CN111502057B - 一种复合型塔架阻尼器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合型塔架阻尼器装置，该装置安装于风机塔筒内，该装置包含：阻尼单元布置平台上的阻尼单元；阻尼单元外壁上设有若干个平板式压电发电装置，且所述平板式压电发电装置与所述塔筒壁面固定连接；所述阻尼单元包含若干个液体阻尼器；液体阻尼器内部装有阻尼液体，液体阻尼器内部设有悬臂式压电发电装置，所述阻尼单元还包含整流稳压器、蓄电池、导线，导线将所述蓄电池、整流稳压器、悬臂式压电发电装置、平板式压电发电装置电连接。本发明利用平板式压电发电装置和悬臂式压电发电装置将风机塔架的振动能量转化为电能存储到蓄电池，进一步增强了阻尼器的加阻效果，还利用塔架的振动能量进行发电。

Description

一种复合型塔架阻尼器装置
技术领域
本发明涉及风机减振控制技术领域，具体涉及一种复合型塔架阻尼器装置。
背景技术
目前高耸塔架结构减振装置常用的为调频液体阻尼器(TLD)，通常采用圆环形的TLD并将其安装在塔架顶部，其包括圆环形管、阻尼网和粘滞流体，利用圆形环管中的液体在晃动过程中产生的动侧力来提供减振作用，可以有效增强高塔系统的抗振性能；
调频质量阻尼器(TMD)通常由弹簧、质量块与粘滞阻尼器组成，其作用原理为当主体结构发生变形时，质量块上的惯性力反向施加于主体结构上，从而抑制主体结构的振动，广泛应用于高耸塔架的风振控制。
浅水理论的液体调频阻尼器(TLD)通过液面的大晃动从而加大结构阻尼，如果液体高度不合理会造成减振效果较差；若液体的粘性较小，加阻效果同样会变差，并且单个液体阻尼器的加阻效果较小，需要同时增加多个TLD才能产生较好的加阻效果。
质量调频阻尼器(TMD)对被控结构自振频率的漂移十分敏感，即使频率漂移很微小，TMD的减振效果也会骤然下降；一般而言，TMD的质量与行程越大，其控制效果越好，实际设计时，传统单一的TMD系统会给塔架带来附加质量，加重塔体沉重的负担，而且TMD的行程往往也会受到限制。
发明内容
本发明的目的是结合调频液体阻尼器(TLD)与质量调频阻尼器(TMD)，并利用压电材料吸收风机塔筒振动的能量发电来进一步增加阻尼器的加阻效果。
为了达到上述目的，本发明提供了一种复合型塔架阻尼器装置，该装置安装于风机塔筒内，该装置包含：
阻尼单元；及，设置于阻尼单元外壁上的若干个平板式压电发电装置，其与所述塔筒壁面固定连接；
其中，所述阻尼单元包含：
壳体；
设于所述壳体内部的若干个液体阻尼器，液体阻尼器内部装有阻尼液体；设置于液体阻尼器内部的悬臂式压电发电装置；及
设于壳体内部的蓄电池；
其中，所述蓄电池分别与悬臂式压电发电装置、平板式压电发电装置电连接；
所述平板式压电发电装置与悬臂式压电发电装置均能将塔筒振动产生的机械能转化为电能，并储存于蓄电池中。
较佳地，所述装置还包含整流稳压装置；
所述平板式压电发电装置与悬臂式压电发电装置产生的交流电，分别通过导线传输到整流稳压装置，转化为稳定的直流电后输出至所述蓄电池。
较佳地，所述液体阻尼器设有导线通道，且该导线通道有三个端口，分别为第一端口，第二端口，第三端口，所述导线穿过所述导线通道，经过第一端口的导线连接平板式压电发电装置，经过第二端口的导线连接悬臂式压电发电装置，经过第三端口的导线用于连接整流稳压装置，所述导线将平板式压电发电装置、悬臂式压电发电装置、整流稳压装置三者电连接。
较佳地，所述平板式压电发电装置包含设置在内部的第一压电材料层，其外壁包裹有第一导电材料层，所述第一导电材料外壁包裹第一柔性绝缘密封层；
所述第一柔性绝缘密封层分别与所述连接件、阻尼单元固定连接；
所述第一压电材料层将其自身振动时产生的形变能转化为电能；
