CN110043426A - 用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器 - Google Patents

用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器，包括永磁体棒、传递轴和导磁体材料制作而成的套筒，永磁体棒、传递轴及套筒均设于风力发电机叶片本体内，永磁体棒一端通过第一安装固定结构与叶片本体根部固连，永磁体棒另一端伸入套筒一端内，套筒另一端与传递轴一端固连，传递轴另一端通过第二安装固定结构与叶片本体尖端固连。本发明解决了大型兆瓦级风力机柔性叶片的颤振失稳问题，耐久性好，稳定性好，使用寿命长，结构简单，造价低，抑颤效果好，容易维护，通用性好，商业前景广阔。

Description

用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器
技术领域
本发明属于结构振动控制领域，特别涉及一种用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器。
背景技术
随着世界风能产业的不断发展，风力发电机尺寸的大型化、叶片的细长化成为必然趋势。2018年三一重工和维斯塔斯公司已推出叶片长度超90米的10兆瓦风力机机型。同时这一大型化趋势将使得风力机叶片气弹稳定性问题变得越发突出。尤其是叶片的经典颤振失稳问题，其不仅影响风力机工作性能，产生气动噪声，更加严重的是，显著降低叶片疲劳寿命，甚至导致叶片的直接断裂破坏。已有文献研究表明，对于下一代10+兆瓦级别风力机而言，其颤振临界转速的理论计算值等于甚至小于额定转速。说明颤振失稳问题将成为制约下一代风力机发展的关键问题之一。
目前针对风力机叶片颤振控制的研究较少，主要采用两类技术手段：一、气动措施，通过改变风力机叶片气动外形从而改善叶片气动荷载进而提高叶片气弹稳定性，比如采用带有主动控制系统的后缘襟翼叶片；或者在叶片尾翼安装可主动控制长短的微型扰流片等。然而，风力机叶片颤振失稳仅发生在附着流的情况下，此时叶片的气动升力与风攻角呈线性关系。根据准定常气动力理论可知风力机颤振临界转速值与叶片气动升力曲线的斜率有关，而叶片气动外形的变化对气动升力曲线的斜率影响很小，因此上面所提到的气动措施对颤振控制效果非常有限。二、结构措施，通过改变叶片结构特性来提高叶片颤振临界转速，比如改变叶片截面重心、气动中心以及剪切重心的相对位置；或者采用正交异性复合材料改变叶片弯扭耦合程度；或者在叶片内增加阻尼材料层来提高叶片结构阻尼；又或者在叶片中埋入压电材料、记忆合金等智能材料。然而通过改变叶片截面重心、气动中心以及剪切重心的相对位置来提高风力机颤振临界转速仅适用于小型风力机，无法应用到大型商用风力机机型上；通过采用正交异性复合材料改变叶片弯扭耦合度来提高风力机颤振临界转速的方法，已有研究结果表明其抑颤效果十分有限，对风力机颤振临界转速的提升不足15％，远远无法满足今后风力机安全设计标准；而通过在叶片中增加阻尼层来提高结构阻尼进而提高风力机叶片颤振临界转速的方法，将导致叶片制造成本剧增，同时在叶片中增加阻尼层会削弱叶片刚度；而通过在叶片中埋入压电片、记忆合金等智能材料来提高风力机颤振临界转速则需要在叶片中布设大量智能材料并配合主动控制系统，因此该方法同样将使得叶片制造成本剧增。
综上，需要发明一种全新的减振装置，满足今后10+兆瓦级别风力机叶片颤振设防要求。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器，解决了大型兆瓦级风力机柔性叶片的颤振失稳问题，耐久性好，稳定性好，使用寿命长，结构简单，造价低，抑颤效果好，容易维护，通用性好，商业前景广阔。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器，其结构特点是包括永磁体棒、传递轴和导磁体材料制作而成的套筒，永磁体棒、传递轴及套筒均设于风力发电机叶片本体内，永磁体棒一端通过第一安装固定结构与叶片本体根部固连，永磁体棒另一端伸入套筒一端内，套筒另一端与传递轴一端固连，传递轴另一端通过第二安装固定结构与叶片本体尖端固连。
借由上述结构，当叶片尖端发生扭转颤振时，叶片尖部通过传递轴带动套筒转动。在套筒转动时，永磁体棒与套筒之间发生相对转动，从而套筒切割永磁体棒的磁感线，产生阻碍二者相对转动的电磁力力矩，该电磁力力矩通过传递轴传递至叶片尖端，为叶片扭转模态提供阻尼力，从而抑制叶片尖端的扭转颤振。
本发明可操作性强，可以装于空间有限的风力发电机叶片之中，不影响叶片气动外形，并可根据不同型号叶片的尺寸进行调整，适用于各种机型的风力发电机。
作为一种优选方式，所述套筒与传递轴相连的一端为闭口端。
作为一种优选方式，永磁体棒外壁与套筒内壁之间的距离为t。
本发明为被动式电涡流阻尼器，由于永磁体棒与套筒之间没有直接接触，从而无摩擦阻尼和磨损，因此耐久性好；无需主动控制系统，因此构造简单，造价低；能够直接增加叶片扭转模态阻尼，对风力机颤振临界转速提升达100％，效果远高于已有抑颤结构。
作为一种优选方式，所述永磁体棒的截面为圆形或环形。
作为一种优选方式，所述套筒的截面为环形。
作为一种优选方式，所述传递轴的截面为方形、圆形或环形。
作为一种优选方式，电涡流阻尼器的等效阻尼系数c的确定方法为：
首先，选定永磁体棒和套筒之间的距离t；
然后，固定永磁体棒，扭转叶片本体尖端以给套筒一个恒定扭转角速度通过三维电磁场有限元仿真得到作用在套筒上的电磁力力矩M；
最后，根据计算得到电涡流阻尼器的等效阻尼系数c。
通过风力发电机有限元模型并结合该阻尼器理论计算模型，通过数值模拟得到不同传递轴长度L、不同电涡流阻尼器等效阻尼系数c下风力发电机颤振临界转速值，通过对比得到最大颤振临界转速对应的传递轴长度L以及电涡流阻尼器等效阻尼系数c。
与现有技术相比，本发明解决了大型兆瓦级风力机柔性叶片的颤振失稳问题，耐久性好，稳定性好，使用寿命长，结构简单，造价低，抑颤效果好，容易维护，通用性好，商业前景广阔。
附图说明
图1为本发明一实施例结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
其中，1为第一安装固定结构，2为永磁体棒，3为套筒，4为传递轴，5为第二安装固定结构，6为叶片本体，7为轮毂。
具体实施方式
如图1和图2所示，用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器包括永磁体棒2、传递轴4和导磁体材料制作而成的套筒3，永磁体棒2、传递轴4及套筒3均设于风力发电机叶片本体6内，永磁体棒2一端通过第一安装固定结构1与叶片本体6根部固连，永磁体棒2另一端伸入套筒3一端内，套筒3另一端与传递轴4一端固连，传递轴4另一端通过第二安装固定结构5与叶片本体6尖端固连。第一安装固定结构1为焊接结构或螺栓连接结构。套筒3与传递轴4的连接方式为焊接或螺栓连接。
