CN111549924A - 一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置 - Google Patents

一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置 Download PDF

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李晨辉
龚彦安
王宇航
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Abstract

本发明公开了一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，包括环形质量体、凹槽、颗粒球、封板、连接环和钢丝绳，环形质量体上表面的若干凹槽与封板组成封闭空间，颗粒球内置于凹槽中，连接有钢丝绳的连接环固定在环形质量体上，装置通过钢丝绳悬挂在风电塔筒内。当塔筒振动较小时，单个颗粒球作为滚动式调谐质量阻尼器率先在凹槽中运动并进行初步地控制；振动较大时，环形质量体作为摆动型调谐质量阻尼器会被激活，产生更强的控制力。本发明的阻尼装置改善了传统调谐质量阻尼器减振频带窄、响应迟缓的缺点，并提升了减振性能。

Description

一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置
技术领域
本发明涉及土木工程结构振动控制，具体涉及一种在风电结构中使用的阻尼装置。
背景技术
随着国家经济繁荣、科技发展，能源已成为当今社会进步的重要基础。我国国力突飞猛进的背后，是能源的大量开采与利用，这导致了严重的环境问题。因此，开发绿色、环保的新能源成为了国家解决环境资源问题的重要途径。我国风能资源丰富、对环境影响低且产能较高，因此风力发电成为了能源开发利用的新兴趋势。
风电塔筒是一种高耸结构，时刻面临严峻的荷载环境。其中横向荷载尤其是风荷载会使结构产生严重的振动问题，从而导致结构的疲劳损伤甚至破坏。因此，对风电结构的振动控制成为了急需解决的问题。调谐质量阻尼器早已用于结构的振动控制，其效能已得到认可，但是它减振频带窄、占据空间大等缺点使其难以成为风电结构减振的理想方案。因此，研制一种新型高效的阻尼器十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，包括环形质量体、颗粒球和封板。
所述环形质量体为轴线竖直的圆柱体结构，环形质量体上设置有若干圆孔Ⅰ，若干圆孔Ⅰ呈环形布置，所形成的圆环的圆心位于环形质量体的轴线上，若干圆孔Ⅰ等间距布置。
所述圆孔Ⅰ的上端贯穿环形质量体的上表面，下端封闭，每个圆孔Ⅰ内设置有颗粒球。
所述封板呈圆形，每个圆孔Ⅰ的上端均封盖有封板。
进一步，所述圆孔Ⅰ的底部为向下凹陷的球形曲面。
进一步，所述环形质量体上设置有中心通孔，中心通孔为贯穿环形质量体上下表面的圆形孔，中心通孔的轴线与环形质量体的轴线重合。
若干所述圆孔Ⅰ位于中心通孔的内壁与环形质量体的外壁之间。
一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，包括环形质量体、颗粒球、封板和内壳。
所述环形质量体为轴线竖直的圆柱体结构，环形质量体上设置有若干圆孔Ⅱ，若干圆孔Ⅱ呈环形布置，所形成的圆环的圆心位于环形质量体的轴线上，若干圆孔Ⅱ等间距布置。
所述圆孔Ⅱ的上端贯穿环形质量体的上表面，下端封闭，圆孔Ⅱ的上端设置有环形的内卷边。
每个所述圆孔Ⅱ内均安装有内壳，内壳为竖直设置的圆柱体结构，内壳的内部中空，内壳的上端敞口，下端封闭。所述内壳的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有颗粒球。
