CN110835963B - 一种基于偏航的风力发电结构振动控制调谐质量阻尼器 - Google Patents

一种基于偏航的风力发电结构振动控制调谐质量阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏航的风力发电结构振动控制调谐质量阻尼器，属于风力发电机技术领域。本发明通过将调谐质量阻尼器固定安装在风力发电机塔筒内部的偏航装置上，使调谐质量阻尼器可以随其转动。当风力发电结构发生偏航时，调谐质量阻尼器通过周向滑槽保证主轴方向与结构振动主轴方向一致，通过调谐质量阻尼器运动产生的惯性力反作用到风机结构，吸收风机结构向调谐质量阻尼器转移的能量，减小风机结构的振动。本发明根据风机塔筒内部的空间要求，利用风机结构的偏航控制，主动调整振动控制主轴方向，从而使得减震效果不受风向变化的限制，能够适用于风机结构狭小空间内的振动控制措施实施。

Description

一种基于偏航的风力发电结构振动控制调谐质量阻尼器
技术领域
本发明属于风力发电机技术领域，尤其涉及一种基于偏航的风力发电结构振动控制调谐质量阻尼器。
背景技术
风力作用是风力发电结构在运行过程中主要作用荷载，由于风向和风速的随机性，风力发电机通过偏航以及变速变桨距等机电控制措施来实现发电功率控制，偏航装置，是风力发电机机舱的一部分，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。风力发电结构在全寿命运行周期中始终处于脉动风荷载作用下，可能还会受到地震动作用，尤其是海上风力发电结构，同时受到随机波浪的作用。因此，在风力发电的全寿命运行周期中面临着疲劳安全和极限抗震安全，这些都是结构振动导致的。
针对塔架的振动控制都是基于塔架筒体结构为轴对称结构，相同的参数在360度方向并不具有相同的控制效果。而实际上，由于支撑塔架顶部的风轮及机舱结构在风轮面法向和切向的几何特征是不同的偏心结构，在实际运行过程中，风机支撑塔架在前后和左右方向受到的弯矩作用以及气动力作用是不同的，风机由于风轮的偏航使得风机结构主轴在风浪荷载组合作用下始终处于变化中，已有的塔架振动控制措施并不能保证随着风向变化、波浪与风的不同方向组合作用以及不同方向地震动作用下达到很好的控制效果。同时，塔筒顶部半径很小，空间十分有限，为实现环向各方向的振动控制不少已有措施通常行程过大，只具有理论上的效果，实际实施十分困难。
发明内容
本发明针对现有技术中调谐质量阻尼器(简称TMD)不能消除风向变化、波浪或是地震动干扰的问题，本发明提出一种基于偏航的风力发电结构振动控制调谐质量阻尼器可以随着风机叶轮的转向主动调整控制方向，并依据前后和左右方向的动力特性和气动阻尼特性差异进行主轴方向的最优振动控制。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于偏航的风力发电结构振动控制调谐质量阻尼器，所述的控制调谐质量阻尼器包括上部环形钢架1、连杆2、下部环形钢架3、周向滑槽4、悬吊杆5、刚性杆A6、刚性杆B7、阻尼器8、弹簧9和质量球10。
所述的上部环形钢架1为圆环形，两个垂直交叉的刚性杆A6与上部环形钢架1固定连接的，上部环形钢架1固定安装在风力发电机塔筒内的偏航装置上，所述的周向滑槽4设置在风力发电机塔筒内壁上，周向滑槽4与塔筒同轴。
所述的下部环形钢架3放置在周向滑槽4内，上部环形钢架1和下部环形钢架3之间由多个等级间距设置的连杆2刚性连接，连杆2与塔筒内壁平行。
所述的悬吊杆5上端铰接在刚性杆A6中心处，所述的悬吊杆5下端位于下部环形钢架3的中心处，悬吊杆5的下端通过四个对称设置的刚性杆B7与下部环形钢架3刚性连接，每个刚性杆B7中间并列设置有阻尼器8和弹簧9。
所述的质量球10为圆球形，开有穿过球形的通孔，悬吊杆5穿过质量球10的通孔，质量球10固定在悬吊杆5的上。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明根据风机塔筒内部的空间要求，利用风机结构的偏航控制，主动调整振动控制主轴方向，从而使得减震效果不受风向变化的限制，能够适用于风机结构狭小空间内的振动控制措施实施。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的结构局部放大图；
