CN111852764A - 一种基于电流变效应的风力机塔筒减振系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，由振动传感器、A/D转换模块、可编程控制器PLC、D/A转换模块、电流传输装置、大容量锂电池、电流变液浇注管、连接钢板组成。固定地埋设在塔筒壁内的电流变液浇注管内有极性分子电流变液，利用此种材料的电流变效应，在接受减振信号时，为电流变液通电便可为增加叶片刚度，为叶片减振。本发明相同能克服传统风力机塔筒工作时的振动问题，且容易实现，技术难度较低，方式新颖。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，尤其是一种通过铺设在塔筒壁中的含有电流变液的电流变液浇注管来改变刚度的减振系统，应用在风力机塔筒振动保护领域。
背景技术
在面临全球能源危机和环境污染的大环境下，尽快找到可以对传统化石能源起替代作用的新能源是亟待解决的问题。风能作为一种清洁的可再生能源，已经成为世界各国新能源发展的重要方向。风力发电技术的发展对于调整能源结构、减轻环境污染、解决世界能源危机具有非常重要的意义。在新能源转换及捕获机械中，有一系列问题亟待解决，例如在风力发电机中，以塔筒结构分析为例，塔筒的非线性屈曲分析、顺风向振动分析等一系列分析方法都还没有彻底掌握。所以如何解决塔筒强度问题，成为了风电技术发展的一个重要方面。
国内外已经有在风力作用下关于塔筒断裂或压溃的报道，风力机塔筒的振动主要来自于两个方面，一方面是风力机叶轮转动带来的振动，一方面是在风力和重力作用下的载荷。所以塔筒的振动控制主要着眼点在于塔筒的结构强度和稳定性。塔筒是风电机组的基础支撑，因此结构强度必须满足要求，风电机组受载后塔筒壁不能发生断裂或压溃屈服。塔筒是一种细长结构，其稳定性必须满足要求，受到轴向重力和风载时不能发生屈曲变形。传统技术对于塔筒分析和强度的提高重视程度不足，特别是在风载下塔筒的受力和变形情况，风载作为一种多方向、易突变的外载荷，应全面分析可能带来的结果。本发明提出一种改变塔筒刚度的方法：通过塔筒壁内部附着的装置来改变塔筒刚度，其优势如下：
(1)增加塔筒刚度减少塔筒在外载荷作用下的振动和变形，以较少塔筒因振动而受损的可能性；
(2)通过改变塔筒刚度来避开风力机叶轮的转动频率和机组工作频率，以免发生共振而使得风力机损坏。
发明内容
为解决塔筒振动问题，本发明提出了一种基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，通过电流变液材料的电流变效应特性减少塔筒振动及改变本身的固有频率，其原理为当为电流变液通电，则会极大增加电流变液的刚度而表现出接近于固体的形态，从而减少振动和改变本身振动频率。此法可以克服传统风力机塔筒工作时的振动问题，且容易实现，技术难度较低，方式新颖。
为解决上述问题，本发明的构思是：基于电流变效应的风力机塔筒减振系统。在塔筒壁内部埋设电流变液浇筑管，因电流变液浇注管固定在塔筒壁内部，所以电流变液浇注管与塔筒共同受力和变形。当传感器信号传输到控制器，控制器判断为振动过大需要减振时，发出信号使得继电器得电，进而连通电源为电流浇筑管输送电流，浇筑管内的电流变液在输入电流后，因电流变液本身的材料特性，通入电流后电流变液的刚度迅速增大，形态接近固体，以抵抗外部载荷、减少塔筒振动。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，包括振动传感器、电流变液浇注管和电气控制系统；所述振动传感器共有2～3只沿竖直方向分布而黏贴于风力机塔筒上部外表面上；所述电流变液浇注管成栅栏状固定于风力机塔筒上部筒壁面上；所述电气控制系统通过一个电气板固定安装在风力机塔筒内；所述振动传感器通过电气控制系统电连接电流变液浇注管；当振动传感器传输信号表明振动过大时，电气控制系统控制电流变液浇注管接通电源，使电流变液浇注管内的电流变液变性而刚度迅速增大，形态接近固态，以抵抗外部载荷，减少塔筒振动。
