CN107250595B - 具有垂直弹簧装置的自适配摆式缓冲器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于缓冲振荡敏感系统例如高楼和塔、特别是风力涡轮机中的不期望的振荡的摆式缓冲器。本发明特别涉及一种具有垂直弹簧机构的摆式缓冲器，其所述振荡特性且因此缓冲能力比如所述频率和振幅能够在宽的范围内调节。

Description

具有垂直弹簧装置的自适配摆式缓冲器
技术领域
本发明涉及一种用于缓冲在振动敏感系统例如高建筑和塔、特别是风力涡轮机中不期望的振动的摆式缓冲器。
背景技术
特别地，本发明涉及一种摆式缓冲器，其振动特性和因此的缓冲能力比如频率和振幅可以在宽范围内调节。这根据本发明通过一种弹簧装置来实现，该弹簧装置主要作用在垂直方向上，并且其总体上具有主要是渐进或非线性的弹簧特征线。
特别是，风力涡轮机(WT)是易受震动影响的系统。为了在共振激励的情况下保持WT的振动振幅低，缓冲装置通常集成到WT系统中。这些缓冲器必须与相应WT的共振频率相匹配。WT的刚度、其质量和基座的刚度在此主要由WT的固有频率决定，所述刚度也取决于基底的特性。
刚性基座导致WT的高共振频率且反之亦然。较低的质量导致WT的较高固有频率且反之亦然。在结构安装期间，恰适用这种情况。存在暂时的状态，在其中仅可将没有机舱和转子的塔通过风激励成共振。对于这种情况，半成品WT的固有频率远高于后期完全安装的结构的情况。在高挑的大建筑物(塔、多层建筑物等)的建造或构建期间可发生类似的情况。
为了能够获得最佳的缓冲性能，缓冲器频率必须适配相应的结构频率，尤其塔频率，并且可在大范围内变化。
例如，如果将简单的摆式缓冲器(变型1；图1)视为点质量，则其频率仅取决于摆锤长度l1(2)。物理相关性可以描述为如下：
g → 引力常数[m/s^2]
l1 → 摆锤长度[m]
因此频率只能受摆锤长度影响。实际上，特别是在空间受限的WT中，相比之下，仅在有限的程度上被修改。
为了获得用于摆式缓冲器的缓冲器频率的进一步的调节可能性，变型1通常可以用水平弹簧补充。在变型2.1的情况下，这些水平弹簧(4)作用在缓冲器质量(3)的高度处。在变型2.2的情况下，它们在悬挂点(1)的方向上移动(图2)。
系统2.1和2.2的物理相关性可以描述为如下：
g → 引力常数[m/s^2]
l1 → 摆锤长度[m]
l2 → 从水平弹簧的枢轴到作用点的长度[m]
C → 水平弹簧的弹簧刚度[N/m]
m → 缓冲器质量[kg]
可以看出，缓冲器频率现在可以通过多个参数来调节。
这种解决方案已经常常在现有技术中描述。水平弹簧(4)经受拉伸应力。由于安装位置，水平弹簧(4)在变型2.1的情况下看到与缓冲器质量(3)相同的位移。因此它们经受非常高的动态载荷，这对于给定的构建空间来说是非常难以实现的耐用设计。
为了最小化水平弹簧(4)的位移，它们可以在缓冲器(1)(变型2.2)的悬挂点的方向上进一步移动。在这个位置上，它们看到较小的位移，但在这种态势中，这些弹簧的弹簧刚度必须增加以达到与变型2.1相比相同的性能。此外，这需要弯曲刚性的摆锤长度(2)，其或多或少排除了线缆的使用。
如果质量向右移动，则左手水平弹簧(4)进一步拉伸，并且右手水平弹簧(4)释放载荷。在这种态势中，必须确保释放的弹簧没有完全释放载荷。这意味着该水平弹簧(4)在中间位置可比缓冲器质量(3)的振动位移更多地预张紧。这个事实使安装困难。
如已提到的，缓冲器频率纯粹取决于水平弹簧(4)的弹簧刚度和摆锤长度。如果现在意图设定不同的频率，则需要为给定的恒定摆锤长度(2)安装具有不同弹簧刚度的水平弹簧(4)，如现有技术中同样常见的那样。相比之下，弹簧预紧力的增加对缓冲器频率没有影响。
我们的目标是提供一种摆式缓冲器，通过其可在不改变摆锤长度的情况下以可变和简单的方式调节缓冲器频率。
现在已经发现，没有或不专门具有常规水平弹簧但是与具有渐进或非线性的整体弹簧特征线适配的相对短的垂直弹簧的摆式缓冲器能够实现目标组。
