CN107620678A - 用于结构的减振器 - Google Patents

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Abstract

本发明设计一种用于特别是风力发电设备的结构(1)的减振器，其具有可附接到所述结构(1)的部件(3)的摆锤(2)和用于抑制所述摆锤(2)的运动的阻尼器(4)，其中所述摆锤(2)穿过限制所述摆锤(2)的偏转的保持环(5)，其中所述保持环(5)可附接到所述结构的至少一个壁(6)。

Description

用于结构的减振器
技术领域
本发明涉及一种用于特别是风力发电设备的结构的减振器，其具有可附接到结构的部件的摆锤和用于抑制摆锤的运动的阻尼器。另外，本发明涉及一种特别是风力发电设备的结构。
背景技术
在目前工艺水平中已知，高结构（例如风力发电设备）容易产生结构的振荡。一种抑制这些振荡的方式是使用附接到该结构的部件的摆锤（pendulum），并且例如通过使用基于摩擦或基于涡流的阻尼器来抑制该摆锤的振荡，并且从而减少该结构的振荡。
对于此类振荡阻尼，使用相对长且重的摆锤是有利的。使用这样的摆锤可能有问题，因为其产生应（例如）在风力发电设备的维修或建造期间由风力发电设备的服务人员避免的危险区域。摆锤的大偏转还可导致摆锤撞击结构的壁并潜在地损坏该壁。
发明内容
本发明目的是改进上文论述的减振器以减少对结构造成损坏的危险并确保服务人员的安全通道。
该问题通过根据初始描述的减振器（oscillation absorber）解决，其中该摆锤穿过限制摆锤的偏转的保持环，其中该保持环可附接到该结构的至少一个壁。
根据本发明的减振器可以减少结构（尤其是风力涡轮发电设备）的振荡，并且因此减少结构的负载。通过使用根据本发明的保持环，摆锤的最大偏转可以减小到节省极限。优选地，该偏转幅度的减小在不损坏保持环的情况下是可能的。可通过提供允许弹性变形的保持环的部件或通过其中保持环结合其它吸收动能的装置（例如用于摆锤的额外制动装置）工作的布置来实现该目标。
减振器在其工作区域上受到保持环的限制。保持环的使用使得能够将危险区域限制为具有实质上由保持环的直径限定的张角的锥形区段。因此，容易为服务人员和其它设备的安全极限定计划，并且可以可靠地避免摆锤的过大幅度对结构的损坏。
摆锤可具有附接摆锤的下端的柱形质量块。该圆柱形质量块可以由保持环环绕。摆锤可以具有例如1至5米的长度。摆锤的质量可以大于100 kg，例如1 t。阻尼器可以例如基于摩擦、基于弹性体的变形或基于涡流的生成。
保持环可以由坚固材料（例如钢）制成。其可以在两个或更多个位置处附接到结构的壁，其中附接位置优选地定位在保持环的相对侧上。
可能的是，保持环的面向摆锤的内表面至少部分由弹性材料层覆盖。该弹性材料可以具有1-30 cm的厚度。该弹性材料的弹性模量可以比保持环自身的材料的弹性模量小10, 20, 40或100倍。因此，该弹性材料不如保持环自身的材料坚硬。该弹性材料的弹性模量可以小于或等于10, 5, 1, 0.5或0.1 GPa。弹性材料可以是橡胶、弹性体泡沫或塑料。该弹性材料层可以为摆锤提供缓冲物（fender）或减震物，其可弹性变形而不损坏保持环或该结构，同时消耗摆锤的动能。另外或替代性地，可在一定偏转处与保持环碰撞的摆锤的相关区段可以由弹性材料层覆盖。
