CN111323201B - 一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台，包括导轨、直线轴承、挡板、塔柱、线性弹簧、NES、翼型段、轴支座、支柱、底座以及滑道；导轨设置有两根，分布在风洞洞壁上，导轨与地面平行，两导轨上均装有直线轴承；两直线轴承均连接有挡板；两挡板之间设有塔柱，塔柱的两端分别固定在两挡板的底部、顶部，线性弹簧的一端连接在挡板的边缘，另一端安装在风洞洞壁上；NES安装在塔柱内部平台上，翼型段高度与塔柱高度一致，翼型段两个端面连有挡板；挡板下方连有轴支座，通过紧固螺栓将轴支座牢靠固定在支柱上，调节紧固螺栓，可以旋转挡板以改变翼型段的攻角，支柱可在底座、滑道内做两自由度滑动，本发明为风力机大型化发展提供可靠保障。

Description

一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台
技术领域
本发明涉及一种风洞试验平台，特别涉及一种非线性能量阱风洞实验平台，属于流体力学、风工程及新能源发电领域。
背景技术
在各国大力发展新能源的背景下，风力发电也有了长足的发展。为了获得更高的风力机发电功率，风力发电正朝着大型化的方向发展，逐渐增高的风力机塔筒也因此产生了相应的稳定性问题。高耸的塔柱会吸收风中携带的能量，导致涡激振动的发生。涡激振动导致结构受到周期性的疲劳应力,所产生的横向高振幅振动将导致疲劳损伤甚至结构破坏问题，造成重大的经济损失。
涡激振动可以通过控制来抑制，但考虑到经济和实用性，工程上通常采用被动控制的方法来抑制高耸结构的振动。外加控制柱、螺旋列版等扰流装置来破坏旋涡结构或改变涡脱模式的方法常被用于研究对高耸结构振动的控制。但这些扰流装置往往会使阻力增大，并且还会引发其他形式的振动。同时，扰流装置大多只能抑制低风速段的柔塔一阶涡振，而无法抑制对于强风、大风情况下激发的柔塔二阶涡振。
此外，在高耸结构中安装阻尼器减小结构振动的控制方法也获得了广大学者的认可。阻尼器能够将其自振频率调谐到主体结构的基频附近，以此来吸收主体结构的振动能量，进而通过阻尼单元将其消耗。常见的阻尼器包括调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）、调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Damper，TLD）、调谐弹簧阻尼器（Tuned SpringDamper，TSD）等。虽然线性阻尼器原理简单，应用广泛，但是其频带较窄，吸振范围较小，对主体结构特性、外激励特性的变化敏感。一旦其自振频率偏离主体结构的基频或者外激励的频带超过其减振频带就会产生失调效应，导致减振效果下降，严重时反而会加剧主体结构的振动。
非线性能量阱是能实现定向能量传递的立方非线性的吸振器，它具有宽频吸振特性。该装置内置于柱体内部，不改变柱体的形状，属于被动控制减震装置，使用方便可靠，质量轻，成本低。非线性能量阱对振动的抑制作用主要表现在能将物体振动能量定向传递到非线性能量阱上，并通过阻尼消耗掉。因此，本发明提出了一种非线性能量阱风洞实验平台，用于研究对风力机塔筒涡激振动的抑制。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台，利用NES内弹簧组的立方非线性，能够在较宽范围内吸收来自外部的振动，从而抑制高耸结构涡激振动，为风力机大型化发展提供可靠保障。