所述第一导电材料层与所述导线连接，用于将第一压电材料层产生的电能传输至所述的整流稳压装置。
较佳地，所述平板式压电发电装置包含设置在内部的第一压电材料层，其外壁包裹有第一导电材料层，所述第一导电材料外壁包裹第一柔性绝缘密封层；所述第一柔性绝缘密封层外壁包裹金属支撑层，用于承受推拉阻尼单元的力；所述第一压电材料层还包含绝缘振子，用于带动所述第一压电材料层来回振动；
所述金属支撑层分别与连接件、阻尼单元固定连接；
所述第一压电材料层将其自身振动时产生的形变能转化为电能；
所述第一导电材料层与所述导线连接，用于将第一压电材料层产生的电能传输至所述的整流稳压装置。
较佳地，所述悬臂式压电发电装置为多层杆状结构，杆状结构的内部为第二压电材料层；且所述杆状结构插入所述液体阻尼器底部的连接部，从而固定于所述液体阻尼器之中，其插入连接部的部分为固定部分，未插入的部分为暴露部分，其包含与阻尼液体接触的部分；
杆状结构与阻尼液体接触的暴露部分的外部包裹有第二柔性绝缘密封层；
杆状结构的固定部分包裹第二导电材料层，该第二导电材料层通过导线连接整流稳压装置，用于将第二压电材料层产生的电能传输至整流稳压装置。
较佳地，所述悬臂式压电发电装置还包含靠近阻尼液体液面的增幅翼片，用于增大所述第二压电材料层产生的形变的幅值。
较佳地，该装置还包含设于所述阻尼单元的底部的万向轮，使得阻尼单元能在阻尼单元布置平台上沿不同方向运动。
较佳地，所述平板式压电发电装置通过连接件与塔筒壁面固定连接，所述连接件为弹簧、金属链、金属杆中的任意一种。
较佳地，该装置还包含设于所述阻尼单元与风机塔筒之间的爬梯。
本发明取得的有益效果：
本发明提供的复合型塔架阻尼装置，其中阻尼单元内包含有多个液体阻尼器，质量较大，通过弹簧与风机塔筒连接将构成一个调谐质量阻尼器(TMD)，而阻尼单元内的液体阻尼通过其粘性与惯性效应进行减振相当于一个调谐液体阻尼器(TLD)。此外，平板式压电发电装置和悬臂式压电发电装置将风机塔架的振动能量转化为电能存储到蓄电池，进一步增强了阻尼器的加阻效果。本发明不仅可以增加塔架系统的阻尼，还可以利用塔架的振动能量进行发电。本发明能够减小风机塔架在极端外部载荷下的振动水平，并为风机内的传感器与照明进行供电，增加了风机安全性的同时，还增加了机组的上网电量。
附图说明
图1为本发明的复合型塔架阻尼器装置的俯视图；
图中：1-风机塔筒；2-阻尼单元布置平台；3-弹簧固定连接壁；4-弹簧；5-平板式压电发电装置；6-液体阻尼器；7-整流稳压装置；8-蓄电池；9-万向轮；10-导线；11-悬臂式压电发电装置。
图2为本发明的复合型塔架阻尼装置的侧面剖视图；
图中：12-增幅翼片；131-第一插槽；14-阻尼液体；19-阻尼单元。
图3A为实施例1的平板式压电发电装置的剖面图与内部电路示意图；
图中：4-弹簧；10-导线；151-第一压电材料层；161-第一导电材料层；171-第一柔性绝缘密封层。
图3B为实施例2的平板式压电发电装置的侧面剖面图；
图中：4-弹簧；10-导线；132-第二插槽；151-第一压电材料层；161-第一导电材料层；171-第一柔性绝缘密封层；20-绝缘振子；21-刚性金属支撑层。
图3C为实施例2的平板式压电发电装置的俯视图；
图中：132-第二插槽；151-第一压电材料层；20-绝缘振子。
图4为本发明的悬臂式压电发电装置的剖面图与内部电路示意图；
图中：10-导线；12-增幅翼片；131-第一插槽；152-第二压电材料层；162-第二导电材料层；172-第二柔性绝缘密封层；18-弹性密封圈。
图5为本发明的液体阻尼容器的电路连接示意图；