该保持环可以经由至少一个剪切阻尼器附接到该壁，该剪切阻尼器抑制保持环相对于壁的横向移动。当保持环的横向移动发生时，剪切阻尼器的材料（其可以例如是弹性体）被剪切。该剪切运动导致内部摩擦，并且因此消耗动能。剪切阻尼器可通过在固定到壁的元件与固定到保持环的元件之间提供弹性材料垫来实现。在保持环连接到壁的每一位置处都可使用两个阻尼材料垫。这些垫中的一者可以布置在保持环的连接元件的上方，一者在保持环的连接元件的下方。这些垫可以布置在连接元件与固定到壁的支架之间。该支架可以例如通过在支架处提供焊接套管而固定到壁。可以存在例如两行焊接套管，这些行中的每一者可包括四个焊接套管。
剪切阻尼器的使用提供使用该弹性材料层吸收摆锤的动能的额外或替代性方式。由于经由剪切阻尼器到壁的附接，保持环在一定程度上可移动。这可以减小减振器和结构的其它部件上（尤其是摆锤的轴承上和连接到轴承的部件上）的应力。摆锤的角速度的突然变化可以产生增加摆锤的轴承和所连接部件的磨损的高频振荡。可通过使用具有比摆锤的惯性矩低的惯性矩（尤其低至少3或10倍）的保持环来减少在与保持环接触时动量的这些突然变化。
该保持环和/或该弹性材料层可由数个单独段组成。保持环的这些段可以例如通过螺钉相互附接。该弹性材料层的这些段可以附接到保持环和/或相互附接。使用用于保持环和/或其其它部件的区段允许更容易运输和处理。特别地，保持环和/或该弹性材料层的段可以按可由该结构的载货升降机运输的尺寸提供。
可以以一种方式选择摆锤和保持环的相对位置，使得当摆锤的偏转足以使摆锤接触保持环时摆锤的重心位于保持环的垂直延伸部内。在该情况下，摆锤与保持环之间的接触确实仅产生围绕摆锤的质心的小扭矩或者无扭矩。这减小摆锤的轴承上和所连接部件上的应力。
保持环或该弹性材料层的面向摆锤的内表面可以由低摩擦材料覆盖，从而在低摩擦材料与摆锤的接触表面的接触材料之间提供比接触材料与保持环的材料和/或弹性材料之间的摩擦系数低的摩擦系数。这可以尤其是关于滑动摩擦的摩擦系数的情况。摆锤的接触表面是当摆锤的偏转足够高时摆锤的接触保持环的区域。通过减小摆锤与保持环之间的摩擦，可以降低摆锤的移动的周向分量的阻尼。因此，可以减小摆锤的轴承和所连接部件上的应力。
在安装位置中，保持环的面向摆锤的内表面可以相对于垂直方向倾斜。该倾斜角度可以被选择成使得其与摆锤接触保持环的位置处的摆锤的偏转角度实质上相同。这最大化当这些部件接触时摆锤与保持环之间的接触表面，并且因此最大化保持环用于从摆锤吸收动量的能力。
减振器可包括制动单元，该制动单元可被启用以对摆锤的运动施加额外阻尼力，其中当保持环的横向位移和/或横向速度和/或横向加速度和/或作用在保持环上的力超过给定阈值时，该制动单元被激活。该位移、速度、加速度和/或力可由传感器测量，并且减振器的控制单元可将所测量值与阈值进行比较，并在超过阈值时激活该制动单元。然而，优选的是使用当位移、速度、加速度和/或力超过阈值时自动触发机械制动器的机械联接件。
如果力由力传感器测量，则该力传感器优选地以一种方式布置，使得只有在剪切阻尼器的剪切和/或弹性材料层的压缩超过给定阈值力时才实质上记录力。该阈值可以选择成接近于该剪切或压缩，在该情况下因剪切或压缩导致的力不再与剪切或压缩的量成线性关系和/或在该情况下剪切或压缩不再可逆。制动单元可附接到保持环或附接到壁。
可通过使锁定元件从锁定位置移动到解锁位置或相反来启用制动单元，其中锁定元件运动联接到保持环。例如，挂钩可因保持环相对于结构的壁的移动而解闩，从而启用制动单元。运动联接件可以以一种方式实现，使得不传输小位移。例如，可能的是，连接到锁定元件的联接元件可以在由附接到保持环的止动件限制的区域内相对于保持环自由移动。当联接元件不与止动件接触时，保持环的移动不传输到锁定元件。一旦保持环的位移足够强使得联接元件接触止动件，则运动被传输。