图3是TMD优化设计质量比影响图；横坐标为TMD阻尼比，纵坐标为最优质量比；
图4是TMD优化设计频率比影响图；横坐标为TMD阻尼比，纵坐标为最优频率比；
图5为风和波浪作用下的塔顶位移比较图；
图6为风和波浪作用下的调谐质量阻尼器的位移图；
图7为地震动作用下的塔顶位移比较图。
图中：1、上部环形钢架；2、连杆；3、下部环形钢架；4、周向滑槽；5、悬吊杆；6、刚性杆A；7、刚性杆B；8、阻尼器；9、弹簧；10、质量球；ξ1为结构的阻尼比；f、u分别为阻尼器的频率比和质量比。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述本发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示的一种基于偏航的风力发电结构振动控制调谐质量阻尼器，当外界风向发、波浪等生变化时，偏航装置开始工作，下部环形钢架3会在周向滑槽4内发生转动，保持本发明主轴方向与结构振动主轴方向一致；风力发电机结构发生水平方向的振动，质量球10会产生相反方向的运动；质量球10压缩运动方向的弹簧9和阻尼器8，同时拉伸相反方向的弹簧9和阻尼器8；弹簧9和阻尼器8产生的反力作用到结构上，对结构的振动起到控制作用。
实施例：
1.基于偏航的风力发电结构振动控制
针对3MW风机，叶轮直径84米，轮毂高度70米，塔顶总重60吨，塔筒顶部内径2.28米。通过数值分析求得风机结构在前后和左右方向的频率分别为0.46Hz和0.59Hz；确定安装高程66m，根据吊杆长度对应的安装高度处筒体半径确定附加阻尼比，根据图3和图4，得到质量球10的质量为2.45吨，悬吊杆5长度为300cm，弹簧9刚度28kN/m，阻尼器8的阻尼比0.087。
2.结果分析
风和波浪作用下的风机塔架顶部在振动控制前后的位移如图5所示。从图中可以看到，调谐质量阻尼器对塔顶部的位移减震率非常明显，对于降低疲劳作用十分显著；
风和波浪作用下的风机塔架减震过程中调谐质量阻尼器的位移时程曲线如图6所示，最大相对位移12cm左右，远小于该部位塔筒半径所允许的100cm变形范围。
采用Taft地震波，地震作用下的塔架顶部减震效果如图7所示。从图中可以看出，在开始阶段，减震效果不明显，在后面的过程中，具有较好的效果。
由于调谐质量阻尼器是通过滞后运动来被动降低结构反应，因此，对于风、波浪等长期作用荷载有较好的减振效果，可以用于降低风机运行过程中的疲劳作用；但是对于地震动这类短持时作用，由于地震动频谱随机性很大，对于峰值处于初始阶段的地震减震效果不佳。因此，本发明用于风、浪、流等长期疲劳荷载作用效果更佳。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于偏航的风力发电结构振动控制调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的基于偏航的风力发电结构振动控制调谐质量阻尼器包括上部环形钢架(1)、连杆(2)、下部环形钢架(3)、周向滑槽(4)、悬吊杆(5)、刚性杆A(6)、刚性杆B(7)、阻尼器(8)、弹簧(9)和质量球(10)；
所述的上部环形钢架(1)为圆环形，两个垂直交叉的刚性杆A(6)与上部环形钢架(1)固定连接，上部环形钢架(1)固定安装在风力发电机塔筒内的偏航装置上；
所述的周向滑槽(4)设置在风力发电机塔筒内壁上，周向滑槽(4)与风力发电机塔筒同轴；
所述的下部环形钢架(3)为圆环形，安装在周向滑槽(4)内；两个垂直交叉的刚性杆B(7)与下部环形钢架(3)固定连接，刚性杆B(7)上对称布置有四对阻尼器(8)和弹簧(9)；上部环形钢架(1)和下部环形钢架(3)之间由多个等间距设置的连杆(2)刚性连接，连杆(2)与风力发电机塔筒内壁平行；
所述的悬吊杆(5)上端铰接在刚性杆A(6)中心处，所述的悬吊杆(5)下端铰接在刚性杆B(7)中心处；
所述的质量球(10)为圆球形，其上开有通孔，悬吊杆(5)穿过质量球(10)的通孔，质量球(10)固定在悬吊杆(5)上。
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