图中：501-第一端口；1101-第二端口；701-第三端口。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～2所示，本发明提供了一种复合型塔架阻尼器装置，该装置安装于风机塔筒1塔架内接近塔顶的阻尼单元布置平台2上，对风机塔筒1减振，该装置包含：
阻尼单元19，布置于阻尼单元布置平台2上；
阻尼单元19底部设有万向轮9，使得阻尼单元19可在阻尼单元布置平台2上根据不同的振动方向运动；
阻尼单元19外壁上设有若干个平板式压电发电装置5，且该若干个平板式压电发电装置5通过连接件4与所述塔筒壁面上的弹簧固定连接壁3连接；在本实施例中，连接件4为弹簧、金属链、金属杆中的任意一种。
其中，所述阻尼单元19包含若干个液体阻尼器6；在一个较优的实施例中，所述阻尼单元19为正方形，所述阻尼单元19包含八个圆柱形液体阻尼器6均匀沿正方形分布；
其中，液体阻尼器6内部装有阻尼液体14，且液体阻尼器6内部设有悬臂式压电发电装置11，该悬臂式压电发电装置11靠近阻尼液体14液面的一端设有增幅翼片12；该增幅翼片12用来增加悬臂式压电发电装置的受力与变形；
所述阻尼单元19还包含整流稳压器7，该整流稳压器7设置于所述阻尼单元19的正中心；所述若干个液体阻尼器6绕整流稳压器7对称分布；
所述阻尼单元19还包含蓄电池8，该蓄电池8设置于整流稳压器7的正上方；
所述阻尼单元19还包含导线10，将蓄电池8、整流稳压器7、悬臂式压电发电装置11、平板式压电发电装置5电连接。
进一步地，阻尼单元19与风机塔筒1之间存在限位距离以给爬梯与电缆(图中未示)留出足够的空间。
进一步地，本发明使用的平板式压电发电装置5与悬臂式压电发电装置11可将塔筒振动产生的机械能转化为电能，通过导线10传输到整流稳压装置7最终将电能存储到蓄电池8。
进一步地，当液体阻尼器6内部的阻尼液体14发生晃动，阻尼液体14的粘性与惯性效应，将会进一步吸收风机塔架的振动能量，从而对风机塔架进行减振。而晃动的阻尼液体14产生动侧力，带动悬臂式压电发电装置11来回振动，以增加悬臂式压电发电装置11的振动幅值，从而将振动能量转化为电能。
同时，阻尼液体14晃动的动侧力，增加增幅翼片12与阻尼液体14的接触面积，来增加悬臂式压电发电装置11的受力与变形。如图2所示，每个液体阻尼器6仅图示一个悬臂式压电发电装置11，在实际实施过程中为增加塔架加阻效果，还可以为多个或多排的悬臂式压电发电装置11。现有技术中通常使用阻尼网，而本发明将阻尼网更换为悬臂式压电发电装置11，且可以设有一个、一排或多排的悬臂式压电发电装置11，可增加液体阻尼器6的减振效果。
同理，晃动的阻尼液体14也会带动平板式压电发电装置5来回振动，从而将风机塔架的振动能量转化为电能，最终存储到蓄电池8。
在一个较优的实施例中(实施例1)，平板式压电发电装置5为多层夹芯结构，如图3A所示，为实施例1中的平板式压电发电装置5的剖面图，所述平板式压电发电装置包含设置在内部的第一压电材料层151，该第一压电材料层151将材料变形能转化为电能；其外壁包裹有第一导电材料层161，所述第一导电材料层161外壁包裹第一柔性绝缘密封层171；所述第一柔性绝缘密封层分别与所述连接件(弹簧4)、阻尼单元19固定连接；在第一柔性绝缘密封层171和第一压电材料层151之间为第一导电材料层161，可将第一压电材料层151正反面产生的正负电荷作为交变电流输出至外界(可通过导线10输出至整流稳压装置7)。
在另一个较优的实施例中(实施例2)，为增大第一压电材料层151的变形幅值，平板式压电发电装置5的内部采用两端固定的压电片进行发电。如图3B所示，为实施例2中平板式压电发电装置5的剖面图；如图3C所示，为平板式压电发电装置5的俯视图；结合图3B和图3C所示，其最外层为刚性金属支撑层21，用于承受推拉阻尼单元19的力。刚性金属支撑层21内为第一柔性绝缘密封层171，在环形第一柔性绝缘密封层171之间为一第一压电材料层151构成的压电圆柱，其半径较小，固定插入第二插槽132中，插入第二插槽132中的部分为固定端，其中第二插槽132与第一压电材料151在固定端通过第一导电材料层161接触。在第一压电材料层151的对称中心处，嵌入绝缘振子20，可带动第一压电材料层151来回振动产生形变。