该运动联接件可包括阻尼元件（例如弹簧或弹性体）以抑制可导致制动单元的意外触发的高频振动的传输。锁定元件可附接到导线，该导线当减振器安装在结构中时连接到结构的壁或连接到与该壁连接的部件并且穿引过附接到保持环的至少一个止动环，其中当保持环的位移超过该阈值或另一阈值时，该止动环对该导线施加横向力。优选的是，该部件刚性连接到壁和/或止动环刚性连接到保持环。附接到壁的部件可以是用于经由剪切阻尼器将保持环固定到壁的支架。优选地，使用各自由剪切阻尼器与保持环分开的上部和下部支架。在此情况下，这些支架中的一者可以用于附接导线，并且另一支架可以提供引导元件，从而以一种方式引导导线，使得当保持环处于其中没有来自摆锤的力施加到保持环的平衡位置中时不触碰止动环。为实现冗余，可使用两个触发机构。这些支架中的每一者可附接有单独导线并为另一支架的导线提供引导元件。两个导线连接到锁定元件，并且可通过牵拉这些导线中的任一者来启用制动单元。
制动单元的激活可以独立于保持环的横向位移和/或横向速度和/或横向加速度的方向和/或作用在保持环上的力的方向。因此，制动单元的激活可以仅取决于位移、速度、加速度和/或力的绝对值。
减振器可包括联接到摆锤并由制动单元的引导元件引导的联接元件，其中制动单元在其启用时对联接元件和/或引导元件施加摩擦力。如果制动单元被停用，则所施加摩擦可以忽略或极低。因此，通过启用制动单元增加摩擦。例如，可使用摩擦杆制动器，其中杆附接到摆锤并穿过附接到保持环或壁的滑动轴承。当制动单元被激活时，例如可通过增加滑动轴承中的杆上的径向压力来增加滑动轴承的摩擦。
在另一实例中，制动单元可包括导线卷筒作为引导元件，该引导元件装有弹簧以保持导线并且当联接元件处于实质上恒定张力下时将导线卷筒与摆锤连接在一起。如果该导线卷筒通过摩擦离合器联接到另一旋转元件，则该元件的旋转可以经由摩擦在导线卷筒上传递角动量以改变导线的张力。这可以用于制动摆锤。如果摆锤与导线卷筒之间的距离增加并且导线的张力增加，则制动力施加在摆锤上。可以由钟表弹簧（clock spring）或通过将导线缠绕到该另一旋转元件上并经由下降的重量牵拉旋转元件的该导线来驱动另一旋转元件。可由锁定元件停止钟表弹簧或导线的解绕。因此，如上文所论述的，锁定元件的移除可以触发制动动作。纯机械制动动作的优点在于即使没有电力可用，制动单元的启用也是可能的。
在替代性实施例中，制动单元可包括至少一个可扩展元件，其当所述制动单元启用时扩展以限制摆锤的偏转。该可扩展元件可以是由空气或泡沫填充的袋。袋的填充可以由压缩机或蓄气筒驱动。该袋可以扩展到保持环和/或壁与摆锤之间的空间中，因此限制并抑制摆锤的移动。
除减振器以外，本发明还涉及一种结构，特别是风力发电设备，其特征在于其包括根据本发明的减振器。减振器的摆锤附接到该结构的部件，并且保持环附接到该结构的至少一个壁。保持环可以经由至少一个剪切阻尼器附接到壁。保持环的内表面可以相对于垂直方向倾斜。如上所述的，如果使用由导线触发的制动单元，则该导线可以附接到壁或附接到与壁连接的部件。
附图说明
根据结合附图的以下详细描述，将更清楚地理解本发明的以上和其它方面、特征和其它优点，这些附图示意性地示出：
图1是包括根据本发明的减振器的根据本发明的结构的细节，
图2是图1中所示结构的不同视图，以及
图3-5是可用于根据本发明的减振器的替代性实施例中的替代性制动单元。
具体实施方式