优选地，所述电气控制系统包括一个A/D转换模块、一个可编程控制器PLC、一个D/A转换模块、一个继电器及其对应开关、一个大容量锂电池，还配备有继电器对应开关接通电流变液浇注管的电极。
优选地，所述振动传感器布置在塔筒外表面，采集叶片振动信号；
优选地，所述A/D转换模块将振动传感器信号转化为控制器可以识别的数字信号，安装在塔筒内部横向铺设的电气板上，所述A/D转换器与振动传感器相连；
优选地，所述可编程控制器PLC用于处理输入端输入的信号以及对信号进行响应，进而输出端发出指令，所述可编程控制器PLC输入端与A/D转换模块相连，输出端与D/A转换模块相连，安装在塔筒内部横向铺设的电气板上。
优选地，所述D/A转换模块是将控制器发出的数字量信号转化为电压，可以直接加在继电器上，所述D/A转换模块一端(数字量输入端)与可编程控制器的输出端相连，另一端(模拟量输出端)与继电器相连，D/A转换模块安装在塔筒内部横向铺设的电气板上。
优选地，所述电流传输装置包括导线和继电器，以及与继电器对应的开关，除此之外还有固定在电流变液浇注管内部的电极，一旦继电器接收控制器的电压信号之后，继电器内部的线圈将会得电，则对应的开关导通，电源与电极之间将导通，所以电极可以对电流变液浇注管内部的电流变液施加电流，所述电流传输装置中的继电器与D/A转换模块相连，开关作为中间媒介连接电池和电极。上述电流传输装置固在塔筒内部横向铺设的电气板上。
优选地，所述大容量锂电池作为系统输出电流的电流源，可以对电流变液浇注管内的电流变液施加电流。
优选地，电流变液浇注管材料选用聚乙烯塑料，为了使该系统不工作时不为机组增加额外的刚度，所以采用聚乙烯塑料，且此种材料可以起到绝缘的作用。所述电流变液浇注管固定在塔筒内壁中，与内壁通过固定在电流变液浇注管外部的螺栓与塔筒内壁进行螺栓连接，为节省材料考虑，电流变液浇注管的形状采用：两条纵向管中间连接四条横向管，内部导通，组成一个电流变液浇注管。电流变液浇注管之间通过有弧度(与塔筒壁弯曲弧度相同)的钢板连接，钢板同样与塔筒内壁螺栓连接。四个电流变液浇注管绕塔筒上部一周布置，互相通过连接钢板连接。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明风力机塔筒减少振动的新方法，该系统能耗小、装置简单、成本低、响应速度快；
2.本发明能够通过埋设的材料的刚度增强来抵抗塔筒所受的作用力和变形，以及能够通过改变刚度进而改变塔筒的固有频率来避开风力机机组的工作频率、叶轮的固有频率，避免共振，能够有效保护风力机塔筒不受损害，提高风力机机组安全性进而减少风力机成本，有利于新能源技术的应用和发展，可为节能减排和环保事业做出新的贡献。
附图说明
下面结合附图和实例过程对本发明作进一步说明。
图1为风力发电机示意图。
图2为风力机塔筒外部振动传感器布置示意图。
图3为电流变液浇注管示意图。
图4为电气控制系统结构框图。
图5为连接钢板示意图。
图6是控制单元安装位置示意图。
图7是压紧钢圈示意图。
图8是压紧连接板示意图。
图9是压紧钢圈和压紧连接板示意图。
图中：1.风力机叶片，2.导流罩，3.机舱，4.塔筒，5.装置布置位置，6.振动传感器，7.电流变液浇注管，8.连接钢板，9.螺栓，10.电极，11.电气板，12.控制单元，13.压紧钢圈，14.压紧连接板，15.免胶钉。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～图9，基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，包括振动传感器6、电流变液浇注管7和电气控制系统；所述振动传感器6共有2～3只沿竖直方向分布而黏贴于风力机塔筒上部外表面上；所述电流变液浇注管7成栅栏状固定于风力机塔筒上部筒壁面上；所述电气控制系统通过一个电气板11固定安装在风力机塔筒内；所述振动传感器6通过电气控制系统电连接电流变液浇注管7；当振动传感器6传输信号表明振动过大时，电气控制系统控制电流变液浇注管7接通电源，使电流变液浇注管7内的电流变液变性而刚度迅速增大，形态接近固态，以抵抗外部载荷，减少塔筒振动。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
