CN110805520A - 风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置及安装方法 - Google Patents

风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置及安装方法 Download PDF

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Abstract

风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置及安装方法，恒定质量块（48）为永久磁体，上下表面均连接钢丝绳（2）；附加质量块（41）设有2块，对称布置在恒定质量块（48）的两侧，在靠近恒定质量块（48）的侧面均安装线圈（40），上下表面焊接耐摩擦板（44），通过滚珠（47）直接与安装在回型固定板（42）内的上下板（46）的内表面接触，未安装线圈（40）的侧面均用形状记忆合金弹簧（45）连接于回型固定板（42）的侧表面；回型固定板（42）粘贴在叶片（5）的内表面，上下板（46）均留有用于穿过钢丝绳（2）的椭圆形柱形孔；方法步骤为：完成质量装置（4）的安装；完成传动装置的安装；完成整个半主动双向协调振动控制装置的安装。

Description

风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置及安装方法
技术领域
本发明涉及风电结构减振控制技术领域，具体涉及适于风力机叶片减振的半主动双向协调振动控制技术。
背景技术
振动控制是现代风力发电机设计研究的热点，随着风力机组体积越来越大，叶片也变得更加灵活，在外来风力的作用会产生剧烈振动，影响风力发电机组的安全运行和使用寿命。目前已运行的风力机单机最大容量已达到7MW，正在研制10MW以上风电机组，风轮直径可达120m，风力机叶片作为风力机上的扑捉风能的关键部件，一直是风力机技术发展的重点和难点。其良好的控振设计，可靠性的减振连接直接影响着风力机的发电效率和运行稳定性。
由于风力机叶片面内外的刚度和阻尼不一致，平面内的空气阻尼通常为负值，平面外的空气阻尼则远大于平面内，叠加结构本身阻尼后，平面内的总阻尼甚至小于零，这就导致风力机叶片的振动主要发生在平面内，但由于风力机叶片的预扭转角的存在，平面内和平面外振动时发生耦合，导致平面内外均有一定的振动，但平面内的振动仍然大于平面外，这种差异随着外部激励的增加而增加。随着风力机组朝大型化发展，叶片的长度变得更长，所接受到的外部激励的变化范围越来越大，严重影响到风力机叶片内外的振动幅值变化规律，增加了风力机叶片的减振控制的难度。为了解决这一问题对风力机组整体的不利影响，提高风力机叶片的工作寿命，改进设计的主要思路是增加叶片的阻尼耗能，根据叶片平面内外振动幅值的大小来分配所设计的阻尼。由于风力机叶片的空心属性，在叶片内部设计阻尼耗能装置，充分利用其空间的同时控制叶片平面内外的振动，目前减振装置广泛的用于建筑结构，道路桥梁及海洋工程等，其中调谐质量阻尼器（ Tuned mass damper，简称TMD）是机械振动领域的一个常用的技术，其工作原理是：当结构在外荷载激励下产生振动会带动TMD系统一起振动，TMD系统相对运动产生的惯性力将反作用到结构上，通过这个惯性力，使结构的振动降低，达到减振的目的。但是对于一般的TMD，在运动过程保持整体质量恒定，不随外荷载激励作用的大小发生改变，从而限制了其使用的范围，因此提供一种随外部激励变化来调节所需质量大小的半主动双向协调振动控制装置对风力发电减振控制领域具有重要的指导意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置及安装方法。