当叶片尖端发生扭转颤振时，叶片尖端通过传递轴4带动套筒3转动。在套筒3转动时，永磁体棒2与套筒3之间发生相对转动，从而套筒3切割永磁体棒2的磁感线，产生阻碍二者相对转动的电磁力力矩，该电磁力力矩通过传递轴4传递至叶片尖端，为叶片扭转模态提供阻尼力，从而抑制叶片尖端的扭转颤振。
本发明可操作性强，可以装于空间有限的风力发电机叶片之中，不影响叶片气动外形，并可根据叶片的尺寸进行调整，适用于不同型号的风力发电机。
风力发电机叶片还包括设于叶片本体6根部的轮毂1，永磁体棒2固定端应该尽量靠近轮毂1处，以便于日常维修。
所述套筒3与传递轴4相连的一端为闭口端。
永磁体棒2外壁与套筒3内壁之间的距离为t。
本发明为被动式电涡流阻尼器，由于永磁体棒2与套筒3之间没有直接接触，从而无摩擦阻尼和磨损，因此耐久性好；无需主动控制系统，因此构造简单，造价低；能够直接增加叶片扭转模态阻尼，对风力机颤振临界转速提升达100％，效果远高于已有抑颤结构。
所述永磁体棒2的截面为圆形或环形，并满足强度及刚度要求。
所述套筒3的截面为环形。
所述传递轴4的截面为方形、圆形或环形，并满足强度及刚度要求。第二安装固定结构5为焊接结构或螺栓连接结构。
电涡流阻尼器的等效阻尼系数c的确定方法为：
首先，选定永磁体棒2和套筒3之间的距离t；
然后，固定永磁体棒2，扭转叶片本体6尖端以给套筒3一个恒定扭转角速度通过三维电磁场有限元仿真得到作用在套筒3上的电磁力力矩M；
最后，根据计算得到电涡流阻尼器的等效阻尼系数c。
通过风力发电机有限元模型并结合该阻尼器理论计算模型，通过数值模拟得到不同传递轴4长度L、不同电涡流阻尼器等效阻尼系数c下风力发电机颤振临界转速值，通过对比得到最大颤振临界转速对应的传递轴4长度L以及电涡流阻尼器等效阻尼系数c。
可通过调节永磁体棒2与套筒3之间的间隙t来调节电磁力力矩的大小。第二安装固定结构5在叶片本体6内部的位置可以调整，以满足不同型号风力发电机的最佳颤振抑制效果。
永磁体棒2与套筒3的相对扭转产生的电磁力阻尼力矩可由下式计算得出：
其中，M1(t)是作用在永磁体棒2的电磁力力矩，M2(t)是作用在套筒3的电磁力力矩，是永磁体棒2的扭转角速度，是套筒3扭转角速度，c是电涡流阻尼器的等效阻尼系数，c值可以通过调节永磁体棒2和套筒3之间的间隙t来调节。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器，其特征在于，包括永磁体棒(2)、传递轴(4)和导磁体材料制作而成的套筒(3)，永磁体棒(2)、传递轴(4)及套筒(3)均设于风力发电机叶片本体(6)内，永磁体棒(2)一端通过第一安装固定结构(1)与叶片本体(6)根部固连，永磁体棒(2)另一端伸入套筒(3)一端内，套筒(3)另一端与传递轴(4)一端固连，传递轴(4)另一端通过第二安装固定结构(5)与叶片本体(6)尖端固连。
2.如权利要求1所述的用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器，其特征在于，所述套筒(3)与传递轴(4)相连的一端为闭口端。
3.如权利要求1或2所述的用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器，其特征在于，永磁体棒(2)外壁与套筒(3)内壁之间的距离为t。
4.如权利要求1或2所述的用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器，其特征在于，所述永磁体棒(2)的截面为圆形或环形。
5.如权利要求1或2所述的用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器，其特征在于，所述套筒(3)的截面为环形。
6.如权利要求1或2所述的用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器，其特征在于，所述传递轴(4)的截面为方形、圆形或环形。
7.如权利要求3所述的用于抑制风力发电机叶片颤振失稳的被动式电涡流阻尼器，其特征在于，
电涡流阻尼器的等效阻尼系数c的确定方法为：
首先，选定永磁体棒(2)和套筒(3)之间的距离t；
然后，固定永磁体棒(2)，扭转叶片本体(6)尖端以给套筒(3)一个恒定扭转角速度通过三维电磁场有限元仿真得到作用在套筒(3)上的电磁力力矩M；
最后，根据计算得到电涡流阻尼器的等效阻尼系数c。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116163896A (zh) * 2023-04-26 2023-05-26 山东科技大学 基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统
CN119195972A (zh) * 2024-11-27 2024-12-27 湖南大学 一种用于抑制颤振失稳的双变桨叶片及其控制方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012123019A1 (en) * 2011-03-15 2012-09-20 3E Downwind turbine with free yaw system
US20120282094A1 (en) * 2009-09-12 2012-11-08 Gay Paul L Wind Turbine Blade Tip Brake Apparatus and Method
CN104265818A (zh) * 2014-09-15 2015-01-07 陈政清 一种外杯旋转式轴向电涡流阻尼器
CN106758772A (zh) * 2016-12-16 2017-05-31 同济大学 一种加速度型电涡流惰性消能器
CN108278180A (zh) * 2018-03-09 2018-07-13 杭州培聚教育科技有限公司 基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置
CN109058049A (zh) * 2018-08-20 2018-12-21 兰州理工大学 一种大型风电叶片预应力索多向减振装置及连接方法
CN109114159A (zh) * 2018-09-27 2019-01-01 兰州理工大学 适于风电叶片的电涡流减振装置及安装方法
CN109611486A (zh) * 2018-11-19 2019-04-12 湖南省潇振工程科技有限公司 一种电涡流轴向阻尼器