发明内容
因此，本发明涉及一种用于高挑建筑和结构的振动缓冲器，特别是风力涡轮机，其主要包括具有缓冲器质量和弹簧装置的摆锤，其中弹簧装置安装在缓冲器质量下方，使得其整体弹簧力基本上作用在垂直方向上，并且由于存在不同的弹簧力的弹簧区域而具有非线性或渐进的整体弹簧特征线，并且缓冲器质量经由该弹簧装置连接至结构内的振动缓冲器下方的附接点，优选地经由棒或杆，其中渐进/非线性弹簧特征线由具有不同弹簧刚度的至少两个弹簧区域实现。
在本发明的优选实施方案中，弹簧装置具有带有第一限定的弹簧刚度的第一弹簧区域和带有与第一弹簧刚度不同的第二限定的弹簧刚度的第二弹簧区域。因此根据本发明，第一弹簧刚度在范围<200N/mm中，优选<150N/mm或<100N/mm，例如在3和200N/mm之间，优选在30和150N/mm之间，而第二弹簧刚度在>200N/mm的范围中，优选>500N/mm或>1000N/mm，例如在200和3000N/mm之间，优选在500和1500N/mm之间。
根据本发明的弹簧装置包括一个或多个基本垂直或垂直作用的弹簧，其可以用作压缩和/或拉伸弹簧。根据本发明，“基本垂直”是指弹簧的垂直对准或动作，包括最大偏差30°。相应地，“垂直弹簧”是指“基本垂直”的弹簧。
如果根据本发明的摆式缓冲器的弹簧装置包括仅一个垂直弹簧，则沿弹簧(7)的不同区域提供不同的弹簧刚度，使得弹簧作为整体具有渐进的弹簧特征线。这使得柔性弹簧可以正常操作作用，且可使刚性弹簧防止缓冲器质量(3)在极端事件的情况下偏离出来。这可以通过例如不同的卷绕(密度，直径，)或通过弹簧丝的不同材料或不同厚度来实现。弹簧的相应设计还使得弹簧内的弹簧区域可一个接一个地变成完全压缩，这允许弹簧刚度经由缓冲器振幅而增加。
在本发明的另一实施方案中，弹簧装置包括两个或多个，例如两个、三个、四个、五个或六个垂直弹簧，其中这些两个、三个、四个、五个、六个或更多垂直弹簧可以串联或并联。串联和并联的组合原则上也是可能的。在这里也可以通过影响某些弹簧来影响弹簧特征线的渐进，这些弹簧同样可以设计成拉伸和压缩弹簧。
在本发明的另一变型中，多个垂直弹簧可以平行作用。垂直弹簧的省略/添加使得可以额外地/同样地修改频率。还可进一步想到水平弹簧和垂直弹簧的组合，以及通过相应的重量代替这种组合中的单独的弹簧，这最终使得可以增加频率，或减轻重量的移除。
通常，这些各种垂直弹簧或垂直弹簧组具有限定的弹簧刚度，其不同于其它垂直弹簧或垂直弹簧组，从而使得待缓冲的、与结构的条件匹配的期望的更大或更小的弹簧刚度区域可以被覆盖，从而可建立整个弹簧装置的可变渐进弹簧特征线。
本发明特别涉及一种相应的振动缓冲器，其具有至少两个不同弹簧刚度的垂直弹簧，其中第一垂直弹簧具有弹簧刚度>3N/mm至<200N/mm，优选50至150N/mm，和第二垂直弹簧具有弹簧刚度>200N/mm至<3000N/mm，优选300至1500N/mm。
如上所述，在WT或另外的高建筑的通常非常窄的塔中，当在敏感的结构中发生振动时，特别是由于空间原因，期望将摆锤的偏离在整个范围内保持为尽可能小。这意味着摆锤质量(弹簧装置在一侧直接或经由一根线缆、棒或杆附接至该摆锤质量)与附接点(该附接点在结构中安装在摆式缓冲器下方以及弹簧装置下方并且该附接点又直接或经由一根线缆、棒或杆依次连接至弹簧装置的另一端)之间的间隔在中等大小至大的结构的情况下，不应大于5或6m，优选<3m，特别是<2m，例如0.5m至5.0m，优选1.0m至3.0m。
根据本发明，缓冲器频率因此受到使用垂直弹簧而不是水平弹簧的影响。在变型3(图3)中，这些水平弹簧(4)由一个或多个垂直弹簧(7)代替。
对于点质量，物理相关性可以描述为如下：
g → 引力常数[m/s^2]
l1 → 摆锤长度(2) [m]
l3 → 从线缆(5)的连接点到缓冲器质量(3)的长度 [m]
FF → 垂直弹簧(7)的预紧力 [N/m]
