CN109989892A - 一种设有动力吸振器的风机塔筒及其控制方法 - Google Patents

一种设有动力吸振器的风机塔筒及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种设有动力吸振器的风机塔筒，风机塔筒包括塔筒本体和动力吸振器，所述动力吸振器设置于所述塔筒本体的内部，动力吸振器与塔筒本体的内壁相连，动力吸振器包括吸振器箱体和吸振连接件，吸振器箱体内部注有液态吸振介质，吸振连接件的两端分别与吸振器箱体和塔筒本体的内壁连接，风机塔筒还包括根据塔筒本体的振动情况来调节吸振器箱体中的液态吸振介质质量的调节系统，调节系统与吸振器箱体相连。本发明还公开了上述风机塔筒的控制方法，包括设定预设值、将测得的值与预设值比较然后执行相应的操作等步骤。本发明的风机塔筒及其控制方法能改善塔筒的动力学响应性能、避免塔筒发生一阶共振且适用于超高塔筒设计。

Description

一种设有动力吸振器的风机塔筒及其控制方法
技术领域
本发明属于塔筒技术领域，具体涉及一种设有动力吸振器的风机塔筒及其控制方法。
背景技术
随着风机功率的不断增长，风机的塔筒高度也越来越高。2017年7月，SiemensGamesa在泰国成功安装了全亚洲最高的风机——塔筒高度为153米的G114-2.0MW风机。由于风机塔筒的高度不断增加，这对塔筒设计提出了更高的要求。现有风机塔筒的设计大多通过改进结构设计以提高动力学性能，随着塔筒高度的不断增加，风机的运行环境变得更加复杂，传统的塔筒很难满足超高塔筒的动力学性能要求，因此需要提供一种能改善其动力学性能的风机塔筒，以满足不断增长的塔筒高度的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种能改善塔筒的动力学响应性能、避免塔筒发生一阶共振且适用于超高塔筒设计的设有动力吸振器的风机塔筒及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种设有动力吸振器的风机塔筒，所述风机塔筒包括塔筒本体和动力吸振器，所述动力吸振器设置于所述塔筒本体的内部，动力吸振器与塔筒本体的内壁相连，所述动力吸振器包括吸振器箱体和吸振连接件，所述吸振器箱体内部注有液态吸振介质，所述吸振连接件的两端分别与吸振器箱体和塔筒本体的内壁连接，所述风机塔筒还包括根据塔筒本体的振动情况来调节吸振器箱体中的液态吸振介质质量的调节系统，所述调节系统与吸振器箱体相连。动力吸振器使风机塔筒具备了自动减振的功能，当塔筒受到激励发生振动时，动力吸振器能吸收塔筒产生的振动，有效抑制塔筒发生一阶共振，从而提高了塔筒的动力学性能，调节系统能够调节吸振器箱体内的液态吸振介质的质量，从而起到调节动力吸振器的吸振效果的作用，使动力吸振器能够及时快速的根据塔筒本体的振动情况作出响应，提高塔筒的动力学性能和稳定性。
上述的风机塔筒，优选的，所述调节系统包括介质存储箱、输入管道和输出管道，所述输入管道的入口与所述介质存储箱相连通，输入管道的出口与所述吸振器箱体相连通，所述输出管道的入口与吸振器箱体相连通，输出管道的出口与介质存储箱相连通。介质存储箱用于存储液态吸振介质，通过输入管道和输出管道来实现对吸振器箱体内的液态吸振介质质量的调节。