所述内壳的上端与圆孔Ⅱ的内卷边密封连接，下端与圆孔Ⅱ的底部存在间隙。所述内壳的外壁与圆孔Ⅱ的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体，内壳的下端浸泡在粘滞液体内，粘滞液体的液面与内卷边的下表面存在间隙。
所述封板呈圆形，每个内壳的上端均封盖有封板。
进一步，所述内壳的底部为向下凹陷的球形曲面。
进一步，所述环形质量体上设置有中心通孔，中心通孔为贯穿环形质量体上下表面的圆形孔，中心通孔的轴线与环形质量体的轴线重合。
若干所述圆孔Ⅱ位于中心通孔的内壁与环形质量体的外壁之间。
本发明的有益效果在于：
1.将本发明装置悬挂在塔筒内，塔筒振动时，环形质量体相反发生摆动并起到减振的效果，颗粒球滚动，能量转化为小球的动能与重力势能，随后通过摩擦、碰撞耗能减振，同时，粘滞液体产生反向运动，进一步进行减振；
2.颗粒球具有响应频带宽、敏感的特点，可改善传统调谐质量阻尼器的缺点；
3.本发明装置安装于风电塔筒内部，可充分利用空间，有效减弱风电结构横向、扭转的振动；
4.本发明装置适用于陆上风电塔架以及海上风电塔架的振动控制，适用范围广。
附图说明
图1为本发明装置安装在陆上风电塔架的示意图；
图2为实施例1中的阻尼装置示意图；
图3为实施例1中的阻尼装置俯视图；
图4为图3的A-A剖视图；
图5为实施例2中的阻尼装置俯视图；
图6为图5的B-B剖视图；
图7为本发明装置安装在海上风电塔架的示意图。
图中：环形质量体1、中心通孔101、圆孔Ⅰ102、圆孔Ⅱ103、内卷边1031、颗粒球2、封板3、内壳4、粘滞液体5、连接环6、钢丝绳7、塔筒8和机舱9。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开了一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，包括环形质量体1、颗粒球2和封板3。
参见图2或3，所述环形质量体1为轴线竖直的圆柱体结构，环形质量体1上设置有若干圆孔Ⅰ102，若干圆孔Ⅰ102呈环形布置，所形成的圆环的圆心位于环形质量体1的轴线上，若干圆孔Ⅰ102等间距布置。
所述环形质量体1上设置有中心通孔101，中心通孔101为贯穿环形质量体1上下表面的圆形孔，中心通孔101的轴线与环形质量体1的轴线重合。若干所述圆孔Ⅰ102位于中心通孔101的内壁与环形质量体1的外壁之间。
参见图4，所述圆孔Ⅰ102的上端贯穿环形质量体1的上表面，下端封闭，圆孔Ⅰ102的底部为向下凹陷的球形曲面，每个圆孔Ⅰ102内设置有颗粒球2。所述封板3呈圆形，每个圆孔Ⅰ102的上端均封盖有封板3。
若干所述圆孔Ⅰ102与颗粒球2沿环形质量体1的周向等距布置，可使装置在各个方向均产生较好的减振表现。
本实施例公开的阻尼装置安装于陆上风电塔架内，参见图1，该风电塔架包括塔筒8和机舱9，塔筒8的下端固定在陆地上，上端设置有机舱9，机舱9的一端设置有风电叶片。参见图2、3或4，所述环形质量体1的上表面连接有若干连接环6，连接环6靠近环形质量体1的侧壁，若干连接环6沿环形质量体1的周向均匀布置，每个连接环6上连接有钢丝绳7。
参见图1，所述环形质量体1设置到塔筒8内且靠近塔筒8的顶端，便于塔筒8内各式管线及爬梯排布，若干钢丝绳7连接到机舱9的下表面。
当所述塔筒8振动时，环形质量体1受到的惯性作用与塔筒8发生相反摆动，形成摆动型调谐质量阻尼器，对塔架振动进行控制，起到减振的效果。同时，所述颗粒球2在圆孔Ⅰ102中滚动，形成滚动型调谐质量阻尼器，能量转化为小球的动能与重力势能，随后通过摩擦、碰撞耗能减振。摆动型调谐质量阻尼器与滚动型调谐质量阻尼器均无方向限制，随塔筒8的振动随时改变方向。