m → 缓冲器质量(3) [kg]
可以看出，缓冲器频率现在可以通过多个参数来调节。在这个态势中，缓冲器频率可以受垂直预紧力影响，而不受垂直弹簧(7)的弹簧刚度影响。这具有以下优点：整个频率范围可以用一个垂直弹簧(7)覆盖，并且弹簧不像现有技术的情况那样必须由具有不同弹簧刚度的弹簧代替。从家庭用途来看，这种现象是从吉他弦中得知的。如果其中的预紧力增加，则音符/频率较高，而弦的弹簧刚度保持恒定。
此外，相对于变型2，垂直弹簧(7)动态位移对于缓冲器质量(3)的相同位移而言是较小的。这使得可以实现弹簧的耐用设计。这里的尺寸l3越长，垂直弹簧(7)的长度相对于缓冲器质量(3)的移动的动态变化越小。这里的尺寸l3越长，垂直弹簧(7)对缓冲器频率的影响越小。可将这种效果积极地利用成，使得也如吉他弦的情况一样，尺寸l3缩短到尺寸l3*(变型4，图4)。这致使缓冲器频率对于垂直弹簧的相同的预紧力而显著增加。这种缩短可以通过止动环(6)实现，其可以在垂直方向上移动，或备选地以固定方式安装在一个位置。在后一种情况下，该止动环(6)表示弹簧的固定作用点。
在本发明的另一实施方案中，根据本发明的缓冲器在弹簧装置的下端与结构上的附接点之间具有可移动的或固定的止动装置或附接装置，使得附接点与弹簧装置之间的间隔可以缩短或延长，从而使得缓冲器的频率可以通过弹簧装置的随之的延长或压缩而表现成可变化的。如上已描述的那样，在WT的建立阶段的期间需要显著更高的缓冲器频率。这可以根据变型4通过缩短尺寸至l3*来实现。当结构的建立完成时，需要显著更低的缓冲器频率。为了满足这个要求，该止动环(6)被卸下或向下移动。缓冲器频率下降，因为尺寸l3而不是l3*现在决定缓冲器频率。现在可以通过增加/最小化垂直弹簧(7)的预紧力来实施缓冲器频率的微调。这里必须确保垂直弹簧(7)是位于止动环(6)上方。如果缓冲器质量(3)在该态势中移动，则防止线缆(8)与止动环(6)之间的相对运动。相反，可以通过提升或引入止动装置来增加缓冲器频率。
如果这种类型的缓冲器或类似的缓冲器安装在风力涡轮机中，可能由于外部影响(例如紧急关停、阵风、关闭操作)而导致缓冲器质量(3)的大振幅。为了在这些情况下保持缓冲器(3)的振动位移小(这可能是为了防止摆锤撞击塔壁所必须的)，尺寸l3*应该选择短的(例如在0.3m和6m之间)。变型5(图5)出现如下：
如果与l3*的短长度结合，现在安装了具有大弹性刚度的垂直弹簧(7)，与变型3(偏离出来)相比，缓冲器质量(3)的显著较小的偏离位移(Y)导致更小的弹簧刚度和更大的l3。在缓冲器质量(3)的相同的偏离位移(Y)的情况下，选择越小的尺寸l3*，垂直弹簧(7)的偏离角度(A2)变得更大。这导致弹簧的更大的角张力，其抵抗缓冲器质量(3)的运动并且限制了在操作和极端事件期间的缓冲器质量的振幅。
在变型5的情况下，对于相同的偏离位移(Y)，与变型3(偏离出来)相比，导致垂直弹簧(7)的长度的更大变化(deltaX2)。由此产生的弹簧力的增加计算如下：
弹簧力的增加 = C *deltaX
C → 弹簧的弹簧刚度(7)
deltaX → 在缓冲器质量(3)偏离期间弹簧(7)的长度变化
从公式可以看出，在变型5的情况下，弹簧力的增加比变型3的情况中(偏离出来)更大程度上升。
如果具有大弹簧刚度的垂直弹簧(7)现在安装在相应的摆式缓冲器中，即使在小缓冲器振幅的情况下，弹簧力显著增加到目标水平以上。从方程3可以看出，缓冲器频率因此同样显著增加，这反之对缓冲器作用具有不利效果。
这个问题可以通过带有如图6所示的缓冲器振幅的垂直弹簧(7)的弹簧力的变化为目标来解决。这可根据本发明通过垂直弹簧装置来实现，该垂直弹簧可以在缓冲器偏离上具有渐进或非线性的弹簧特征线。