图1和图2示出包括减振器33的例如风力发电设备的塔的结构1的不同视图。减振器33包括附接到结构1的部件3（在此情况下横梁）的摆锤2。摆锤2经由允许摆锤2在两个方向上的偏转的轴承15附接到部件3。摆锤2包括附接到其下端的具有柱形形状的质量块16。如果存在结构1的振荡，则一些振荡能量传递到摆锤2。摆锤2的振荡由阻尼器4抑制。图1示出简单的振荡阻尼器，其中一板在两个其它板之间滑动。然而，本领域中已知的减振器33存在许多可能的阻尼器。作为阻尼器4的替代物，可使用基于涡流的生成或弹性体的变形的阻尼器。还存在将阻尼器4连接到结构的壁6或结构的其它部件并连接到摆锤2的许多可能方式。优选地，可以使用多于一个阻尼器4。阻尼器4抑制摆锤的振荡，并将摆锤的动能转换成可用于其它目的的热或功率。因此，结构1的振荡能量首先传递到摆锤2并且然后传递到阻尼器4，在阻尼器4处该能量被消耗或使用。
为限制其中物体可由振荡摆锤2撞击的危险区域14并为防止摆锤2撞击结构1的壁6并损坏其，在减振器33中使用保持环5。摆锤垂直穿过保持环5。保持环5限制摆锤2的偏转，并且因此限定危险区域14。其还确保摆锤2不会撞击壁6。
保持环5经由剪切阻尼器7附接到壁6。剪切阻尼器7由当摆锤2接触保持环5并对保持环5施加横向力时变形的弹性体组成。剪切阻尼器布置在保持环5与用于将保持环5连接到结构1的壁6的支架8之间。剪切阻尼器7的使用允许保持环5的一定量的横向移动，这避免在摆锤撞击保持环5时对保持环5和摆锤2的损坏。另外，轴承15和部件3上由于该振荡导致的应力减小。这些部件上的应力可以通过在保持环5的可以与摆锤2接触的表面上使用弹性材料层10来进一步减小。可以使用橡胶、弹性体泡沫或塑料作为弹性材料10。可以使用均匀弹性材料层，但是使用可（例如）包括气泡的结构化材料可以是有利的。
由于仅应限制摆锤2的径向移动，因此减小摆锤2与保持环5或弹性层10之间的摩擦可以是有利的。该摩擦将减小摆锤2的移动的周向分量，并且因此在轴承15和部件3上施加额外应力。可通过将低摩擦材料层11添加到弹性材料10上或直接添加到保持环5上来避免该额外应力。
当以一种方式选择摆锤2和保持环5的相对位置，使得当摆锤2的偏转足以使摆锤2接触保持环5时摆锤2的重心17位于保持环5的垂直延伸部内时，可以甚至进一步减小轴承15和部件3上的应力。为改善动能从摆锤2到保持环5的传递，使用其中保持环的内表面13面向摆锤2（该内表面相对于垂直方向倾斜）的保持环5也是有利的。可以以一种方式选择该倾斜，使得当摆锤2开始接触保持环5时摆锤2的表面实质上平坦位于保持环5的内表面13上。
如图2中所指示的，保持环5可由数个段9组成。这些段9可以通过（例如）螺钉彼此连接。图2中为更清楚起见未示出的材料层10, 11可以已附接到这些段或在连接这些段之后单独添加。因为段9更容易（例如）在载货电梯上处理和运输，故使用由数个段9组成的保持环5允许减振器的更容易维护和结构1的更容易构造。
如图2中所示的，减振器包括四个制动单元12，其可被启用以对摆锤2的运动施加额外阻尼力。制动单元12由与摆锤和引导元件19联接在一起的联接元件18组成。联接元件18是经由轴承（未示出）附接到摆锤2的杆。引导元件19由引导联接元件18的管组成。引导元件19经由另一轴承连接到保持环5。如果制动单元12未激活，则联接元件18由引导元件19以低摩擦引导。当制动单元12被启用时，引导元件中的作用物被激活以对联接元件18施加力，并且因此增加联接元件18与引导元件19之间的摩擦。由于该摩擦，摆锤2的动能减小。
