CN109026527B - 抑振装置及风力发电机组的塔架装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抑振装置及风力发电机组的塔架装置，抑振装置包括：架体，固定安装于被抑振结构；摆体机构，悬挂在架体上，包括端部之间可相互摆动连接的多级摆臂及设置在末级摆臂上的质量块。本发明可以在风力发电机组对应自身较低频率振动时，缩短抑振装置的摆臂长度，克服由于摆臂过长造成的在塔架内部竖直方向上的安装空间受限的问题；同时，便于对摆体机构振动频率的调节。

Description

抑振装置及风力发电机组的塔架装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种抑振装置及风力发电机组的塔架装置。

背景技术

伴随着风电市场竞争日趋白热化，风力发电机组发电量提升、降低机组成本成为产品竞争力的两大主题。基于该背景与挑战，风力发电机组高塔、柔塔产品成为目前市场上更为流行、更具竞争力的产品类型。简单来讲，提高塔架高度可以获取更好的风资源，进而可进一步地提升发电量；塔架采用柔塔可以进一步地降低塔架的重量，从而降低机组的整体成本。然而高塔、柔塔具有产品的特殊性，如机组在一定风速范围的振动问题相对低塔、刚塔表现的尤为突出。高塔、柔塔相对于低塔刚塔而言属于新生产品，因此对于吊装、上电前、运行过程中出现的振动问题机理研究还未成熟，相对应的抑振产品和形式较少，可提升和改进的空间较大。

高塔、柔塔机组由于自身结构及频率特性，在外部激励(风载诱导涡激振动)、内部激励(机组运行叶轮旋转)作用下机组会表现出振动问题，对应不同的阶段如吊装过程、上电前静置过程、运行过程表现出的阵型不同，如一阶、二阶振动。吊装过程中出现涡激振动会因为不同部件间无法定位而导致无法装配，进而导致无法吊装，影响吊装进度，同时由于塔架出现涡激振动会带来安全隐患，严重影响了作业人员的安全；机组上电前静置阶段由于机组处于未带电状态，因此无法响应外部风载激励，在长时间处于特定风速下，会直接引起机组振动发散，严重时会引起倒塌事故；机组运行时由于受到外部、自身激励作用，过大的振动直接引起机组加速度过大而导致停机，从而导致发呆能量损失。因此，很有必要针对高塔、柔塔机组提出有效的抑振装置及方法。

现有的风力发电机组抑振装置，通常是通过设置内部悬垂摆体结构，利用摆垂体结构与平台之间的相对运动及一个或多个摩擦元件的相对运行，通过摩擦来消耗摆垂体结构的能量，进而实现抑振。悬垂摆体结构实质上是调频质量阻尼器(tuned mass dampers,TMD)的一种结构形式，从原理上来讲，调频质量阻尼器系统由其自身的振动频率和阻尼，通过改变质量或刚度调整阻尼器子系统的自身频率使其接近主结构的基本频率，是依靠惯性原理工作达到减振的目的。摆锤式TMD自身频率与摆长直接相关，对于风机特定阶段工况(整机运行阶段)，机组振动频率较低(约0.15HZ)，此时摆锤式TMD自身摆长较长(约10.4m)，受到安装空间限制且摆锤结构容易与塔筒内部其它部件如电缆、爬梯等干涉，从而导致无法实现。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的风力发电机组的摆锤式TMD抑振装置摆长受塔高空间限制、安装困难的缺陷，从而提供一种便于安装的抑振装置及风力发电机组的塔架装置。

本发明一方面提供一种抑振装置，包括：

架体，固定安装于被抑振结构；

摆体机构，悬挂在架体上，包括端部之间可相互摆动连接的多级摆臂及设置在多级摆臂中的末级摆臂上的质量块。

多级摆臂之间的摆动端通过连接架连接，连接架使相邻摆臂沿摆臂长度方向至少部分重叠。

通过设置多级摆臂，及使相邻摆臂沿摆臂长度方向至少具有部分重叠，可以在风力发电机组对应自身较低频率振动时，无需将与质量块直接连接的摆臂设置的过长，即可满足对摆体的振动频率需求，即，可以通过摆臂级数的扩展来缩短摆臂在竖直方向上的长度。这样可以克服由于摆臂过长造成的在塔架内部竖直方向上的安装空间受限的问题，从而可以防止摆体机构与塔架内部的其他结构形成干涉，同时可以便于摆体机构的安装；同时，当需要对摆体机构的振动频率进行调节时，只需通过增减摆臂和连接架即可实现，调节简单方便。