这里在“共振激励”区域和“操作/极端事件”区域之间做出区分。被动缓冲器(如这里所述)仅可作用在谐波力激励的情况下。该谐波力激励仅存在于在”共振激励“的情况下。相比之下，在操作中或极端事件期间，存在具有大缓冲器振幅的随机力激励。通常，在这些结构状态的情况下，在这里描述的被动缓冲器中没有缓冲器作用。相反，要求的是在操作/极端事件的情况下保持缓冲器振幅较小，并且仅在共振激励(小缓冲器振幅)的情况下确保缓冲器作用。
在共振区域中的垂直弹簧(7)的弹簧刚度C1较小。如果在操作期间或在极端事件的情况下缓冲器振幅现在增加，则缓冲器进入高弹簧刚度C2的区域。垂直弹簧(7)的复位力因此显著增加，这显著降低了这些结构状态下的缓冲器振幅。整体应与变型5的短垂直弹簧(7)结合，这此外增加了复位组件。
根据本发明，具有渐进弹簧特征线的相对短(0.3m-3m)的垂直弹簧装置组合提供了可变频率和振幅的摆式缓冲器，其可以用在极端状态、正常状态和如在振动敏感的结构或建筑的建立、修改或卸下期间出现的状态的情况下。这使得可以较大地在塔内建立摆式缓冲器，而不用担心与塔或建筑或位于其中的内部结构的壁发生碰撞。此外，可以省略附加地止动装置，因为缓冲器振幅通常较小地出现。
在另一实施方案中，根据本发明的振动缓冲器附加地具有机械或液压、移动或固定的装置，用于通过使弹簧装置或其部件受到压缩或拉伸载荷来改变或适配弹簧装置的预张紧。
因此，本发明还涉及一种相应的振动缓冲器，在其中通过可移动或固定的止动装置或附接装置可以再次缩短和延长附接点与弹簧装置之间的间隔，使得缓冲器的频率可通过弹簧装置的随之发生的膨胀或压缩而改变或适配。本发明此外还涉及一种振动缓冲器，其此外包括用于改变和适配弹簧装置的预张紧的机械或液压、移动或固定的装置。
根据现有技术，摆式缓冲器中的摆锤长度(2)通过线缆实现。因此缓冲器能够在线缆中扭转。因此垂直弹簧(7)还有缓冲器必须遵循这种旋转，这将在技术上导致故障。在根据本发明的备选实施方案中，摆锤长度(2)可以由扭转刚性元件(管)代替。同时，缓冲器(1)的上悬挂点必须设计成可变接头，例如万向接头。这防止了在缓冲器质量(3)的通过360°的可能的运动的情况下(图7)的扭转。因此，本发明涉及一种相应的振动缓冲器，在其中摆锤由杆或管组成，其下端安装了具有用于弹簧装置的附接点的缓冲器质量，并且其上端安装了确保摆锤的自由移动360°的铰接部，使得不可能进行扭转。
缓冲器的上悬挂点的发生可以取决于在塔、结构或建筑的相应的上端处或备选地在上半部或上三分之一的任何期望位置处的结构、塔或建筑的性质。缓冲器质量(3)也可以悬挂在缓冲器(1)的一个或多个悬挂点上。此外，还可设想的是万向接头直接安装在缓冲器质量(3)上和在缓冲器(1)的连接点处并且用于扭转地刚性元件而安装在其间。
如已经数次说明，根据本发明的缓冲器特别适用于安装在WT中。因此，本发明还涉及一种具有根据本发明的振动缓冲器的风力涡轮机。
本发明特别涉及根据本发明的缓冲器的用途，该用途用于防止和减少在这种类型的风力涡轮机或其他振动敏感的建筑的构建和操作期间的振动事件，而且还用于减少和防止在振动引起的极端事件的情况下，以及在正常状态或正常操作中的结构或建筑的共振引起的振动的情况下的大的缓冲器振幅。
附图标记清单
在说明书、附图和权利要求中，以下项目是指：
1. 缓冲器悬挂点
2. 摆锤长度
3. 缓冲器质量
4. 水平弹簧
5. 线缆连接点
6. 止动环
7. 垂直弹簧
8. 线缆。

Claims (21)

1.用于将共振引起的振动的频率可变地调节为高挑结构的固有频率的振动缓冲器，其基本上由具有缓冲器质量的摆锤和弹簧装置组成，其中所述弹簧装置安装在所述缓冲器质量的下方，其特征在于：(i)所述弹簧装置以这样的方式布置，即其整个弹簧力基本上作用在竖直方向上，并且其具有至少两个不同的区域，其具有的效应是总体弹簧特征线是非线性的或渐进的，并且(ii)所述缓冲器质量经由所述弹簧装置直接或间接地连接至在所述振动缓冲器下方的所述结构中的附接点；
其中，所述弹簧装置包括如下之一：
(a) 至少一个柔性第一竖直弹簧和至少一个刚性第二竖直弹簧，并且所述第一和第二竖直弹簧彼此串联连接或并联连接；或者