本发明本发明是风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置及安装方法，风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置，包括质量装置4，旋转带动装置3，连接组合装置和钢丝绳2，质量装置4包括恒定质量块48、附加质量块41、回型固定板42和形状记忆合金弹簧45，其中恒定质量块48为永久磁体，上下表面均连接钢丝绳2；附加质量块41设有2块，对称布置在恒定质量块48的两侧，在靠近恒定质量块48的侧面均安装线圈40，上下表面焊接耐摩擦板44，通过滚珠47直接与安装在回型固定板42内的上下板46的内表面接触，未安装线圈40的侧面均用形状记忆合金弹簧45连接于回型固定板42的侧表面；回型固定板42呈箱型壳体，粘贴在叶片5的内表面，上下板46均留有用于穿过钢丝绳2的椭圆形柱形孔。
旋转带动装置3包括传动轴34、链轮35、凸轮32、轴承31、套筒38及固定板37，其中传动轴34的两端安装轴承31，沿着传动轴34的轴线向内，紧挨着轴承31固定安装凸轮32，将凸轮32与轴承31均安装在套筒38中，凸轮32的大小轮均为半圆，大轮直径与轴承31的直径及套筒38的内径相同，小轮直径为大轮直径的2/3，在套筒38与凸轮32小轮之间的间隙内装入导电液体30，并在套筒38相应内表面上相距1/3套筒周长的部位设置凹槽，安装导体片33连接两根导线9，导线9通过预留的线孔穿出并用密封材料39进行各个空隙的密封；所述的套筒38设置相同大小的2个，分别用于将传动轴34两端的轴承31和凸轮32装入其中，并为传动轴34提供旋转支撑点，其中套筒38的一端由凸轮32卡住，限制其沿传动轴34轴向移动，另一端焊接在固定板37上，将固定板37粘贴在风力机叶片5的内表面，并用附加板36进行加固；链轮的齿轮35安装固定在传动轴34的中心位置，齿轮35通过两端均粘贴在风力机叶片5内表面的传动带10带动旋转，从而带动传动轴34转动而带动凸轮32转动，旋转角度超过预设角度后，导电液体30与导体板33相接构成闭合回路，使得线圈41通电产生磁性与恒定质量块48相吸。
所述的连接组合装置由万向球73配合不同的结点固定板构成，通过螺杆70将钢丝绳2连接在万向球73内，将万向球73的支座焊接相应的固定板上。
风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置的安装方法，其步骤为：
步骤1：在附加质量块41的指定侧面焊接装有线圈40的非金属箱体43，将附加质量块41其他三个侧面通过形状记忆合金弹簧45焊接在回型固定板42的侧面上，并在与附加质量块41焊接的耐摩擦板44对应的回型固定板42的上下内表面设置预设数量的凹孔，将滚珠47卡在凹孔内，保证滚珠不掉落，并在外力作用下可随意转动，将安装好的回型固定板42整体粘贴在风力机叶片5的内表面相应的位置，完成质量装置4的安装；
步骤2：将链轮上的齿轮35安装固定传动轴34中间位置，在传动轴34两端固定安装凸轮32，在套筒38内的设计的位置安装导体片33并引出导线9，密封导线孔，通过轴承31将安装好的传动轴34两端包括凸轮32安装在套筒38内，在凸轮32两边进行密封后，通过预留孔注入导电液体30，密封预留孔，并将链轮的传动带10两端拉紧粘贴在风力机叶片5内，将套筒38两端焊接在固定板37上，用附加板36加固后粘贴在风力机叶片5内表面相应的位置，完成传动装置的安装；
步骤3：将恒定质量块48由回型固定板42预留的椭圆孔装入到安装好的质量装置4中，在恒定质量块48的上下表面各焊接一段钢丝绳2后，将其中一段端部焊接螺杆70，通过螺杆70将钢丝绳2锚固在粘贴在风力机叶片5叶尖的1号万向球结1，另一段的端部通过卡扣8锚固四根等长同直径的钢丝绳2，在这四根钢丝绳2另一端焊接四个螺杆70，将螺杆70锚固在焊接在环形固定板6上的2号万向球结7内，提前已将环形固定板6粘贴在风力机叶片6的根部内表面，完成整个半主动双向协调振动控制装置的安装。
