CN109577731B - 一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，包括由多个阻尼腔体堆叠形成的阻尼腔体单元(1)，所述阻尼腔体单元(1)的一端通过弹簧(10)固定在风力发电塔上，阻尼腔体单元(1)的底部通过滑轮放置在地面上，每个所述阻尼腔体的中部设置隔板并将阻尼腔体内部分成左区、中区和右区，所述左区和右区中设有液体(2)以及固定在左区和右区中用于与液体(2)发生错动耗能的阻挡单元，所述中区设有用于连通左区和右区液体(2)的液体管道(8)。与现有技术相比，本发明具有多种耗能机制，耗能效果好。

Description

一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器
技术领域
本发明涉及土木结构振动控制技术领域，具体涉及一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器。
背景技术
进入21世纪以来，能源问题受到世界各国的重视，风能作为一种清洁无污染的可再生能力被广泛利用，海上风力发电塔、风力涡轮机的市场也在不断扩大。然而，受到风、海浪、地震等环境激励的作用，海上风力发电塔、风力涡轮机等结构极易发生破坏，因此，对于该结构耗能减振的处理方法受到了广大土木工程研究人员的重视。
虽然传统的调谐液体阻尼器具有构造简单、安装容易等优点，但是目前仍存在着一定的不足：首先，传统的调谐液体阻尼器只依赖于液体的晃动，只能通过改变内置液体的高度从而改变阻尼器本身的减振能力；其次，常见的调谐液体阻尼器只有单层，当TLD本身的尺寸受到外界条件的约束时会难以达到预期的减震效果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种耗能更好的用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，该调谐液体阻尼器包括由多个阻尼腔体堆叠形成的阻尼腔体单元，所述阻尼腔体单元的一端通过弹簧固定在风力发电塔上，阻尼腔体单元的底部通过滑轮放置在地面上，每个所述阻尼腔体的中部设置隔板并将阻尼腔体内部分成左区、中区和右区，所述左区和右区中设有液体以及固定在左区和右区中用于与液体发生错动耗能的阻挡单元，所述中区设有用于连通左区和右区液体的液体管道。当风力发电塔发生振动时，液体与左区或右区的侧壁碰撞消耗能量，同时，由于在左区和右区均设有阻挡单元，加强了液体晃动时的扰动、及绕流，增加了耗能；最后，通过液体管道将左区和右区的液体连通起来，可进一步增加阻尼器的耗能减振能力。
每个所述阻尼腔体下短上长的等腰梯形状，其中左区或右区顶面长度为中区顶面长度的一半，阻尼腔体的高度为左区或右区顶面长度的0.5～1.5倍，具体比例可根据计算以及具体的使用环境确定。阻尼器腔体的立面为等腰梯形，并可在拐角处设置小斜角，能够达到增加液体碰撞耗能的目的，同时斜面能够使得液体呈现一定的软弹簧性质，增加耗能。
所述的阻挡单元包括多块平行设置的薄钢片以及与薄钢片垂直布置的多个挡板，所述薄钢片和挡板均为竖直布置，所述薄钢片中均匀分布圆孔。增设圆孔，在纵向位置上通过的液体相对于原本没有放置开孔薄钢片要少，部分液体会在钢板的阻隔下回流，从而使得液体的晃动幅度增加，达到增大阻尼器耗能减振的目的，同时增设了挡板，通过增加液体绕流的方式增加了液体的耗能能力。
所述薄钢片的厚度为5～10mm，圆孔直径为3～7mm，所述薄钢片上圆孔的开孔率为10％～30％，根据试验表明当开孔率在这一范围内时薄钢片增加耗能效果较好。
所述的挡板的长度为左区或右区顶面的长度的1/12～1/8。可根据具体使用条件通过计算分析得到
每个所述的阻尼腔体内壁底部设有缓冲材料，阻尼腔体的内侧壁上设有摩擦材料。设置缓冲材料和摩擦材料，可进一步增加阻尼器的耗能减振能力。
优选的，所述缓冲材料选自橡胶、泡沫板中的一种或多种，所述摩擦材料由海洋石研磨而成。
所述的液体管道中设置加热器和液压装置。在静止状态下使得液体能够充满液体管道，但不充满左区和右区，即在左区和右区留有空气，而且具有一定的气压，试验表明，在有气压的状态下阻尼器的耗能效果有明显改善，同时因为液体充满管道，当液体在风或/和地震作用下发生振动时，通过加热装置使得液体能够更快速达到湍流的状态，试验表明，湍流比一般状态下的液体具有更大的动能，即增加了液体的扰动，从而达到增加能量消耗的目的。
设置了液压装置，该装置相当于动力放大装置，在风或/和地震作用下达到了增加内置液体惯性力的效果，从而达到增大整个阻尼器阻尼力的目的。
优选的，所述阻尼腔体单元中共有4层阻尼腔体。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)试验表明，TLD的固有频率主要由水深比控制，因而多层调谐液体阻尼器并不会因为层数的增加而改变固有频率，同时TLD本身的阻尼与惯性矩I成正比，因此该发明能够在不改变原有频率的情况下令结构的耗能能力增大，根据试验可得到，随着层数的增加，多层调谐液体阻尼器的耗能能力不断提高，其峰值加速度可降低10％-30％。
(2)本发明中增加了开孔薄钢片，由于增设孔洞，在纵向位置上通过的液体相对于原本没有放置开孔薄钢片要少，部分液体会在钢板的阻隔下回流，从而使得液体的晃动幅度增加，达到增大阻尼器耗能减振的目的，同时增设了挡板，通过增加液体绕流的方式增加了液体的耗能能力。
(3)本发明中阻尼器腔体单元立面为梯形，并在拐角处设置小斜角，能够达到增加液体碰撞耗能的目的，同时斜面能够使得液体呈现一定的软弹簧性质，增加耗能。
(4)本发明中在液面上方施加了一定的气体压力，在静止状态下使得液体能够充满管道，试验表明，在有气压的状态下阻尼器的耗能效果有明显改善，同时因为液体充满管道，当液体在风或/和地震作用下发生振动时，通过加热装置使得液体能够更快速达到湍流的状态，试验表明，湍流比一般状态下的液体具有更大的动能，即增加了液体的扰动，从而达到增加能量消耗的目的。
(5)本发明中设置了液压装置，该装置相当于动力放大装置，在风或/和地震作用下达到了增加内置液体惯性力的效果，从而达到增大整个阻尼器阻尼力的目的。
(6)本发明阻尼器单元构造相对简单，可根据基本的结构特点增加或减少个结构构件的数量设置不同的组合方式，让整个结构的布置更加灵活，适用于不同环境下的海上风力发电塔、风力涡轮机或者其他常见的需要设置阻尼器的结构中，以达到良好的耗能减振效果，且摩擦材料来源于海洋石，可直接从工程现场提取，更加经济、节省预算。
附图说明
图1为本发明的正立面图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明每个阻尼腔体的放大示意图。
图4为本发明薄钢片的结构示意图。
其中，1为阻尼腔体单元，2为液体，3为薄钢片，4为挡板，5为摩擦材料，6为缓冲材料，7为加热器，8为液体管道，9为液压装置，10为弹簧。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，其结构如图1～图3所示，主要包括阻尼腔体单元1、液体2、薄钢片3、挡板4、摩擦材料5、缓冲材料6、加热器7、液体管道8、液压装置9、弹簧10。
阻尼腔体单元1分4层，每一层的阻尼腔体呈等腰梯形，分成左区、中区和右区，左区和右区中填充液体2，但不能填满。阻尼腔体单元1通过弹簧10与风力发电塔结构固定。每个阻尼腔体内置薄钢片3和挡板4，可通过焊接固定在阻尼腔体内部，且为等角度均匀排列，具体数量可通过试验求得，本实施例的左区和右区均设置3块薄钢片3，9块挡板4。薄钢片3的开孔率控制在10％-30％之间，如图4所示，挡板4的长度控制在左区或右区顶面长度的1/8～1/12的范围内。所需压力结合工程实际条件，由计算分析、试验论证确定。阻尼器腔体单元1内壁粘贴由岩石研磨成的摩擦材料5，底部相应位置贴上缓冲材料6，如3mm厚的橡胶、泡沫板等材料，左区和右区用液体管道8相连，并在管道上安装加热装置7和液压装置9，可通过数控技术，结合具体工程条件控制所需要的温度和液压动力。