上述的风机塔筒，优选的，所述介质存储箱设置在所述吸振器箱体的下方，所述输入管道上设有泵和单向阀，所述输出管道上设有电磁阀，所述调节系统还包括用于检测所述塔筒本体振动情况的加速度传感器、用于检测吸振器箱体中液态吸振介质液位高度的液位传感器以及根据所述加速度传感器和液位传感器的信息控制所述泵和电磁阀的控制器，所述加速度传感器的输出端与所述控制器的输入端电连接，所述液位传感器的输出端与控制器的输入端电连接，控制器的输出端分别与所述泵和电磁阀的控制端电连接。加速度传感器能够检测到塔筒本体的加速度以反映出塔筒本体的振动情况，液位传感器能够检测出吸振器箱体内液态吸振介质的液位，通过液位能够计算出吸振器箱体内目前已有的液态吸振介质的质量，控制器能够根据加速度传感器和液位传感器的输出进行判断，然后控制泵和电磁阀动作，如需要向吸振器箱体中注水时，关闭电磁阀打开泵，通过泵将介质存储箱中的液态吸振介质送入至吸振器箱体，其中单向阀能够起到防止吸振器中的水在重力下回流的作用，在需要减轻吸振器箱体的质量时，关闭泵并打开电磁阀，吸振器箱体中的液态吸振介质会通过输出管道流至介质存储箱中，从而起到根据塔筒本体的振动情况来调节吸振器箱体中液态吸振介质的质量的作用。
上述的风机塔筒，优选的，所述吸振连接件包括阻尼器和弹簧，所述阻尼器和弹簧的一端均与所述吸振器箱体固接，阻尼器和弹簧的另一端与所述塔筒本体的内壁固接。阻尼器的阻尼和弹簧的刚度配合吸振器箱体共同作用，使吸振效果更好。
上述的风机塔筒，优选的，所述吸振连接件设有两组，两组吸振连接件沿所述吸振器箱体的中轴线对称设置，两组吸振连接件的连线方向与风机塔筒工作时的主风向一致。由于风机塔筒工作时收到来自主风向的作用力，在该方向上振动更为明显，这样设置的吸振器箱体能够沿着两组吸振连接件的连线方向振动，对风机主风向上的振动的吸收效果更好，同时对称设置便于保证整个塔筒本体的受力以及吸振的平衡性。
上述的风机塔筒，优选的，所述吸振器箱体为圆环形的密闭容器，所述吸振器箱体的中轴线与所述塔筒本体的中轴线重合，所述塔筒本体中上部的内壁上固定设置有支撑板，所述吸振器箱体和所述支撑板之间设有滑轮，吸振器箱体通过所述滑轮置于所述支撑板上。具体的，支撑板设置在塔筒本体中部以上的位置，其能将动力吸振器也支撑在塔筒本体的中上部，以提高吸振效果。这样设置能保证吸振器箱体在塔筒本体中对称分布，便于平衡各个方向的吸振效果，滑轮能尽量减小吸振器箱体在垂直方向的振动，同时使吸振器箱体在水平方向保持相对平滑的振动状态。
上述的风机塔筒，优选的，所述支撑板包括用于支撑所述滑轮的支撑面和用于对滑轮滑动限位的限位面，所述支撑面水平设置，所述限位面垂直于所述支撑面设置。限位面能够起到限制吸振器箱体在水平方向上的振动范围和幅度的作用，设置限位面后，吸振器箱体在水平方向上的振动不仅受到弹簧和阻尼器的约束，还受到限位面的限制，吸振器箱体在水平方向上振动被限制在塔筒内壁和限位面之间，能防止吸振器箱体在塔筒内部振动幅度过大带来的一系列问题。
上述的风机塔筒，优选的，所述吸振器箱体内的液态吸振介质的质量m2为所述塔筒本体的质量m1的3％～5％。由于吸振器箱体中的液态吸振介质的质量是变化的，也就是说吸振器箱体中的液态吸振介质的质量最低不小于塔筒本体的质量m1的3％，吸振器箱体中的液态吸振介质的质量最高(即吸振器箱体中注满液态吸振介质时)不大于塔筒本体的质量m1的5％，这一范围是考虑了塔筒本体的稳定性和吸振效果所决定的。
上述的风机塔筒，优选的，所述弹簧的刚度系数为K，K＝(0.9～0.94)*m2*w1 2，其中，m2为所述吸振器箱体内的液态吸振介质的质量，m2的单位为kg，w1为所述塔筒本体的一阶固有频率，w1的单位为Hz，弹簧的刚度系数K的单位为N/m。
上述的风机塔筒，优选的，所述阻尼器的阻尼系数为(0.22～0.25)N·m/s。
将吸振器箱体内的液态吸振介质的质量m2、弹簧的刚度系数K以及阻尼器的阻尼系数设置在这一范围内能让动力吸振器整体具有最佳的吸振效果。
上述的风机塔筒，优选的，所述加速度传感器安装在所述塔筒本体的顶端。由于塔筒本体发生振动时，塔筒本体顶端的位移值最大，将加速度传感器设置于此便于测量，反应更加灵敏，测量结果更加准确。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的设有动力吸振器的风机塔筒的控制方法，包括以下步骤，