本发明相对于现有技术具有以下优点：
1、本发明的风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置通过传动轴带动导电液体旋转，从而控制电路是否闭合，设计操作简单，安装方便。
2、本发明通过附加质量块上线圈通电产生磁性，吸附在恒定质量块上，改变恒定质量块的整体的质量，针对不同外部激励产生不同的阻尼力，连接可靠，阻尼效果明显。
3、本发明设置左右两个凸轮，风力机叶片带到传动轴顺时针或逆时针旋转时，均在超过一定角度后使电路闭合，从而充分发挥附加质量块的作用。
4、本发明的涉及到的所有构件均通过固定板粘贴在风力机叶片内表面，从而降低了集中应力作用，减少对风力机叶片的损伤。
5、本发明中同时设有附加质量块和恒定质量块，在电路未闭合时，附加质量块与恒定质量块相互协调，共同控制风力机叶片平面内外两个方向的不同大小的振动，在电路闭合时，附加质量块与恒定质量块吸附在一起，共同抵抗平面内的振动，针对不同激励作用下产生的不同大小的振动，主动合理分配质量，有效控制各种振动的同时充分提高了各质量块的利用率。
附图说明
图1为本发明的适于风力机叶片减振的半主动双向协调振动控制装置安装完成示意图；图2为本发明的适于风力机叶片减振的半主动双向协调振动控制装置中质量装置剖面示意图；图3为本发明的适于风力机叶片减振的半主动双向协调振动控制装置中质量装置的Ⅲ-Ⅲ剖面示意图；图4为本发明的适于风力机叶片减振的半主动双向协调振动控制装置中传动装置示意图；图5为本发明的适于风力机叶片减振的半主动双向协调振动控制装置中闭合电路示意图；图6为本发明的适于风力机叶片减振的半主动双向协调振动控制装置两种万向球结示意图；附图标记及对应名称，1：1号万向球结，2：钢丝绳，3：传动装置，4：质量装置，5：风力机叶片，6：环形固定板，7：2号万向球结，8：卡扣，9：导线，10：传动带，11：传动带端部，13：椭圆固定板，14：柱体固定支座，30：导电液体，31：轴承，32：凸轮，33：导体片，34：传动轴，35：齿轮，36：附加板，37：固定板，38：套筒，39：密封材料，40：线圈，41：附加质量块，42：回型固定板，43：非金属箱体，44：耐摩擦板，45：形状记忆合金弹簧，46：上下板，47：滚珠，48：恒定质量块，70：螺杆，71：楔形固定板，72：半柱体固定支座，73：万向球，74：螺孔。
具体实施方式
本发明是风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置及安装方法，如图1~图3所示，风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置，包括质量装置4，旋转带动装置3，连接组合装置和钢丝绳2，质量装置4包括恒定质量块48、附加质量块41、回型固定板42和形状记忆合金弹簧45，其中恒定质量块48为永久磁体，上下表面均连接钢丝绳2；附加质量块41设有2块，对称布置在恒定质量块48的两侧，在靠近恒定质量块48的侧面均安装线圈40，上下表面焊接耐摩擦板44，通过滚珠47直接与安装在回型固定板42内的上下板46的内表面接触，未安装线圈40的侧面均用形状记忆合金弹簧45连接于回型固定板42的侧表面；回型固定板42呈箱型壳体，粘贴在叶片5的内表面，上下板46均留有用于穿过钢丝绳2的椭圆形柱形孔。