Claims (8)

1.一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，其特征在于，该调谐液体阻尼器包括由多个阻尼腔体堆叠形成的阻尼腔体单元(1)，所述阻尼腔体单元(1)的一端通过弹簧(10)固定在风力发电塔上，阻尼腔体单元(1)的底部通过滑轮放置在地面上，每个所述阻尼腔体的中部设置隔板并将阻尼腔体内部分成左区、中区和右区，所述左区和右区中设有液体(2)以及固定在左区和右区中用于与液体(2)发生错动耗能的阻挡单元，所述中区设有用于连通左区和右区液体(2)的液体管道(8)，所述的液体管道(8)中设置加热器(7)和液压装置(9)。
2.根据权利要求1所述的一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，其特征在于，每个所述阻尼腔体下短上长的等腰梯形状，其中左区或右区顶面长度为中区顶面长度的一半，阻尼腔体的高度为左区或右区顶面长度的0.5～1.5倍。
3.根据权利要求2所述的一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，其特征在于，所述的阻挡单元包括多块平行设置的薄钢片(3)以及与薄钢片(3)垂直布置的多个挡板(4)，所述薄钢片(3)和挡板(4)均为竖直布置，所述薄钢片(3)中均匀分布圆孔。
4.根据权利要求3所述的一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，其特征在于，所述薄钢片(3)的厚度为5～10mm，圆孔直径为3～7mm，所述薄钢片(3)上圆孔的开孔率为10％～30％。
5.根据权利要求3所述的一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，其特征在于，所述的挡板(4)的长度为左区或右区顶面的长度的1/12～1/8。
6.根据权利要求2所述的一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，其特征在于，每个所述的阻尼腔体内壁底部设有缓冲材料(6)，阻尼腔体的内侧壁上设有摩擦材料(5)。
7.根据权利要求6所述的一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，其特征在于，所述缓冲材料(6)选自橡胶、泡沫板中的一种或多种，所述摩擦材料(5)由海洋石研磨而成。
8.根据权利要求1～7任一所述的一种用于海上风力发电塔的多层调谐液体阻尼器，其特征在于，所述阻尼腔体单元中共有4层阻尼腔体。
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