S1、在控制器中设定一个加速度预设值；
S2、加速度传感器检测到塔筒本体的加速度，并将信号传递至控制器，控制器将加速度传感器的检测结果与预设值进行比较，同时液位传感器检测出吸振器箱体中液态吸振介质的液位，判断目前吸振器箱体中已有的液态吸振介质的质量大小情况；
S3、如果加速度传感器的检测结果大于预设值且吸振器箱体中未注满液态吸振介质，控制器控制泵打开，将介质存储箱中的液态吸振介质注入至吸振器箱体中，直至加速度传感器的检测结果小于预设值或吸振器箱体已经注满液态吸振介质；
如果加速度传感器的检测结果大于预设值且吸振器箱体中已经注满液态吸振介质，控制器控制电磁阀打开，将吸振器箱体中的液态吸振介质放回至介质存储箱中，直至加速度传感器的检测结果小于预设值或吸振器箱体内的液态吸振介质的质量m2小于塔筒本体的质量m1的3.1％；
如果加速度传感器的检测结果小于预设值，保持现有的状态不进行动作，吸振器箱体中的液态吸振介质的质量m2保持不变。
受到不同因素条件的影响，风机塔筒的振动情况也会有所不同，而如何去减小振动也会因为振动情况的不同而存在差异，通常来说向吸振器箱体内注入液态吸振介质提高动力吸振器的质量能够起到提高吸振效果的作用，因此当加速度传感器的检测结果大于预设值时先向吸振器箱体注入液态吸振介质，如果吸振器箱体注满液态吸振介质后仍然无法有效吸收风机塔筒的振动，无法使风机塔筒的振动恢复正常值，则可能是其他因素导致的振动，开始排出吸振器箱体中的液态吸振介质，尝试减重是否能够使风机塔筒的振动降低，如果吸振器箱体中的液态吸振介质的质量m2小于塔筒本体的质量m1的3.1％仍然无法使风机塔筒的振动回归到正常水平，也要停止排放液态吸振介质，使吸振器箱体的质量稳定在最低值，具备最基础的减振效果，起到最基础的减振作用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的风机塔筒在塔筒本体的内部设置了可调节吸振能力的动力吸振器，使风机塔筒具备了自动减振的功能，当塔筒受到激励发生振动时，动力吸振器的吸振连接件与吸振器箱体以及吸振器箱体内的液态吸振介质配合，能够吸收塔筒本体产生的振动，有效抑制塔筒发生一阶共振，从而提高塔筒的动力学性能，由于吸振器箱体内注入液态吸振介质，在降低了动力吸振器的制造成本的同时还具备良好的吸振效果，而调节系统能根据塔筒本体的振动情况来调节吸振器箱体中液态吸振介质的质量，液态吸振介质的质量动态变化，从而使得动力吸振器的吸振能力也是动态变化的，调节系统采用本发明的控制方法控制调节风机塔筒的动力吸振器的吸振能力，通过改变液态吸振介质的质量寻求最佳的吸振效果，以使风机塔筒的振动快速回归到正常水平，具有相应灵活的优点，本发明的控制方法选用加速度作为反映塔筒振动情况的参数，根据加速度和预设值的关系以及吸振器箱体内现有液态吸振介质的多少对吸振器箱体内的液态吸振介质的质量进行实时调控，将塔筒的振动控制在一定的范围内，适用于各种振动情况，从而起到提高塔筒的动力学性能和稳定性的作用。
附图说明
图1是实施例的设有动力吸振器的风机塔筒的结构示意图。
图2是图1中吸振器箱体沿A方向的结构示意图。
图例说明：
1、塔筒本体；11、支撑板；111、支撑面；112、限位面；2、动力吸振器；21、吸振器箱体；211、滑轮；22、吸振连接件；221、阻尼器；222、弹簧；3、调节系统；31、介质存储箱；32、输入管道；321、泵；322、单向阀；33、输出管道；331、电磁阀；34、加速度传感器；35、控制器；36、液位传感器。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