所述环形质量体1的内径、外径、厚度以及质量可根据工程需求确定，通过调整钢丝绳7的长度可调节摆动型调谐质量阻尼器的频率，通过调整圆孔Ⅰ102底部的球形曲面的曲率、颗粒球2的半径及数量可调节滚动型调谐质量阻尼器的频率。所述圆孔Ⅰ102的内壁可根据需求在底面设置不同摩擦系数、侧壁铺设耗能材料，颗粒球2可根据需求设置不同数量、直径、粗糙程度。
当所述塔筒8振动较小时，由于单个颗粒球2质量较轻，会作为滚动型调谐质量阻尼器率先在各自的圆孔Ⅰ102中运动并进行初步地控制。在振动较大的情况下，整体的摆动型调谐质量阻尼器会被激活，产生更强的控制力；本发明的阻尼装置改善了传统调谐质量阻尼器减振频带窄、响应迟缓的缺点。
本实施例公开的阻尼装置的施工步骤如下：
1.根据设计要求选用合理的所述环形质量体1、颗粒球2、钢丝绳7；
2.将所述颗粒球2置入每个圆孔Ⅰ102中并盖上封板3；
3.在所述环形质量体1上安置连接环6；
4.将若干所述钢丝绳7的上端连接到机舱9的下表面，将环形质量体1放置到塔筒8的顶端，再连接塔筒8与机舱9。
实施例2：
本实施例公开了一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，包括环形质量体1、颗粒球2、封板3和内壳4。
所述环形质量体1为轴线竖直的圆柱体结构，环形质量体1上设置有若干圆孔Ⅱ103，若干圆孔Ⅱ103呈环形布置，所形成的圆环的圆心位于环形质量体1的轴线上，若干圆孔Ⅱ103等间距布置。
参见图5，所述环形质量体1上设置有中心通孔101，中心通孔101为贯穿环形质量体1上下表面的圆形孔，中心通孔101的轴线与环形质量体1的轴线重合。若干所述圆孔Ⅱ103位于中心通孔101的内壁与环形质量体1的外壁之间。
参见图6，所述圆孔Ⅱ103的上端贯穿环形质量体1的上表面，下端封闭，圆孔Ⅱ103的上端设置有环形的内卷边1031。
参见图6，每个所述圆孔Ⅱ103内均安装有内壳4，内壳4为竖直设置的圆柱体结构，内壳4的内部中空，内壳4的上端敞口，下端封闭，内壳4的底部为向下凹陷的球形曲面。所述内壳4的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有颗粒球4。
所述内壳4的上端与圆孔Ⅱ103的内卷边1031密封连接，下端与圆孔Ⅱ103的底部存在间隙。所述内壳4的外壁与圆孔Ⅱ103的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体5，内壳4的下端浸泡在粘滞液体5内，粘滞液体5的液面与内卷边1031的下表面存在间隙。
所述封板3呈圆形，每个内壳4的上端均封盖有封板3。
参见图7，本实施例公开的阻尼装置安装于海上风电塔架内，该风电塔架包括塔筒8和机舱9，塔筒8的下端安装到海面下，上端设置有机舱9，机舱9的一端设置有风电叶片。参见图6，所述环形质量体1的上表面连接有若干连接环6，连接环6靠近环形质量体1的侧壁，若干连接环6沿环形质量体1的周向均匀布置，每个连接环6上连接有钢丝绳7。
参见图7，所述环形质量体1设置到塔筒8内且靠近塔筒8的顶端，便于塔筒8内各式管线及爬梯排布，若干钢丝绳7连接到机舱9的下表面。
当所述塔筒8振动时，环形质量体1受到的惯性作用与塔筒8发生相反摆动，形成摆动型调谐质量阻尼器，对塔架振动进行控制，起到减振的效果。所述颗粒球2在内壳4中滚动，形成滚动型调谐质量阻尼器，能量转化为小球的动能与重力势能，随后通过摩擦、碰撞耗能减振。同时，所述粘滞液体5在圆孔Ⅱ103内运动，形成调谐液体阻尼系统产生作用，淹入粘滞液体5的内壳4压缩了粘滞液体5的运动空间，提高了该调谐液体阻尼系统的阻尼，增强了控制能力。