如图1~图4所示，旋转带动装置3包括传动轴34、链轮35、凸轮32、轴承31、套筒38及固定板37，其中传动轴34的两端安装轴承31，沿着传动轴34的轴线向内，紧挨着轴承31固定安装凸轮32，将凸轮32与轴承31均安装在套筒38中，凸轮32的大小轮均为半圆，大轮直径与轴承31的直径及套筒38的内径相同，小轮直径为大轮直径的2/3，在套筒38与凸轮32小轮之间的间隙内装入导电液体30，并在套筒38相应内表面上相距1/3套筒周长的部位设置凹槽，安装导体片33连接两根导线9，导线9通过预留的线孔穿出并用密封材料39进行各个空隙的密封，保证导电液体30不渗出；所述的套筒38设置相同大小的2个，分别用于将传动轴34两端的轴承31和凸轮32装入其中，并为传动轴34提供旋转支撑点，其中套筒38的一端由凸轮32卡住，限制其沿传动轴34轴向移动，另一端焊接在固定板37上，将固定板37粘贴在风力机叶片5的内表面，并用附加板36进行加固；链轮的齿轮35安装固定在传动轴34的中心位置，齿轮35通过两端均粘贴在风力机叶片5内表面的传动带10带动旋转，从而带动传动轴34转动而带动凸轮32转动，旋转角度超过预设角度后，导电液体30与导体板33相接构成闭合回路，使得线圈41通电产生磁性与恒定质量块48相吸，能够增加恒定质量块48的质量，提高阻尼效果。
如图6所示，连接组合装置由万向球73配合不同的结点固定板构成，通过螺杆70将钢丝绳2连接在万向球73内，将万向球73的支座焊接相应的固定板上。
如图1、图2、图6所示，结点固定板在风力机叶片5的叶尖处采用椭圆固定板13，直接粘贴在风力机叶片5的内表面，在风力机叶片5根部的连接处采用楔形固定板71，直接焊接在环形固定板6上，环形固定板6粘贴在风力机叶片5内表面。
如图1、图2、图3、图5所示，钢丝绳2在整个装置中分三段连接，恒定质量块48上下表面各焊接一段钢丝绳，将其中一段通过1号万向球结1连接在风力机叶片5的叶尖处，另一段的端部通过卡扣8连接4根等直径的钢丝绳2，将这4根钢丝绳2通过2号万向球结7焊接在风力机叶片5根部设置的环形固定板6上。
如图5所示，凸轮32为结构完全相同的左右各一个，分别安装在所述传动轴34的两端，当传动轴34顺时针旋转超过预设角度时，由左凸轮中的导电液体30和导体片33构成闭合回路，当传动轴34逆时针旋转超过预设角度时，由右凸轮中的导电液体30和导体片33构成闭合回路。
如图5所示，导体片33设置相同的4片，两两一组分别安装在左右2个套筒38内壁设定的位置上。
如图2、图3、图5所示，线圈41安装在与附加质量41等宽等高的非金属箱体43内，通过非金属箱体43焊接在附加质量块41规定的侧面；所述的闭合电路由2个套筒38内安装的导体片33并联后，串联两个线圈40和电源构成的回路。
本发明的风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置的安装方法，其步骤为：
步骤1：如图2和图3所示，按照设计要求在附加质量块41的指定侧面焊接装有线圈40的非金属箱体43，将附加质量块41其他三个侧面通过形状记忆合金弹簧45焊接在回型固定板42的侧面上，并在与附加质量块41焊接的耐摩擦板44对应的回型固定板42的上下内表面设置一定数量的凹孔，将滚珠47卡在凹孔内，保证滚珠不掉落，并在外力作用下可随意转动，将安装好的回型固定板42整体粘贴在风力机叶片5内表面相应的位置，完成质量装置4的安装。
步骤2：如图3所示，按照设计要求将链轮上的齿轮35安装固定传动轴34中间位置，在传动轴34两端固定安装凸轮32，在套筒38内的设计的位置安装导体片33并引出导线9，密封导线孔，通过轴承31将安装好的传动轴34两端包括凸轮32安装在套筒38内，在凸轮32两边进行密封后，通过预留孔注入导电液体30，密封预留孔，并将链轮的传动带10两端拉紧粘贴在风力机叶片5内，将套筒38两端焊接在固定板37上，用附加板36加固后粘贴在风力机叶片5内表面相应的位置，完成传动装置的安装。
步骤3：如图1所示，将恒定质量块48由回型固定板42预留的椭圆孔装入到安装好的质量装置4中，在恒定质量块48的上下表面各焊接一段钢丝绳2后，将其中一段端部焊接螺杆70，通过螺杆70将钢丝绳2锚固在粘贴在风力机叶片5叶尖的1号万向球结1，另一段的端部通过卡扣8锚固四根等长同直径的钢丝绳2，在这四根钢丝绳2另一端焊接四个螺杆70，将螺杆70锚固在焊接在环形固定板6上的2号万向球结7内，提前已将环形固定板6粘贴在风力机叶片6的根部内表面，完成整个半主动双向协调振动控制装置的安装。