如图1和图2所示，本实施例的设有动力吸振器的风机塔筒，风机塔筒包括塔筒本体1和动力吸振器2，动力吸振器2设置于塔筒本体1的内部，动力吸振器2与塔筒本体1的内壁相连，动力吸振器2包括吸振器箱体21和吸振连接件22，吸振器箱体21内部注有液态吸振介质，吸振连接件22的两端分别与吸振器箱体21和塔筒本体1的内壁连接，风机塔筒还包括根据塔筒本体1的振动情况来调节吸振器箱体21中的液态吸振介质质量的调节系统3，调节系统3与吸振器箱体21相连。具体的，液态吸振介质为水。调节系统3会根据塔筒本体1的振动情况，并结合吸振器箱体21中已有的液态吸振介质的质量对吸振器箱体21中的液态吸振介质的质量进行动态实时调节。
本实施例中，调节系统3包括介质存储箱31、输入管道32和输出管道33，输入管道32的入口与介质存储箱31相连通，输入管道32的出口与吸振器箱体21相连通，输出管道33的入口与吸振器箱体21相连通，输出管道33的出口与介质存储箱31相连通。
本实施例中，介质存储箱31设置在吸振器箱体21的下方，输入管道32上设有泵321和单向阀322，输出管道33上设有电磁阀331，调节系统3还包括用于检测塔筒本体1振动情况的加速度传感器34、用于检测吸振器箱体21中液态吸振介质液位高度的液位传感器36以及根据加速度传感器34和液位传感器36的信息控制泵321和电磁阀331的控制器35，加速度传感器34的输出端与控制器35的输入端电连接，液位传感器36的输出端与控制器35的输入端电连接，控制器35的输出端分别与泵321和电磁阀331的控制端电连接。具体的，泵321为由电动机驱动的压力泵，电动机的输出轴与压力泵的输入轴连接，单向阀322的入口与泵321的出口相连，单向阀322的出口与吸振器箱体21的入水口相连，电磁阀331为二位二通电磁阀，二位二通电磁阀的入口与吸振器箱体21的出水口连接，二位二通电磁阀的出口与介质存储箱31的入水口连接，液位传感器36设置在吸振器箱体21内。
本实施例中，吸振连接件22包括阻尼器221和弹簧222，阻尼器221和弹簧222的一端均与吸振器箱体21固接，阻尼器221和弹簧222的另一端与塔筒本体1的内壁固接。
本实施例中，吸振连接件22设有两组，两组吸振连接件22沿吸振器箱体21的中轴线对称设置，两组吸振连接件22的连线方向与风机塔筒工作时的主风向一致。具体的，如图1中所示，两组吸振连接件22设置在吸振器箱体21的左右两侧，同一组吸振连接件22中的阻尼器221和弹簧222与吸振器箱体21以及塔筒本体1的连接位置接近，图中两组吸振连接件22的连线与吸振器箱体21的直径以及塔筒本体1在该横截面上的直径重合。
本实施例中，吸振器箱体21为圆环形的密闭容器，吸振器箱体21的中轴线与塔筒本体1的中轴线重合，塔筒本体1中上部的内壁上固定设置有支撑板11，吸振器箱体21和支撑板11之间设有滑轮211，吸振器箱体21通过滑轮211置于支撑板11上。
本实施例中，支撑板11包括用于支撑滑轮211的支撑面111和用于对滑轮211滑动限位的限位面112，支撑面111水平设置，限位面112垂直于支撑面111设置。具体的，支撑板11也为圆环状，环状支撑板11的外缘与塔筒本体1的内壁固接，环状支撑板11的内缘上设有向上突起的限位面112，环状支撑板11内缘的内部为空心结构。
本实施例中，加速度传感器34安装在塔筒本体1的顶端。