本发明一方面提供的抑振装置，其中，

多级摆臂包括至少两个一级摆臂，一级摆臂的上端与被抑振结构铰接，一级摆臂的下端与连接架铰接；末级摆臂上端与连接架铰接，下端设置有质量块并悬空。

多级摆臂还包括其余各级摆臂，设置于一级摆臂与末级摆臂之间，包括至少两个摆臂，其上端铰接于与一级摆臂铰接的连接架，下端铰接于与末级摆臂铰接的连接架。

本发明的一种实施方式中，摆体机构的各级摆长相等，这样可以便于对摆体机构的振动频率的调节。

同级摆臂的多个摆臂对称设置于所述末级摆臂的两端。

连接架包括多个与各摆臂上端铰接的第一杆件、多个与各摆臂下端铰接的第三杆件、以及多个连接相邻的第一杆件与第三杆件的第二杆件。

第一杆件和第三杆件分别与架体平行，第二杆件与架体垂直。

第一杆件、第二杆件以及第三杆件分别与架体成一定角度倾斜设置。

铰接为球铰结构。

本发明的一种实施方式中，末级摆臂与其他各级摆臂为柔性件和/或刚性件。

为了使抑振装置产生更好的抑振效果，本发明另一方面提供的一种抑振装置中，还包括安装于塔架上的阻尼机构。

阻尼机构包括相对设置的磁极N部件和磁极S部件，质量块为导体，并设于磁极N部件和磁极S部件之间。这种形式的阻尼机构，不会为抑振装置带来额外的刚度，可以获得较好的粘滞阻尼特性，同时具有结构简单的优点。

为了使抑振装置产生更好的抑振效果，质量块设于磁极N部件和磁极S部件之间的中心位置处。

磁极N部件和磁极S部件可以为永久磁铁或者电磁铁。

磁极N部件和磁极S部件分别为电磁铁，阻尼机构还包括：

振动传感器，设于塔架的顶部或中部，测量塔架在该位置处的振动加速度值，并发出实际加速度值的信息；

控制系统，接收振动传感器发出的实际加速度值的信息，并将实际加速度值与预设加速度值进行比较，对磁极部件之间的磁场强度进行控制。如果实际加速度值不小于预设加速度值，控制磁极N部件和磁极S部件得电，磁极N部件和磁极S部件之间产生磁场；如果实际加速度值小于预设加速度值，控制磁极N部件和磁极S部件不得电，磁极N部件和磁极S部件之间无磁场。

通过在塔架的顶部或中部设置振动传感器，可以根据塔架振动较大位置处的振动加速度值对磁极N部件和磁极S部件是否产生磁场进行调控，同时，由于磁极N部件和磁极S部件分别为电磁铁，也可以通过增加或减少缠绕的线圈数量来实现对磁场强度的调节，从而可以实现对阻尼机构是否产生阻尼以及产生的阻尼的强度进行调节，使得抑振装置可以灵活应用于多种使用环境。

被抑振结构为风力发电机组，阻尼机构安装于风力发电机组的塔架平台上。

本发明另一方面提供一种风力发电机组的塔架装置，包括上述的抑振装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为包含有本发明第一种实施方式中提供的一种抑振装置的风力发电机组的示意图；

图2为图1所示的风力发电机组的A区域的局部放大示意图；

图3为图2所示的安装于风力发电机组的塔架中的抑振装置的振动状态示意图；

图4为图2所示的抑振装置的局部左视图；

图5为单级悬挂摆式调频质量阻尼器的示意图；

图6为二级悬挂摆式调频质量阻尼器的示意图；

图7为本发明实施例2中提供的安装于风力发电机组的塔架中的抑振装置的示意图；

附图标记说明：

1-架体，2-质量块，31-一级摆臂，32-二级摆臂，4-末级摆臂，51-一级连接架，52-二级连接架，6-让位空间，71-第一杆件，72-第二杆件，73-第三杆件，81-磁极N部件，82-磁极S部件，10-摆臂，20-塔架，201-塔架平台。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1-图3所示，本实施例提供一种抑振装置，包括架体1和摆体机构。

架体1固定安装于风力发电机组的塔架20中；

摆体机构悬挂在架体1上，包括端部之间可相互摆动连接的多级摆臂10及设置在末级摆臂4上的质量块2；多级摆臂之间的摆动端通过一个连接架连接，连接架使相邻摆臂10沿摆臂10长度方向具有至少部分重叠。