本发明的风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置及安装方法，包括质量装置，旋转带动装置，连接组合装置和钢丝绳。本发明在风力机叶片产生平面外振动时，通过钢丝绳仅带动恒定质量块摆动，对风力机叶片产生一个与外部激励反向的作用力，从而使得风力机叶片的平面外振动减小，在风力机叶片产生平面内振动时，根据外部激励的大小，叶片带动链轮旋转超过一定角度后，导电液体与导体片接触，构成闭合电路，使线圈通电，产生与恒定质量块相异磁极的磁性，通过线圈产生的电磁力将附加质量块瞬间吸附在恒定质量块上，增加了恒定质量块的质量，在钢丝绳带动下，所有的质量块均沿平面内运动，产生与平面内激励反向的作用力，平面内运动质量增加，产生的反作用力随之增加，风力机叶片的平面内振动得到了有效的控制。两部分质量协调工作，有效控制了风力机叶片两个方向不同大小的振动，从而提高风力机叶片的耐久性和疲劳寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置，包括质量装置（4），旋转带动装置（3），连接组合装置和钢丝绳（2），其特征在于质量装置（4）包括恒定质量块（48）、附加质量块（41）、回型固定板（42）和形状记忆合金弹簧（45），其中恒定质量块（48）为永久磁体，上下表面均连接钢丝绳（2）；附加质量块（41）设有2块，对称布置在恒定质量块（48）的两侧，在靠近恒定质量块（48）的侧面均安装线圈（40），上下表面焊接耐摩擦板（44），通过滚珠（47）直接与安装在回型固定板（42）内的上下板（46）的内表面接触，未安装线圈（40）的侧面均用形状记忆合金弹簧（45）连接于回型固定板（42）的侧表面；回型固定板（42）呈箱型壳体，粘贴在叶片（5）的内表面，上下板（46）均留有用于穿过钢丝绳（2）的椭圆形柱形孔；
旋转带动装置（3）包括传动轴（34）、链轮（35）、凸轮（32）、轴承（31）、套筒（38）及固定板（37），其中传动轴（34）的两端安装轴承（31），沿着传动轴（34）的轴线向内，紧挨着轴承（31）固定安装凸轮（32），将凸轮（32）与轴承（31）均安装在套筒（38）中，凸轮（32）的大小轮均为半圆，大轮直径与轴承（31）的直径及套筒（38）的内径相同，小轮直径为大轮直径的2/3，在套筒（38）与凸轮（32）小轮之间的间隙内装入导电液体（30），并在套筒（38）相应内表面上相距1/3套筒周长的部位设置凹槽，安装导体片（33）连接两根导线（9），导线（9）通过预留的线孔穿出并用密封材料（39）进行各个空隙的密封；所述的套筒（38）设置相同大小的2个，分别用于将传动轴（34）两端的轴承（31）和凸轮（32）装入其中，并为传动轴（34）提供旋转支撑点，其中套筒（38）的一端由凸轮（32）卡住，限制其沿传动轴（34）轴向移动，另一端焊接在固定板（37）上，将固定板（37）粘贴在风力机叶片（5）的内表面，并用附加板（36）进行加固；链轮的齿轮（35）安装固定在传动轴（34）的中心位置，齿轮（35）通过两端均粘贴在风力机叶片（5）内表面的传动带（10）带动旋转，从而带动传动轴（34）转动而带动凸轮（32）转动，旋转角度超过预设角度后，导电液体（30）与导体板（33）相接构成闭合回路，使得线圈（41）通电产生磁性与恒定质量块（48）相吸；
所述的连接组合装置由万向球（73）配合不同的结点固定板构成，通过螺杆（70）将钢丝绳（2）连接在万向球（73）内，将万向球（73）的支座焊接相应的固定板上。
2.根据权利要求1所述的风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置，其特征在于：所述的结点固定板在风力机叶片（5）的叶尖处采用椭圆固定板（13），直接粘贴在风力机叶片（5）的内表面，在风力机叶片（5）根部的连接处采用楔形固定板（71），直接焊接在环形固定板（6）上，环形固定板（6）粘贴在风力机叶片（5）内表面。