本实施例中，吸振器箱体21内的液态吸振介质的质量m2为塔筒本体1的质量m1的3％～5％。具体的，塔筒本体1的质量m1为150000kg，则吸振器箱体21内的液态吸振介质的质量m2保持在4500kg～7500kg之间。吸振器箱体21中的液态吸振介质的质量具有一个最小值，即无论在那种情况下，都要保证吸振器箱体21中水的质量不小于0.03m1，以使吸振器箱体21具备最基本的吸振能力，而当吸振器箱体21中注满液态吸振介质时，即吸振器箱体21中的水质量最大时也不会超过0.05m1。由于吸振器箱体21内装入的是水，其密度恒定，吸振器箱体21的容积也不会发生变化，因此可以通过液位传感器36检测出的液位高度来反映吸振器箱体21中水的质量。
本实施例中，弹簧222的刚度系数为K，K＝(0.9～0.94)*m2*w1 2，其中，m2为吸振器箱体21内的液态吸振介质的质量，w1为塔筒本体1的一阶固有频率。具体的，w1＝0.3Hz，K为364.5～634.5N/m。
本实施例中，阻尼器221的阻尼系数为(0.22～0.25)N·m/s。
在采用上述的设有动力吸振器的风机塔筒时需要对其进行控制，其控制方法包括以下步骤，
S1、在控制器35中设定一个加速度预设值；
S2、加速度传感器34检测到塔筒本体1的加速度，并将信号传递至控制器35，控制器35将加速度传感器34的检测结果与预设值进行比较，同时液位传感器36检测出吸振器箱体21中液态吸振介质的液位，判断目前吸振器箱体21中已有的液态吸振介质的质量大小情况；
S3、如果加速度传感器34的检测结果大于预设值且吸振器箱体21中未注满液态吸振介质，控制器35控制泵321打开，将介质存储箱31中的液态吸振介质注入至吸振器箱体21中，直至加速度传感器34的检测结果小于预设值或吸振器箱体21已经注满液态吸振介质；
如果加速度传感器34的检测结果大于预设值且吸振器箱体21中已经注满液态吸振介质，控制器35控制电磁阀331打开，将吸振器箱体21中的液态吸振介质放回至介质存储箱31中，直至加速度传感器34的检测结果小于预设值或吸振器箱体21内的液态吸振介质的质量m2小于塔筒本体1的质量m1的3.1％；
如果加速度传感器34的检测结果小于预设值，保持现有的状态不进行动作，吸振器箱体21中的液态吸振介质的质量m2保持不变。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种设有动力吸振器的风机塔筒，其特征在于：所述风机塔筒包括塔筒本体(1)和动力吸振器(2)，所述动力吸振器(2)设置于所述塔筒本体(1)的内部，动力吸振器(2)与塔筒本体(1)的内壁相连，所述动力吸振器(2)包括吸振器箱体(21)和吸振连接件(22)，所述吸振器箱体(21)内部注有液态吸振介质，所述吸振连接件(22)的两端分别与吸振器箱体(21)和塔筒本体(1)的内壁连接，所述风机塔筒还包括根据塔筒本体(1)的振动情况来调节吸振器箱体(21)中的液态吸振介质质量的调节系统(3)，所述调节系统(3)与吸振器箱体(21)相连。
2.根据权利要求1所述的风机塔筒，其特征在于：所述调节系统(3)包括介质存储箱(31)、输入管道(32)和输出管道(33)，所述输入管道(32)的入口与所述介质存储箱(31)相连通，输入管道(32)的出口与所述吸振器箱体(21)相连通，所述输出管道(33)的入口与吸振器箱体(21)相连通，输出管道(33)的出口与介质存储箱(31)相连通。