本发明的目的是这样实现的：一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台，包括设置在塔柱组件前端的翼型组件，所述塔柱组件包括导轨、直线轴承、挡板、塔柱、线性弹簧以及NES；所述导轨设置有两根，呈上下分布安装在风洞洞壁上，导轨与地面平行，两所述导轨上均装有直线轴承；两所述直线轴承相对的一侧均连接有挡板，直线轴承可带动挡板沿导轨方向滑动；两所述挡板之间设置有塔柱，所述塔柱的两端分别固定在两挡板的底部、顶部，所述线性弹簧的一端连接在挡板的边缘，另一端安装在风洞洞壁上，线性弹簧与导轨相平行；所述的NES安装在塔柱内部的平台上；所述翼型组件包括翼型段、轴支座、支柱、底座以及滑道，所述的翼型段高度与塔柱高度一致，翼型段两个端面连有挡板；所述轴支座固定在挡板上，并通过紧固螺栓与所述支柱紧固连接，松开紧固螺栓可以旋转与所述轴支座相连的挡板，改变所述挡板上方翼型段的攻角；所述支柱可在底座、滑道内做两自由度滑动。
作为本发明的进一步限定，所述NES由振子、阻尼器、立方非线性弹簧组成，锥形弹簧与线性弹簧组成了具有立方非线性的弹簧系统，能够在较大范围内吸收来自外部振动产生的能量。
作为本发明的进一步限定，所述底座开有两个长条形的孔洞，支柱可以在其中左右滑动，确定好支柱的位置后可以通过螺栓固定；所述底座安装在滑道内，所述滑道安放在洞壁上，所述底座可以在滑道上前后滑动，通过紧固螺栓可以将两者固定。
作为本发明的进一步限定，所述轴支座固定在挡板上，并通过紧固螺栓与所述支柱紧固连接，松开紧固螺栓可以旋转与所述轴支座相连的挡板，改变所述挡板上方翼型段的攻角。
作为本发明的进一步限定，所述挡板的直径大于塔柱直径的2倍，以防止其它部件影响正对塔柱部分的来流状况。
本发明的工作机理：该风洞实验平台安装于风洞中，在开启风洞之前，可以通过调节支柱与底座连接位置以及底座和滑道相对位置来改变翼型段与塔柱之间的位置，模拟不同情况下风力机叶片扫略经过塔筒时状况；通过是否安装NES以及安装其他类型的阻尼器用以探索NES对过临界区域叶片-柔塔多体耦合结构涡振的抑制效果和减振机理。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明能够调节翼型段与塔柱之间的相对位置，能够模拟不同情况下风力机叶片扫略经过塔筒时状况。塔柱内部的平台上安装有NES，具有宽频吸振、轻量质等优点，能够有效抑制塔柱的涡激振动现象；通过该风洞实验平台建立的动力学模型、仿真方法和拟设计的非线性能量阱装置以及机理性研究成果都可以为工程中类似的问题提供借鉴和参考。本发明用以研究NES对风力机塔柱涡激振动的抑制作用。
附图说明
图1为本发明主视结构示意图。
图2为本发明左视结构示意图。
图3为本发明中NES结构俯视示意图。
图4为本发明中NES结构剖视示意图。
其中，1风洞洞壁，2导轨，3直线轴承，4挡板，5线性弹簧，6塔柱，7平台，8 NES，8-1外壳 8-2大托盘 8-3锥形弹簧 8-4阻尼器 8-5小托盘 8-6载框8-7质量块 8-8销 8-9连接部件 8-10线性弹簧 8-11导轨 8-12直线轴承，9翼型段，10轴支座，11支柱，12底座，13滑道。
具体实施方式
如图1-4所示的一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台，包括设置在塔柱6组件前端的翼型组件，塔柱6组件包括导轨2、直线轴承3、挡板4、塔柱6、线性弹簧5以及NES8；导轨2设置有两根，呈上下分布安装在风洞洞壁1上，导轨2与地面平行，两导轨2上均装有直线轴承3；两直线轴承3相对的一侧均连接有挡板4，直线轴承3可带动挡板4沿导轨2方向滑动；两挡板4之间设置有塔柱6，塔柱6的两端分别固定在两挡板4的底部、顶部，线性弹簧5的一端连接在挡板4的边缘，另一端安装在风洞洞壁1上，线性弹簧5与导轨2相平行；的NES 8安装在塔柱6内部的平台7上，NES 8由外壳 8-1、立方非线性弹簧组（由大托盘 