在本实施例中，架体1为横梁，摆体机构具有两级摆臂和一级连接架51，两级摆臂分别为一级摆臂31和末级摆臂4。

一级摆臂31由两个一端铰接于架体1上的摆臂10构成，两个摆臂10与架体1连接的一端之间间隔设置。

一级连接架51由一个连接架构成，设于一级摆臂31的两摆臂10的另一端之间，一级连接架51具有朝向一级摆臂31的两摆臂10的连接于架体1的端部延伸的延伸部分。

末级摆臂4一端铰接于一级连接架51的延伸部分上，另一端连接质量块2并悬空。

作为可变换的实施方式，摆体机构也可以具有三级及以上的摆臂10和两级及以上的连接架。

一级连接架51与一级摆臂31的具体连接方式可以有多种，在本实施例中，一级连接架51的两端分别与一级摆臂31的两个摆臂10铰接，且一级连接架51两端之间的延伸部分形成让位空间6。末级摆臂4可转动地连接于一级连接架51上，并位于让位空间6中。

为了便于使摆体机构的振动频率调节更方便，在本实施例中，摆体机构的各级摆长相等。作为可变换的实施方式，摆体机构的各级摆长也可以不等。

在本实施例中，同级摆臂的多个摆臂10对称设置于所述末级摆臂4的两端。

连接架具体结构形式可以有多种，在本实施例中，连接架包括：

一个第一杆件71，与架体1平行，并铰接有末级摆臂4；

两个第二杆件72，分别与架体1垂直，并分别固定铰接于第一杆件71的两端；

两个第三杆件73，分别与架体1平行，且一端与一级摆臂31的对应摆臂10铰接，另一端与对应的第二杆件72固定连接。

本实施例中的铰接为球铰。

作为可变换的实施方式，如图3所示，连接架的具体结构也可以是，包括两个一端互相固定连接的倾斜杆件，倾斜杆件的另一端分别与一级摆臂31的对应摆臂10铰接。倾斜杆件与以及摆臂31的对应摆臂10之间的角度满足大于0度小于90度即可。即第一杆件71、第二杆件72以及第三杆件73分别与架体1成一定角度倾斜设置。

各级摆臂的刚度不受限制，优选末级摆臂4为柔性件，之前各级摆臂为刚性件。在本实施例中，末级摆臂4为柔性件，一级摆臂31为刚性件。作为可变换的实施方式，也可以是，末级摆臂4为柔性件，一级摆臂31也为柔性件。作为可变换的实施方式，还可以是，末级摆臂4为刚性件，一级摆臂31也为柔性件，且末级摆臂4与一级连接架51的第一杆件71通过球铰的方式连接。

为了获得更好的抑振效果，本实施例中提供的抑振装置，还包括安装于塔架20上的阻尼机构。即本实施例中提供的抑振装置，为两级悬挂摆式调频质量阻尼器。作为可变换的实施方式，也可以不设置阻尼机构。

阻尼机构的具体结构形式可以有多种，在本实施例中，如图4所示，阻尼机构包括相对设置的磁极N部件81和磁极S部件82，质量块2为导体，并设于磁极N部件81和磁极S部件82之间。这种形式的阻尼机构，不会为抑振装置带来额外的刚度，但可以获得较好的粘滞阻尼特性，同时具有结构简单的优点。作为可变换的实施方式，阻尼机构也可以为常用的机械摩擦阻尼器或油阻尼器等。

磁极N部件81和磁极S部件82，与塔架20的具体安装方式可以有多种，在本实施例中，磁极N部件81和磁极S部件82分别安装于塔架20的塔架平台201上。作为可变换的实施方式，也可以在塔架20中设置其他支架，将磁极N部件81和磁极S部件82安装于其他支架上。

为了获得更好的抑振效果，本实施例中的质量块2设于磁极N部件81和磁极S部件82之间的中心位置处。

磁极N部件81和磁极S部件82可以为电磁铁也可以为永磁铁，为了便于对磁场的调节，本实施例中的磁极N部件81和磁极S部件82分别为电磁铁，通过对电磁铁通的电流大小，可以控制磁场强度，进而控制对质量块2的阻尼大小。电磁铁的电源提供方式不受限制，可以由备用电池提供，也可以额外添加光伏板，将其放置在风力发电机组的机舱外进行发电，从而提供外用电源。

在本实施例中，阻尼机构还包括：

振动传感器，设于塔架20的顶部或中部，测量塔架20在该位置处的振动加速度值，并发出实际加速度值的信息；

控制系统，接收振动传感器发出的实际加速度值的信息，并将实际加速度值与预设加速度值进行比较，如果实际加速度值不小于预设加速度值，控制磁极N部件81和磁极S部件82得电，磁极N部件81和磁极S部件82之间产生磁场；如果实际加速度值小于预设加速度值，控制磁极N部件81和磁极S部件82不得电，磁极N部件81和磁极S部件82之间无磁场。