3.根据权利要求1所述的风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置，其特征在于：所述的钢丝绳（2）在整个装置中分三段连接，恒定质量块（48）上下表面各焊接一段钢丝绳，将其中一段通过1号万向球结（1）连接在风力机叶片（5）的叶尖处，另一段的端部通过卡扣（8）连接4根等直径的钢丝绳（2），将这4根钢丝绳（2）通过2号万向球结（7）焊接在风力机叶片（5）根部设置的环形固定板（6）上。
4.根据权利要求1所述的风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置，其特征在于：所述的凸轮（32）为结构完全相同的左右各一个，分别安装在所述传动轴（34）的两端，当传动轴（34）顺时针旋转超过预设角度时，由左凸轮中的导电液体（30）和导体片（33）构成闭合回路，当传动轴（34）逆时针旋转超过预设角度时，由右凸轮中的导电液体（30）和导体片（33）构成闭合回路。
5.根据权利要求1所述的风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置，其特征在于：所述的导体片（33）设置相同的4片，两两一组分别安装在左右2个套筒（38）内壁设定的位置上。
6.根据权利要求1所述的风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置，其特征在于：所述的线圈（41）安装在与附加质量（41）等宽等高的非金属箱体（43）内，通过非金属箱体（43）焊接在附加质量块（41）规定的侧面；所述的闭合电路由2个套筒（38）内安装的导体片（33）并联后，串联两个线圈（40）和电源构成的回路。
7.风力机叶片减振半主动双向协调振动控制装置的安装方法，其特征在于，其步骤为：
步骤1：在附加质量块（41）的指定侧面焊接装有线圈（40）的非金属箱体（43），将附加质量块（41）其他三个侧面通过形状记忆合金弹簧（45）焊接在回型固定板（42）的侧面上，并在与附加质量块（41）焊接的耐摩擦板（44）对应的回型固定板（42）的上下内表面设置预设数量的凹孔，将滚珠（47）卡在凹孔内，将安装好的回型固定板（42）整体粘贴在风力机叶片（5）的内表面相应的位置，完成质量装置（4）的安装；
步骤2：将链轮上的齿轮（35）安装固定传动轴（34）中间位置，在传动轴（34）两端固定安装凸轮（32），在套筒（38）内的设计的位置安装导体片（33）并引出导线（9），密封导线孔，通过轴承（31）将安装好的传动轴（34）两端包括凸轮（32）安装在套筒（38）内，在凸轮（32）两边进行密封后，通过预留孔注入导电液体（30），密封预留孔，并将链轮的传动带（10）两端拉紧粘贴在风力机叶片（5）内，将套筒（38）两端焊接在固定板（37）上，用附加板（36）加固后粘贴在风力机叶片（5）内表面相应的位置，完成传动装置的安装；
步骤3：将恒定质量块（48）由回型固定板（42）预留的椭圆孔装入到安装好的质量装置（4）中，在恒定质量块（48）的上下表面各焊接一段钢丝绳（2）后，将其中一段端部焊接螺杆（70），通过螺杆（70）将钢丝绳（2）锚固在粘贴在风力机叶片（5）叶尖的1号万向球结（1），另一段的端部通过卡扣（8）锚固四根等长同直径的钢丝绳（2），在这四根钢丝绳（2）另一端焊接四个螺杆（70），将螺杆（70）锚固在焊接在环形固定板（6）上的2号万向球结（7）内，提前已将环形固定板（6）粘贴在风力机叶片（6）的根部内表面，完成整个半主动双向协调振动控制装置的安装。
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