(b) 包括柔性第一弹簧区域和刚性第二弹簧区域的至少一个竖直弹簧，并且弹簧刚度的差异在所述至少一个竖直弹簧的整个长度上分布，
其中，所述柔性弹簧或所述柔性弹簧区域用于防止和减少在正常状态下或在正常操作期间的共振引起的振动，并且所述刚性弹簧或所述刚性弹簧区域用于防止和减少当随机力激励振动引起的极端事件和在所述结构的建立、修改或卸下期间出现的状态时的大缓冲器振幅。
2.根据权利要求1所述的振动缓冲器，其特征在于：所述弹簧装置具有至少两个有不同弹簧刚度的弹簧区域。
3.根据权利要求2所述的振动缓冲器，其特征在于：所述弹簧装置具有带有第一弹簧刚度的第一弹簧区域和有第二弹簧刚度的第二弹簧区域。
4.根据权利要求3所述的振动缓冲器，其特征在于：所述第一弹簧区域具有<200N/mm的弹簧刚度，并且所述第二弹簧区域具有>200N/mm的弹簧刚度。
5.根据权利要求4所述的振动缓冲器，其特征在于：所述第一弹簧区域具有>3N/mm至<200N/mm的弹簧刚度，并且所述第二弹簧区域具有>200N/mm至<3000N/mm的弹簧刚度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的振动缓冲器，其特征在于：所述弹簧装置包括一个或多个竖直弹簧，其中多个竖直弹簧彼此串联连接或并联连接。
7.根据权利要求6所述的振动缓冲器，其特征在于：所述弹簧装置包括至少两个竖直弹簧。
8.根据权利要求7所述的振动缓冲器，其特征在于：至少两个竖直弹簧具有不同的弹簧刚度。
9.根据权利要求8所述的振动缓冲器，其特征在于：所述第一竖直弹簧具有>3N/mm至<200N/mm的弹簧刚度，并且所述第二竖直弹簧具有>200N/mm至<3000N/mm的弹簧刚度。
10.根据权利要求6所述的振动缓冲器，其特征在于：所述弹簧装置包括至少一个竖直弹簧，其具有至少两个具有在其长度上分布的不同弹簧刚度的弹簧区域。
11.根据权利要求10所述的振动缓冲器，其特征在于：所述至少一个竖直弹簧的不同弹簧刚度是由所述竖直弹簧的不同的卷绕引起。
12.根据权利要求6所述的振动缓冲器，其特征在于：所述竖直弹簧是张力和/或压缩弹簧。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的振动缓冲器，其特征在于：在缓冲器质量和附接点之间的间隔为0.5m至5.0m。
14.根据权利要求13所述的振动缓冲器，其特征在于：在缓冲器质量和附接点之间的所述间隔为1.0m至3.0m。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的振动缓冲器，其特征在于：所述缓冲器质量经由线缆或杆连接至所述附接点。
16.根据权利要求1至5中任一项所述的振动缓冲器，其特征在于：在附接点和弹簧装置之间的间隔能够凭借能移动的或固定的止动装置或附接装置再次缩短和延长，使得所述缓冲器的频率能够通过所述弹簧装置的随之伸展或压缩而变化。
17.根据权利要求1至5中任一项所述的振动缓冲器，其特征在于：其此外还包括用于改变和适配所述弹簧装置的预紧力的机械或液压、移动或固定的装置。
18.根据权利要求1至5中任一项所述的振动缓冲器，其特征在于：所述摆锤由杆组成，在其低端上装有缓冲器质量，其具有用于所述弹簧装置的附接点，并且在其上端上装有铰接部，其确保所述摆锤能够在没有扭转的情况下自由移动。
19.风力涡轮机，其特征在于：其具有根据权利要求1至18中任一项所述的振动缓冲器。
20.根据权利要求1至18中任一项所述的振动缓冲器的用途，所述用途用于在风力涡轮机的构建和运行期间防止和减少振动事件。
21.根据权利要求1至18中任一项所述的振动缓冲器的用途，其特征在于：用于在振动引起的极端事件和在所述结构在正常状态或在正常操作中的共振引起的振动的情况下，防止和减少大的缓冲器振幅。
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