塔架20的顶部或中部通常为塔架20的振动较大的位置处，通过在塔架20的顶部或中部设置振动传感器，可以根据塔架20振动较大位置处的振动加速度值对磁极N部件81和磁极S部件82是否产生磁场进行调控，同时，由于磁极N部件81和磁极S部件82分别为电磁铁，也可以通过增加或减少缠绕的线圈数量来实现对磁场强度的调节，从而可以实现对阻尼机构是否产生阻尼以及产生的阻尼的强度进行调节，使得抑振装置可以灵活应用于多种使用环境。

本实施例中提供的抑振装置，为二级悬挂摆式调频质量阻尼器，依靠惯性原理工理而达到减振的目的。抑振装置具有自身的振动频率和阻尼，可以通过改变摆臂10的级数来调整自振频率使其接近风力发电机组振动时的基本频率。当风力发电机组振动时，抑振装置会产生一个与机组振动方向相反的惯性力作用在塔架20上，从而使风力发电机组振动响应衰减。风力发电机组振动时，质量块2受到来自塔架20的激励，会产生与塔架20运行方向相反的运行，且可将塔架20运行的小位移转变为质量块2运动的大位置，若要将振动能量吸收则需要阻尼的作用，质量块2作为导体切割磁极N部件81与磁极S部件82之间的磁感线，会产生电涡流与阻尼力，从而将振动能力转化为热能耗散。

通过设置两级摆臂和一级连接架51，一级连接架51的两端分别与一级摆臂31的两个摆臂10铰接，且一级连接架51两端之间的延伸部分形成让位空间6，末级摆臂4可转动地连接于一级连接架51上，并位于让位空间6中，可以使一级摆臂31的摆臂10和末级摆臂4沿摆臂10长度方向至少部分重叠。可以在风力发电机组对应自身较低频率振动时，无需将与质量块2直接连接的摆臂10设置的过长，即可满足对摆体的振动频率需求，即，可以通过摆臂10级数的扩展来缩短摆臂10在竖直方向上的长度。这样可以克服由于摆臂10过长造成的在塔架20内部竖直方向上的安装空间受限的问题，从而可以防止摆体机构与塔架20内部的其他结构形成干涉，同时可以便于摆体机构的安装；同时，当需要对摆体机构的振动频率进行调节时，只需通过增减摆臂10和连接架即可实现，调节简单方便。

本实施例中提供的抑振装置，摆臂10级数的个数取决于所需的摆体机构的振动频率，通过级数的扩展可以压缩在塔架20高度方向上的尺寸，进而节省高度空间。具体论证如下：

如图5所示，单级悬挂摆式调频质量阻尼器，水平方向自由振动方程：

振动频率：

上述公式中：F为摆臂10拉力，M为单摆质量块2质量，L为单摆摆长，θ为单摆摆动角度，S为单摆摆动幅度，g为重力加速度。

如图6所示，本实施例中提供的抑振装置，为两级悬挂摆式调频质量阻尼器，水平方向自由振动方程：

振动频率：

上述公式中：F为末级摆臂4拉力，M为质量块2的质量，L为一级摆臂31的摆长，θ为末级摆臂4的摆动角度，S₁为末级摆臂4的摆动幅度，S₂为一级摆臂31的两摆臂10的摆动幅度，g为重力加速度；

依次推理：N级悬挂摆式调频质量阻尼器对应振动频率：

即，设置多级的悬挂摆式调频质量阻尼器，可以有效减小摆长的长度设置；当设置为N级时，相应的摆长为L/N。

如图7所示，本发明提供的抑振装置，与上述结构不同之处在于，摆体机构具有三级摆臂10和两级连接架。具体地，摆体机构包括一级摆臂31、一级连接件、二级摆臂32、二级连接架52及末级摆臂4。

一级摆臂31由两个一端摆动铰接于架体1上的摆臂10构成，两个摆臂10与架体1连接的一端之间间隔设置。

一级连接架51由一个连接架构成，铰接于一级摆臂31的两摆臂10的另一端之间，一级连接架51具有朝向一级摆臂31的两摆臂10的连接于架体1的端部延伸的延伸部分。

二级摆臂32由两个一端铰接于一级连接架51上的摆臂10构成；两个摆臂10与一级连接架51连接的一端之间间隔设置。

二级连接架52由一个连接架构成，设于二级摆臂32的两摆臂10的另一端之间，二级连接架52均具有朝向二级摆臂32的两摆臂10的连接于一级连接架51的端部延伸的延伸部分。