在实际工作时，通过弹簧4将振动载荷传递给绝缘振子20，从而带动第一压电材料层151产生交替变形并在其拉压两侧产生相反的电荷，导线10将电荷以交变电流的形式导出。结合图3B和图3C两图可知，第一压电材料层151在侧面剖视图上实质上为悬臂式压电发电装置(实施例2)，相比单纯的平板式压电发电装置5(实施例1)能产生更大的形变从而产生更多的正负电荷，将更多的振动能量转化为电能。此外，第一柔性绝缘密封层171相当于限位装置和缓冲层，若绝缘振子20振幅较大，第一柔性绝缘密封层171能防止其带动第一压电材料层151产生过大振幅导致破损，同时防止将过大的振动能量均匀地传递至外层刚性金属支撑层21，从而防止整个阻尼单元19及其内部各个结构相互作用，进一步消耗风机塔架振动能量。
如图4所示，为本发明的悬臂式压电发电装置11的剖面图，悬臂式压电发电装置11为圆柱形多层杆状结构，杆状结构的内部为圆柱形第二压电材料层152，且所述杆状结构插入所述液体阻尼器底部的连接部，在本实施例中，所述连接部为第一插槽131，该第一插槽131为圆柱形，从而固定于所述液体阻尼器之中，其插入连接部的部分为固定部分，未插入的部分为自由部分，其包含与阻尼液体接触的部分；与阻尼液体14表面接触的自由部分第二压电材料层152外部包裹有第二柔性绝缘密封层172，第二柔性绝缘密封层172本身刚度较低，不会对悬臂式压电发电装置11的振幅产生明显影响。杆状结构的固定部分包裹第二导电材料层162，该第二导电材料层162通过导线连接整流稳压装置7，用于将第二压电材料层152产生的电能传输至整流稳压装置7。
进一步地，为了防止阻尼液体14渗入悬臂式压电发电装置11与第一插槽131的缝隙中并造成导电材料16短路，在第一插槽131的最上方与悬臂式压电发电装置11之间设置了弹性密封圈18，防止阻尼液体14渗入，同时不会对悬臂式压电发电装置11的振动产生影响。
如图5所示，为液体阻尼器6内部的电路布置图，所述液体阻尼器6设有导线10，在一个较优的实施例中，所述液体阻尼器6的底部呈圆柱形凹槽，该凹槽内部设有导线通道，该导线10设置在导线通道内部，且该导线通道有三个端口，分别为第一端口501，第一端口501的导线用于连接平板式压电发电装置5；第二端口1101的导线用于连接悬臂式压电发电装置11；第三端口701的导线用于连接整流稳压装置7，通过液体阻尼器6内部的导线10将平板式压电发电装置5、悬臂式压电发电装置11、整流稳压装置7三者电连接。
具体地，如图5所示，上述平板式压电发电装置5和悬臂式压电发电装置11所转化的交流电通过导线10首先传导至液体阻尼器6壁内的电路中进行整合，再统一输入整流稳压装置7中。进一步地，在整流稳压装置7中还设有电桥与稳压器(图中未示)，从而将压电材料15产生的交流电转化为稳定的直流电流，并传导给蓄电池8充电储能，用于为风机内传感器与照明供电。
综上所述，由于阻尼单元19内包含有多个液体阻尼器6，质量较大，通过弹簧4与风机塔筒1连接将构成一个调谐质量阻尼器(TMD)，而阻尼单元19内的液体阻尼14通过其粘性与惯性效应进行减振相当于一个调谐液体阻尼器(TLD)。此外，平板式压电发电装置5和悬臂式压电发电装置11将风机塔架的振动能量转化为电能存储到蓄电池，进一步增强了阻尼器的加阻效果。通过上述装置，能够减小风机塔架在极端外部载荷下的振动水平，并为风机内的传感器与照明进行供电，增加了风机安全性的同时，还增加了机组的上网电量。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种复合型塔架阻尼器装置，该装置安装于风机塔筒内，其特征在于，该装置包含：