摆动型调谐质量阻尼器、滚动型调谐质量阻尼器与调谐液体阻尼系统均无方向限制，随塔筒8的振动随时改变方向。
所述环形质量体1的内径、外径、厚度以及质量可根据工程需求确定，通过调整钢丝绳7的长度可调节摆动型调谐质量阻尼器的频率，通过调整内壳4底部的球形曲面的曲率、颗粒球2的半径及数量可调节滚动型调谐质量阻尼器的频率，调谐液体阻尼系统可根据所述粘滞液体5的深度、圆孔Ⅱ103尺寸、内壳4尺寸调节频率。所述内壳4的内壁可根据需求在底面设置不同摩擦系数、侧壁铺设耗能材料，颗粒球2可根据需求设置不同数量、直径、粗糙程度。
当所述塔筒8振动较小时，由于单个颗粒球2质量较轻，会作为滚动型调谐质量阻尼器率先在各自的内壳4中运动并进行初步地控制。在振动较大的情况下，摆动型调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼系统会被激活，产生更强的控制力；本发明的阻尼装置改善了传统调谐质量阻尼器减振频带窄、响应迟缓的缺点。
实施例3：
本实施例公开了一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，包括环形质量体1、颗粒球2和封板3。
参见图2或3，所述环形质量体1为轴线竖直的圆柱体结构，环形质量体1上设置有若干圆孔Ⅰ102，若干圆孔Ⅰ102呈环形布置，所形成的圆环的圆心位于环形质量体1的轴线上，若干圆孔Ⅰ102等间距布置。
所述环形质量体1上设置有中心通孔101，中心通孔101为贯穿环形质量体1上下表面的圆形孔，中心通孔101的轴线与环形质量体1的轴线重合。若干所述圆孔Ⅰ102位于中心通孔101的内壁与环形质量体1的外壁之间。
参见图4，所述圆孔Ⅰ102的上端贯穿环形质量体1的上表面，下端封闭，圆孔Ⅰ102的底部为向下凹陷的球形曲面，每个圆孔Ⅰ102内设置有颗粒球2。所述封板3呈圆形，每个圆孔Ⅰ102的上端均封盖有封板3。
若干所述圆孔Ⅰ102与颗粒球2沿环形质量体1的周向等距布置，可使装置在各个方向均产生较好的减振表现。
本实施例公开的阻尼装置安装于陆上风电塔架内，该风电塔架包括塔筒8和机舱9，塔筒8的下端固定在陆地上，上端设置有机舱9，机舱9的一端设置有风电叶片。所述塔筒8内设置有若干内平台，内平台沿塔筒8的高度方向等间距布置，每个内平台的下表面悬挂有一个或若干个阻尼装置，每个内平台的阻尼装置数量由实际工程需求确定。当每个所述内平台设置有若干个阻尼装置时，若干个阻尼装置绕内平台的中点呈环形布置，若干个阻尼装置之间的间距相等。
参见图2、3或4，所述环形质量体1的上表面连接有若干连接环6，连接环6靠近环形质量体1的侧壁，若干连接环6沿环形质量体1的周向均匀布置，每个连接环6上连接有钢丝绳7，若干钢丝绳7连接到塔筒8的内平台的下表面。
当所述塔筒8振动时，环形质量体1受到的惯性作用与塔筒8发生相反摆动，形成摆动型调谐质量阻尼器，对塔架振动进行控制，起到减振的效果。同时，所述颗粒球2在圆孔Ⅰ102中滚动，形成滚动型调谐质量阻尼器，能量转化为小球的动能与重力势能，随后通过摩擦、碰撞耗能减振。摆动型调谐质量阻尼器与滚动型调谐质量阻尼器均无方向限制，随塔筒8的振动随时改变方向。
所述环形质量体1的内径、外径、厚度以及质量可根据工程需求确定，通过调整钢丝绳7的长度可调节摆动型调谐质量阻尼器的频率，通过调整圆孔Ⅰ102底部的球形曲面的曲率、颗粒球2的半径及数量可调节滚动型调谐质量阻尼器的频率。所述圆孔Ⅰ102的内壁可根据需求在底面设置不同摩擦系数、侧壁铺设耗能材料，颗粒球2可根据需求设置不同数量、直径、粗糙程度。
