复运动，刚度系统和阻尼系统同时工作吸收风机机舱的摆阵能量。

实施例1：

如图2所示，所述调谐质量阻尼器包括：承载支撑结构40、直线导轨副30、质量块10、液压阻尼系统50和钢弹簧系统20。

如图3所示，其中，所述承载支撑结构40包括：支撑板41、锁紧装置42、安装螺钉43、限位保护44；

所述液压阻尼系统50包括：液压阻尼器51、固定销52；

所述质量块系统10包含：质量块基座11、弹簧转接板12、螺杆13、调节质量块14；

所述钢弹簧系统20包括：钢弹簧21、安装螺母22、固定板23，安装螺栓24，连接板25。其中，如图4所示，钢弹簧21由弹簧211与螺栓接头212组成。两个钢弹簧21的螺栓接头212通过连接板25旋入安装螺母22，连接成为一组钢弹簧系统20，本实施例中，一个调谐质量阻尼器包括两组钢弹簧系统20；

如图5所示，所述直线导轨副30包括：导轨32、滑块31、安装螺钉33，所述滑块31在所述导轨32上滑动。

本例所述调谐质量阻尼器各部件之间的具体连接关系为：

1、支撑板41通过锁紧装置42和安装螺钉43固定在风力发电机组机架上；限位保护44用于保证质量块系统10在安全行程里往复运行；

2、导轨32通过安装螺钉33固定在支撑板41上，滑块31与质量块基座11连接；

3、钢弹簧系统20通过连接板25固定在弹簧转接板12上；钢弹簧系统20通过固定板23和安装螺栓24固定在支撑板41上。

4、液压阻尼器（51）通过固定销52，一端固定在支撑板41上，一端固定在质量块基座11上；

5、调节质量块14直接叠放在质量块基座11和弹簧转接板12上，并用螺杆13连接在一起。

实施例1的工作原理为：所述调谐质量阻尼器通过承载支撑结构40固定在风力发电机组机架尾部，其固有频率与机架的摆振频率一致或相近，机架发生振动时，质量块系统10在直线导轨副30上往复运动，从而带动钢弹簧21和液压阻尼器51进行往复运动，利用钢弹簧21的刚性和液压阻尼器51的阻尼特性吸收风机机舱的摆振能量。

实施例2：

如图6所示，调谐质量阻尼器，包括承载支撑结构40、直线导轨副30、质量块系统10、弹性橡胶20；

如图7所示，所述承载支撑结构40包括：支撑板41、锁紧装置42、安装螺钉43、限位保护44；

所述直线导轨副30包括：导轨32、滑块31、安装螺钉33；

所述质量块系统10包含：质量块基座11、转接板12、螺杆13、调节质量块14、安装螺钉15；

本例所述调谐质量阻尼器各部件的具体连接情况为：

1、支撑板41通过锁紧装置42固定在机架上，限位保护44用于保证质量块系统10在安全行程里往复运行。

2、导轨31通过安装螺钉33固定在支撑板41上，滑块31与质量块基座11连接；

3、弹性橡胶20通过安装螺钉15固定在支撑板41上，转接板12通过安装螺钉15分别连接弹性橡胶20与调节质量块14；

4、调节质量块14直接叠放在质量块基座11上，并用螺杆13连接在一起。

实施例2的工作原理为：通过支撑系统40固定在风力发电机组机舱尾部，其固有频率与风机机舱的摆振频率一致或相近，机架发生摆振时，调谐质量阻尼器与机架发生共振；质量块系统10在直线导轨副30上往复运动，从而带动弹性橡胶20进行往复运动；利用橡胶垫20的阻尼吸收风机机舱的摆振能量。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明实质和技术启示下所作的变形和润饰，均应视为在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围由权利要求书及其等价物界定。

Claims (4)

1.用于增加风力发电机组阻尼的调谐质量阻尼器，其特征在于，包括承载支撑结构、导向系统、质量块系统、刚度系统和阻尼系统，所述承载支撑结构固定在风力发电机组的机架上；所述导向系统固定在所述承载支撑结构上，所述质量块系统置于所述导向系统上，质量块系统沿导向系统的运动；所述刚度系统固定在所述承载支撑结构上，刚度系统与质量块系统连接，为整个调谐质量阻尼器提供刚度；所述阻尼系统固定在所述承载支撑结构上，阻尼系统与质量块系统连接，为整个调谐质量阻尼器提供阻尼，所述刚度系统为钢弹簧系统，两个钢弹簧通过连接件首尾相接组成一组钢弹簧系统，钢弹簧系统通过该连接件连接所述质量块系统；所述质量块系统包括质量块基座、调节质量块和转接板，所述质量块基座用于放置质量块，所述调节质量块用于调节调谐质量阻尼器的固有频率，所述转接板用于连接所述刚度系统和阻尼系统。

2.根据权利要求1所述用于增加风力发电机组阻尼的调谐质量阻尼器，其特征在于，所述导向系统为直线导轨副；所述承载支撑结构上设有限位装置，用于限制质量块系统的位移。

3.根据权利要求1所述用于增加风力发电机组阻尼的调谐质量阻尼器，其特征在于，所述阻尼系统为液压阻尼系统或者摩擦阻尼系统，其一端固定在所述承载支撑结构上，另一端连接所述质量块系统。

4.根据权利要求1所述用于增加风力发电机组阻尼的调谐质量阻尼器，其特征在于，所述刚度系统和阻尼系统合为一体，为同时具备刚性和阻尼特性的弹性橡胶，该弹性橡胶一端直接在所述承载支撑结构上，另一端连接质量块系统，风机机舱发生摆振时，质量块系统直接在导向系统上往复运动，从而带动弹性橡胶进行往复运动，利用弹性橡胶的刚性和阻尼特性吸收风机机舱的摆振能量。