3.根据权利要求2所述的风机塔筒，其特征在于：所述介质存储箱(31)设置在所述吸振器箱体(21)的下方，所述输入管道(32)上设有泵(321)和单向阀(322)，所述输出管道(33)上设有电磁阀(331)，所述调节系统(3)还包括用于检测所述塔筒本体(1)振动情况的加速度传感器(34)、用于检测吸振器箱体(21)中液态吸振介质液位高度的液位传感器(36)以及根据所述加速度传感器(34)和液位传感器(36)的信息控制所述泵(321)和电磁阀(331)的控制器(35)，所述加速度传感器(34)的输出端与所述控制器(35)的输入端电连接，所述液位传感器(36)的输出端与控制器(35)的输入端电连接，控制器(35)的输出端分别与所述泵(321)和电磁阀(331)的控制端电连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的风机塔筒，其特征在于：所述吸振连接件(22)包括阻尼器(221)和弹簧(222)，所述阻尼器(221)和弹簧(222)的一端均与所述吸振器箱体(21)固接，阻尼器(221)和弹簧(222)的另一端与所述塔筒本体(1)的内壁固接。
5.根据权利要求4所述的风机塔筒，其特征在于：所述吸振连接件(22)设有两组，两组吸振连接件(22)沿所述吸振器箱体(21)的中轴线对称设置，两组吸振连接件(22)的连线方向与风机塔筒工作时的主风向一致。
6.根据权利要求1至3任一项所述的风机塔筒，其特征在于：所述吸振器箱体(21)为圆环形的密闭容器，所述吸振器箱体(21)的中轴线与所述塔筒本体(1)的中轴线重合，所述塔筒本体(1)中上部的内壁上固定设置有支撑板(11)，所述吸振器箱体(21)和所述支撑板(11)之间设有滑轮(211)，吸振器箱体(21)通过所述滑轮(211)置于所述支撑板(11)上。
7.根据权利要求6所述的风机塔筒，其特征在于：所述支撑板(11)包括用于支撑所述滑轮(211)的支撑面(111)和用于对滑轮(211)滑动限位的限位面(112)，所述支撑面(111)水平设置，所述限位面(112)垂直于所述支撑面(111)设置。
8.根据权利要求1至3任一项所述的风机塔筒，其特征在于：所述吸振器箱体(21)内的液态吸振介质的质量m2为所述塔筒本体(1)的质量m1的3％～5％。
9.根据权利要求4所述的风机塔筒，其特征在于：所述弹簧(222)的刚度系数为K，K＝(0.9～0.94)*m2*w1 2，其中，m2为所述吸振器箱体(21)内的液态吸振介质的质量，m2的单位为kg，w1为所述塔筒本体(1)的一阶固有频率，w1的单位为Hz，弹簧(222)的刚度系数K的单位为N/m；
所述阻尼器(221)的阻尼系数为(0.22～0.25)N·m/s。
10.一种设有动力吸振器的风机塔筒的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、在控制器(35)中设定一个加速度预设值；
S2、加速度传感器(34)检测到塔筒本体(1)的加速度，并将信号传递至控制器(35)，控制器(35)将加速度传感器(34)的检测结果与预设值进行比较，同时液位传感器(36)检测出吸振器箱体(21)中液态吸振介质的液位，判断目前吸振器箱体(21)中已有的液态吸振介质的质量大小情况；
S3、如果加速度传感器(34)的检测结果大于预设值且吸振器箱体(21)中未注满液态吸振介质，控制器(35)控制泵(321)打开，将介质存储箱(31)中的液态吸振介质注入至吸振器箱体(21)中，直至加速度传感器(34)的检测结果小于预设值或吸振器箱体(21)已经注满液态吸振介质；
如果加速度传感器(34)的检测结果大于预设值且吸振器箱体(21)中已经注满液态吸振介质，控制器(35)控制电磁阀(331)打开，将吸振器箱体(21)中的液态吸振介质放回至介质存储箱(31)中，直至加速度传感器(34)的检测结果小于预设值或吸振器箱体(21)内的液态吸振介质的质量m2小于塔筒本体(1)的质量m1的3.1％；
如果加速度传感器(34)的检测结果小于预设值，保持现有的状态不进行动作，吸振器箱体(21)中的液态吸振介质的质量m2保持不变。
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