当所述塔筒8振动较小时，由于单个颗粒球2质量较轻，会作为滚动型调谐质量阻尼器率先在各自的圆孔Ⅰ102中运动并进行初步地控制。在振动较大的情况下，整体的摆动型调谐质量阻尼器会被激活，产生更强的控制力；本发明的阻尼装置改善了传统调谐质量阻尼器减振频带窄、响应迟缓的缺点。

Claims (6)

1.一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，其特征在于：包括所述环形质量体(1)、颗粒球(2)和封板(3)；
所述环形质量体(1)为轴线竖直的圆柱体结构，环形质量体(1)上设置有若干圆孔Ⅰ(102)，若干圆孔Ⅰ(102)呈环形布置，所形成的圆环的圆心位于环形质量体(1)的轴线上，若干圆孔Ⅰ(102)等间距布置；
所述圆孔Ⅰ(102)的上端贯穿环形质量体(1)的上表面，下端封闭，每个圆孔Ⅰ(102)内设置有颗粒球(2)；
所述封板(3)呈圆形，每个圆孔Ⅰ(102)的上端均封盖有封板(3)。
2.根据权利要求1所述的一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，其特征在于：所述圆孔Ⅰ(102)的底部为向下凹陷的球形曲面。
3.根据权利要求2所述的一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，其特征在于：所述环形质量体(1)上设置有中心通孔(101)，中心通孔(101)为贯穿环形质量体(1)上下表面的圆形孔，中心通孔(101)的轴线与环形质量体(1)的轴线重合；
若干所述圆孔Ⅰ(102)位于中心通孔(101)的内壁与环形质量体(1)的外壁之间。
4.一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，其特征在于：包括环形质量体(1)、颗粒球(2)、封板(3)和内壳(4)；
所述环形质量体(1)为轴线竖直的圆柱体结构，环形质量体(1)上设置有若干圆孔Ⅱ(103)，若干圆孔Ⅱ(103)呈环形布置，所形成的圆环的圆心位于环形质量体(1)的轴线上，若干圆孔Ⅱ(103)等间距布置；
所述圆孔Ⅱ(103)的上端贯穿环形质量体(1)的上表面，下端封闭，圆孔Ⅱ(103)的上端设置有环形的内卷边(1031)；
每个所述圆孔Ⅱ(103)内均安装有内壳(4)，内壳(4)为竖直设置的圆柱体结构，内壳(4)的内部中空，内壳(4)的上端敞口，下端封闭；所述内壳(4)的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有颗粒球(2)；
所述内壳(4)的上端与圆孔Ⅱ(103)的内卷边(1031)密封连接，下端与圆孔Ⅱ(103)的底部存在间隙；所述内壳(4)的外壁与圆孔Ⅱ(103)的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体(5)，内壳(4)的下端浸泡在粘滞液体(5)内，粘滞液体(5)的液面与内卷边(1031)的下表面存在间隙。
所述封板(3)呈圆形，每个内壳(4)的上端均封盖有封板(3)。
5.根据权利要求4所述的一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，其特征在于：所述内壳(4)的底部为向下凹陷的球形曲面。
6.根据权利要求4所述的一种用于风电结构减振的环形内置颗粒球调谐阻尼装置，其特征在于：所述环形质量体(1)上设置有中心通孔(101)，中心通孔(101)为贯穿环形质量体(1)上下表面的圆形孔，中心通孔(101)的轴线与环形质量体(1)的轴线重合；
若干所述圆孔Ⅱ(103)位于中心通孔(101)的内壁与环形质量体(1)的外壁之间。
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