当作用在保持环5上的力超过给定阈值时，制动单元12被激活。为确定保持环上的力，使用保持环上的数个力传感器（未示出）。有利地，这些力传感器布置在保持环5与弹性材料10之间。在该情况下，当该力超过弹性材料10的弹性压缩可能达到的极限时，力传感器所测量的力急剧变化。在替代性实施例中，除力以外或者作为力的替代物，可以测量保持环5的横向位移和/或横向速度和/或横向加速度，并且评估其以触发制动单元12的激活。
在许多应用中，使用独立于所供应电力并且可由纯机械构件触发和使用的制动单元可以是有利的。在图3和图4中示出这样的制动单元20的实例。图3示出制动单元20自身，并且图4示出制动单元20的激活构件21。制动单元20由引导元件22（即线轴）和另一线轴23组成，该另一线轴由摩擦离合器联接以在线轴23与引导元件22之间传输摩擦力。引导元件22以一种方式装弹簧，使得连接到摆锤2的联接元件28（在此情况下导线）保持在恒定张力下。线轴23包括导线24，该导线24连接到可以在正交于图3中的图像平面的方向上下降并由锁定元件26（例如挂钩）固持在适当位置的重物25。如果锁定元件26被移除，则重物25下降，从而从线轴23牵拉导线24。线轴23的旋转将力传输到引导元件22，这增加导线上的张力并且因此对摆锤2施加可用于制动摆锤2的力。
锁定元件26可以从图3中所示的锁定位置牵拉到其中其由导线27释放重物25的解锁位置。导线27在锁定元件26与保持环5之间提供运动联接件。这在图4中详细地示出。保持环5（在图4中仅示出其径向延伸部）固持在附接到结构1的壁6的两个支架8, 34之间。剪切阻尼器7安装在支架8, 34与保持环5之间。因此，保持环5可以相对于支架8, 34移动。图3和图4中所示的导线27连接到下部支架34。其还由固定到上部支架8的引导元件29引导。在下部支架34处的固定点与引导元件29之间，导线穿引过附接到保持环5的两个止动环30。如果保持环5处于中间位置（在图4中示出）中，则导线27不与止动环30接触并且在支架8, 34之间实质上笔直。如果保持环的位置充分变化，以使止动环30触碰导线27，则保持环5的进一步位移将使导线27从直线形状变形，并且因此对锁定元件26施加拉力。保持环5的足够大位移将因此将锁定元件26牵拉到其中重物25被释放的解锁位置中并且将因此触发制动动作。
可通过振荡阻尼器（例如弹簧或弹性体，其安装在导线27与止动元件26之间，以抑制可导致锁定元件到解锁位置的意外移动的高频振荡）进一步改进图3和图4中所示的布置。
图5示出用于减振器的替代性实施例的制动单元31。制动单元31由可扩展元件36组成，该可扩展元件36可通过用气体或泡沫填充可扩展元件32（例如袋）由致动器（例如压缩机或蓄气筒）扩展。在图5中，可扩展元件32示出为处于其扩展位置中。如果可扩展元件36未扩展，则其由制动单元31内的小包装组成。通过使其扩展到其中摆锤2可移动的危险区域14中，可以限制摆锤2的移动。由于可扩展元件22的弹性变形，摆锤2的动能可以减小。
在图5中所示的实例中，制动单元31附接到保持环5。然而，替代性地或另外，可将具有可扩展元件32的制动单元31添加到结构的壁6。
虽然已经参考优选实施例详细描述了本发明，但是本发明并不受所公开实例的限制，根据所公开实例所属领域的技术人员能够得出其它变型而不偏离本发明的范围。

Claims (14)

1.一种用于特别是风力发电设备的结构(1)的减振器，其具有可附接到所述结构(1)的部件(3)的摆锤(2)和用于抑制所述摆锤(2)的运动的阻尼器(4)，其特征在于，所述摆锤(2)穿过限制所述摆锤(2)的偏转的保持环(5)，其中所述保持环(5)可附接到所述结构的至少一个壁(6)。