末级摆臂4一端铰接二级连接架52的延伸部分上，另一端连接质量块2并悬空。

通过使一级摆臂31的摆臂10、二级摆臂32的摆臂10和末级摆臂4沿摆臂10长度方向具有至少部分重叠的设置，可以有效减小各级摆臂的设置长度，即可满足对摆体的振动频率的阻尼需求。即，可以通过摆臂10级数的扩展来缩短摆臂10在竖直方向上的长度，这样可以克服由于摆臂10过长造成的在塔架20内部竖直方向上的安装空间受限的问题，从而可以防止摆体机构与塔架20内部的其他结构形成干涉，同时可以便于摆体机构的安装；同时，当需要对摆体机构的振动频率进行调节时，只需通过计算来增减摆臂10和连接架即可实现，调节简单方便。

本发明还提供一种风力发电机组的塔架装置，包括塔架20，及上文中提供的抑振装置。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种风力发电机组的塔架抑振装置，其特征在于，包括：

架体(1)，所述架体(1)为横梁，固定安装于塔架；所述抑振装置安装于所述架体(1)与塔架平台(201)之间；

摆体机构，悬挂在所述架体(1)上，包括端部之间可相互摆动连接的多级摆臂及设置在所述多级摆臂中的末级摆臂(4)上的质量块(2)；所述摆体机构的各级摆长相等；

所述多级摆臂之间的摆动端通过连接架连接，所述连接架使相邻所述摆臂(10)沿摆臂(10)长度方向至少部分重叠；

其中，所述多级摆臂包括至少两个一级摆臂(31)，所述一级摆臂(31)的上端与所述塔架铰接，所述一级摆臂(31)的下端与所述连接架铰接；所述末级摆臂(4)上端与所述连接架铰接，下端设置有所述质量块(2)并悬空；

并且，所述一级摆臂(31)为刚性件，所述末级摆臂(4)为柔性件；所述连接架包括第一杆件(71)、第二杆件(72)以及第三杆件(73)，所述第一杆件(71)、所述第二杆件(72)以及所述第三杆件(73)分别与所述架体(1)成一定角度倾斜设置。

2.根据权利要求1所述的抑振装置，其特征在于，所述多级摆臂还包括其余各级摆臂，设置于所述一级摆臂(31)与所述末级摆臂(4)之间，包括至少两个摆臂(32)，其上端铰接于与所述一级摆臂(31)铰接的所述连接架，下端铰接于与所述末级摆臂(4)铰接的所述连接架。

3.根据权利要求2所述的抑振装置，其特征在于，同级摆臂的多个摆臂对称设置于所述末级摆臂的两端。

4.根据权利要求1或2所述的抑振装置，其特征在于，所述连接架包括多个与各摆臂上端铰接的第一杆件(71)、多个与各摆臂下端铰接的第三杆件(73)、以及多个连接相邻的第一杆件(71)与第三杆件(73)的第二杆件(72)。

5.根据权利要求4所述的抑振装置，其特征在于，所述铰接为球铰结构。

6.根据权利要求1或2所述的抑振装置，其特征在于，还包括安装于所述塔架上的阻尼机构。

7.根据权利要求6所述的抑振装置，其特征在于，所述阻尼机构包括相对设置的磁极N部件(81)和磁极S部件(82)，所述质量块(2)为导体，并设于所述磁极N部件(81)和所述磁极S部件(82)之间。

8.根据权利要求7所述的抑振装置，其特征在于，所述质量块(2)设于所述磁极N部件(81)和所述磁极S部件(82)之间的中心位置处。

9.根据权利要求7所述的抑振装置，其特征在于，所述磁极N部件(81)和所述磁极S部件(82)为永久磁铁或者电磁铁。

10.根据权利要求9所述的抑振装置，所述磁极N部件(81)和所述磁极S部件(82)为电磁铁，所述阻尼机构还包括：

振动传感器，设于被抑振结构的顶部或中部，测量塔架(20)在被抑振结构的顶部或中部位置处的振动加速度值，并发出实际加速度值的信息；

控制系统，接收所述振动传感器发出的所述实际加速度值的信息，并将所述实际加速度值与预设加速度值进行比较，对磁极部件之间的磁场强度进行控制。

11.根据权利要求6所述的抑振装置，其特征在于，被抑振结构为风力发电机组的塔架，所述阻尼机构安装于所述风力发电机组的塔架平台(201)上。

12.一种风力发电机组的塔架装置，其特征在于，包括：权利要求1-11中任一项所述的抑振装置。

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