阻尼单元；
设置于阻尼单元外壁上的若干个平板式压电发电装置，其通过连接件与塔筒壁面固定连接；及
整流稳压装置；
其中，所述阻尼单元包含：
壳体；
设于所述壳体内部的若干个液体阻尼器，液体阻尼器内部装有阻尼液体；
设置于液体阻尼器内部的悬臂式压电发电装置；及
设于壳体内部的蓄电池；
其中，所述蓄电池分别与悬臂式压电发电装置、平板式压电发电装置电连接；
所述平板式压电发电装置与悬臂式压电发电装置均能将塔筒振动产生的机械能转化为电能，并储存于蓄电池中；
所述悬臂式压电发电装置为多层杆状结构，杆状结构的内部为第二压电材料层；且所述杆状结构插入所述液体阻尼器底部的连接部，从而固定于所述液体阻尼器之中，所述杆状结构插入所述连接部的部分为固定部分，未插入的部分为暴露部分，所述暴露部分包含与阻尼液体接触的部分；
杆状结构与阻尼液体接触的暴露部分的外部包裹有第二柔性绝缘密封层；
杆状结构的固定部分包裹第二导电材料层，该第二导电材料层通过导线连接整流稳压装置，用于将第二压电材料层产生的电能传输至整流稳压装置。
2.如权利要求1所述的复合型塔架阻尼器装置，其特征在于，
所述平板式压电发电装置与悬臂式压电发电装置产生的交流电，分别通过导线传输到整流稳压装置，转化为稳定的直流电后输出至所述蓄电池。
3.如权利要求2所述的复合型塔架阻尼器装置，其特征在于，所述液体阻尼器设有导线通道，且该导线通道有三个端口，分别为第一端口，第二端口，第三端口，所述导线穿过所述导线通道，经过第一端口的导线连接平板式压电发电装置，经过第二端口的导线连接悬臂式压电发电装置，经过第三端口的导线用于连接整流稳压装置，所述导线将平板式压电发电装置、悬臂式压电发电装置、整流稳压装置三者电连接。
4.如权利要求2所述的复合型塔架阻尼器装置，其特征在于，所述平板式压电发电装置包含设置在内部的第一压电材料层，其外壁包裹有第一导电材料层，所述第一导电材料层外壁包裹第一柔性绝缘密封层；
所述第一柔性绝缘密封层分别与所述连接件、阻尼单元固定连接；
所述第一压电材料层将其自身振动时产生的形变能转化为电能；
所述第一导电材料层与所述导线连接，用于将第一压电材料层产生的电能传输至所述的整流稳压装置。
5.如权利要求2所述的复合型塔架阻尼器装置，其特征在于，所述平板式压电发电装置包含设置在内部的第一压电材料层，其外壁包裹有第一导电材料层，所述第一导电材料层外壁包裹第一柔性绝缘密封层；所述第一柔性绝缘密封层外壁包裹金属支撑层，用于承受推拉阻尼单元的力；所述第一压电材料层还包含绝缘振子，用于带动所述第一压电材料层来回振动；
所述金属支撑层分别与连接件、阻尼单元固定连接；
所述第一压电材料层将其自身振动时产生的形变能转化为电能；
所述第一导电材料层与所述导线连接，用于将第一压电材料层产生的电能传输至所述的整流稳压装置。
6.如权利要求1所述的复合型塔架阻尼器装置，其特征在于，所述悬臂式压电发电装置还包含靠近阻尼液体液面的增幅翼片，用于增大所述第二压电材料层产生的形变的幅值。
7.如权利要求1所述的复合型塔架阻尼器装置，其特征在于，该装置还包含设于所述阻尼单元的底部的万向轮，使得阻尼单元能在阻尼单元布置平台上沿不同方向运动。
8.如权利要求1所述的复合型塔架阻尼器装置，其特征在于，所述连接件为弹簧、金属链、金属杆中的任意一种。
9.如权利要求1所述的复合型塔架阻尼器装置，其特征在于，该装置还包含设于所述阻尼单元与风机塔筒之间的爬梯。
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