2.根据权利要求1所述的减振器，其特征在于，所述保持环(5)的面向所述摆锤(2)的内表面(13)至少部分地由弹性材料层(10)覆盖。
3.根据权利要求1或2所述的减振器，其特征在于，所述保持环(5)可经由至少一个剪切阻尼器(7)附接到所述壁(6)，所述至少一个剪切阻尼器(7)抑制所述保持环(5)相对于所述壁(6)的横向移动。
4.根据前述权利要求中的一项所述的减振器，其特征在于，所述保持环(5)和/或所述弹性材料层(10)由数个单独段(9)组成。
5.根据前述权利要求中的一项所述的减振器，其特征在于，所述摆锤(2)和所述保持环(5)的相对位置以一种方式被选择，使得当所述摆锤(2)的所述偏转足以使所述摆锤(2)接触所述保持环(5)时所述摆锤(2)的重心(17)位于所述保持环(5)的垂直延伸部内。
6.根据前述权利要求中的一项所述的减振器，其特征在于，所述保持环(5)或所述弹性材料层(10)的面向所述摆锤(2)的所述内表面(13)由低摩擦材料(11)覆盖，从而在所述低摩擦材料(11)与所述摆锤(2)的接触表面的接触材料之间提供比所述接触材料与所述保持环(5)的材料和/或所述弹性材料(10)之间的摩擦系数低的摩擦系数。
7.根据前述权利要求中的一项所述的减振器，其特征在于，在安装位置中，所述保持环(5)的面向所述摆锤(2)的所述内表面(13)相对于垂直方向倾斜。
8.根据前述权利要求中的一项所述的减振器，其特征在于，其包括可被启用以对所述摆锤(2)的运动施加额外阻尼力的制动单元(12, 20, 31)，其中当所述保持环(5)的横向位移和/或横向速度和/或横向加速度和/或作用在所述保持环(5)上的力超过给定阈值时，所述制动单元(12, 20, 31)被激活。
9.根据权利要求8所述的减振器，其特征在于，通过使锁定元件(26)从锁定位置移动到解锁位置或相反来启用所述制动单元(20)，其中所述锁定元件(26)运动联接到所述保持环。
10.根据权利要求9所述的减振器，其特征在于，所述锁定元件(26)附接到导线(27)，所述导线(27)当所述减振器安装在所述结构中时连接到所述结构的所述壁(6)或连接到与所述壁(6)连接的部件并且穿引过附接到所述保持环(5)的至少一个止动环(30)，其中当所述保持环(5)的位移超过所述阈值或另一阈值时，所述止动环(30)对所述导线(27)施加横向力。
11.根据权利要求8至10中的一项所述的减振器，其特征在于，所述制动单元(12, 20,31)的激活独立于所述保持环(5)的横向位移和/或横向速度和/或横向加速度的方向和/或作用在所述保持环(5)上的力的方向。
12.根据权利要求8至11中的一项所述的减振器，其特征在于，其包括联接到所述摆锤(2)并由所述制动单元(12)的引导元件(19, 22)引导的联接元件(18, 28)，其中所述制动单元(12, 20)在其启用时对所述联接元件(18)和/或所述引导元件(22)施加摩擦力。
13.根据权利要求8至11中的一项所述的减振器，其特征在于，所述制动单元(31)包括至少一个可扩展元件(32)，当所述制动单元被启用时所述至少一个可扩展元件(32)扩展，以限制所述摆锤(2)的偏转。
14.一种特别是风力发电设备的结构，其特征在于，其包括根据先前权利要求中的一项所述的减振器(33)。
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