8-2、锥形弹簧8-3、小托盘 8-5、线性弹簧8-10、连接部件8-9组成）、阻尼器 8-3、振子（由载框8-6 和质量块8-7组成）、销 8-8 、导轨8-11直线轴承8-12组成，锥形弹簧8-3与线性弹簧8-10组成了具有立方非线性的弹簧系统；翼型组件包括翼型段9、轴支座10、支柱11、底座12以及滑道13，翼型段9高度与塔柱6高度一致，翼型段9两个端面连有挡板4；轴支座10固定在挡板4上，并通过紧固螺栓与支柱11紧固连接，松开紧固螺栓可以旋转轴支座10相连的挡板4，改变挡板4上方翼型段9的攻角，支柱11可在底座12、滑道13内做两自由度滑动，底座12开有两个长条形的孔洞，支柱11可以在其中左右滑动，确定好支柱11的位置后可以通过螺栓固定；底座12安装在滑道13内，滑道13安放在洞壁1上，底座12可以在滑道13上前后滑动，通过紧固螺栓可以将两者固定，挡板4的直径大于塔柱6直径的2倍。
本发明的工作机理：该风洞实验平台7安装于风洞中，在开启风洞之前，可以通过调节支柱11与底座12连接位置以及底座12和滑道13相对位置来改变翼型段9与塔柱6之间的位置，松开紧固螺栓，随后旋转挡板4，改变挡板4上方翼型段9的攻角至实验值，最后拧紧紧固螺栓。确定风洞内无人和干扰物后开启风洞，模拟不同情况下风力机叶片扫略经过塔筒时状况；通过是否安装NES 8以及安装其他类型的阻尼器用以探索NES 8对过临界区域叶片-柔塔多体耦合结构涡振的抑制效果和减振机理。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台，其特征在于：包括设置在塔柱组件前端的翼型组件，所述塔柱组件包括导轨、直线轴承、挡板、塔柱、线性弹簧以及NES；所述导轨设置有两根，呈上下分布安装在风洞洞壁上，导轨与地面平行，两所述导轨上均装有直线轴承；两所述直线轴承相对的一侧均连接有挡板，直线轴承可带动挡板沿导轨方向滑动；两所述挡板之间设置有塔柱，所述塔柱的两端分别固定在两挡板的底部、顶部，所述线性弹簧的一端连接在挡板的边缘，另一端安装在风洞洞壁上，线性弹簧与导轨相平行；所述的NES安装在塔柱内部的平台上；所述翼型组件包括翼型段、轴支座、支柱、底座以及滑道，所述的翼型段高度与塔柱高度一致，翼型段两个端面连有挡板；所述轴支座固定在挡板上，并通过紧固螺栓与所述支柱紧固连接，松开紧固螺栓可以旋转与所述轴支座相连的挡板，改变所述挡板上方翼型段的攻角，所述支柱可在底座、滑道内做两自由度滑动。
2.根据权利要求1所述的一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台，其特征在于：所述NES由振子、阻尼器、立方非线性弹簧组成，锥形弹簧与线性弹簧组成了具有立方非线性的弹簧系统。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台，其特征在于：所述底座开有两个长条形的孔洞，支柱可以在其中左右滑动，确定好支柱的位置后通过螺栓固定；所述底座安装在滑道上，所述滑道安放在洞壁内，所述底座可以在滑道上前后滑动，通过紧固螺栓可以将两者固定。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台，其特征在于：所述轴支座固定在挡板上，并通过紧固螺栓与所述支柱紧固连接，松开紧固螺栓可以旋转与所述轴支座相连的挡板，改变所述挡板上方翼型段的攻角。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于柔塔涡振控制研究的实验平台，其特征在于：所述挡板的直径大于塔柱直径的2倍。
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