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120282094A1 (en) * 2009-09-12 2012-11-08 Gay Paul L Wind Turbine Blade Tip Brake Apparatus and Method
WO2012123019A1 (en) * 2011-03-15 2012-09-20 3E Downwind turbine with free yaw system
CN104265818A (zh) * 2014-09-15 2015-01-07 陈政清 一种外杯旋转式轴向电涡流阻尼器
CN106758772A (zh) * 2016-12-16 2017-05-31 同济大学 一种加速度型电涡流惰性消能器
CN108278180A (zh) * 2018-03-09 2018-07-13 杭州培聚教育科技有限公司 基于涡流振动和电磁感应原理的无叶片风力发电装置
CN109058049A (zh) * 2018-08-20 2018-12-21 兰州理工大学 一种大型风电叶片预应力索多向减振装置及连接方法
CN109114159A (zh) * 2018-09-27 2019-01-01 兰州理工大学 适于风电叶片的电涡流减振装置及安装方法
CN109611486A (zh) * 2018-11-19 2019-04-12 湖南省潇振工程科技有限公司 一种电涡流轴向阻尼器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨宝清: "《现代传感器技术基础》", 30 June 2001, 中国铁道出版社 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116163896A (zh) * 2023-04-26 2023-05-26 山东科技大学 基于兆瓦级风力机叶片高频微振动测定及抑制系统
CN119195972A (zh) * 2024-11-27 2024-12-27 湖南大学 一种用于抑制颤振失稳的双变桨叶片及其控制方法

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