在本实施例中，所述电气控制系统包括一个A/D转换模块、一个可编程控制器PLC、一个D/A转换模块、一个继电器及其对应开关、一个大容量锂电池，还配备有继电器对应开关接通电流变液浇注管7的电极。
实施例三：
在本实施例中，一种基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，包括振动传感器6、A/D转换模块、可编程控制器PLC、D/A转换模块、电流传输装置、大容量锂电池、电流变液浇注管7、连接钢板8、压紧钢圈13、压紧连接板14、免胶钉15组成。
如图1所示，风力发电机的主要组成部分包括风力机叶片1，导流罩2，机舱3，塔筒4，本发明安装在装置布置位置5处。
如图2所示，振动传感器6呈直线分布在塔筒表面，一共三个，通过图4工作过程流程图可清楚看到，振动传感器与A/D模块通过数据线相连，将振动传感器检测到的振动信号通过A/D转换器进行信号转换，转换为控制器可识别的数字信号，而A/D转换器后将信号传递给与之通过信号线相连的可编程控制器PLC。可编程控制器PLC对信号进行判断和处理，一旦振动过大，传感器在把信号传输给控制器之后，控制器根据判断算法，给本发明系统发送信号而驱动本系统工作。当需要减振时，可编程控制器PLC发送数字信号给与之通过信号线相连的D/A转换器，D/A转换器将可编程控制器发出的数字信号转换为电压信号，输送电压信号到与D/A转换器与之通过导线相连的继电器，继电器得电之后，与之对应的开关则会关闭。如图3所示，电流浇筑管中的内置的电极10与大容量锂电池与之间通过导线导通，此时电极10就会为电流变液浇注管7中的电流变液输送电流，使之得电而展现电流变效应，增大电流变液刚度，形态接近固体，为塔筒整体增加刚度，减少振动的产生。电流变液浇注管7之间通过连接钢板8连接，且电流变液浇注管7和连接钢板8通过螺栓9与塔筒壁进行螺栓连接。
通过图5、图7、图8、图9可以看出：电流变液浇注管7之间通过连接钢板8、压紧钢圈13和压紧连接板14进行连接，电流变液浇注管7靠近塔筒的一侧外部粘贴有免胶钉，以辅助与塔筒内壁之间的安装和固定。电流变液浇注管7应套在压紧钢圈13的内部。具体连接方式为：压紧钢圈13为一环形钢件，具有一定的厚度，其厚度应为环形部分半径的四分之一，其一端伸出，上下两片为矩形的伸出钢片，其厚度应与环形部分的厚度相同。压紧钢圈13的纵向长度应为电流变液浇注管7纵向长度的十二分之一。压紧钢圈13的矩形突出部分，上下两片矩形突出板之间留有与下方突出矩形钢片厚度相同的中空部分，以方便压紧连接板14的安装和电流变液浇注管7在内部未填充电流变液的情况下的套入，此处的宽度应当随着最小可容许的电流变液浇注管7未浇筑状态可安装进入的宽度相适应。在压紧钢圈的下方矩形突出钢板部分，应带有厚度不超该突出钢板厚度的四分之一的矩形槽，以方便压紧钢板14的安装。在压紧钢圈13的两片矩形突出钢板的中部位置开设螺纹孔，通过单头螺柱进行连接钢板8、压紧钢圈13和压紧钢板14之间的安装。
所述压紧钢圈13的一侧外部应开有凹槽，以方便通过大容量锂电池通过导线连接电极10以对电流变液浇注管7内的电流变液施加电流。
所述压紧连接板14的一侧外部应开有与压紧钢圈13外部开设的相同的凹槽，以方便导线通过安置在压紧钢圈13上，进行通过大容量锂电池通过导线连接电极10以对电流变液浇注管7内的电流变液施加电流。
所述连接钢板8为一实心钢板，靠近塔筒的一侧，为了配合塔筒内部的几何外形，这一侧的连接钢板8应为带有弧度的几何外形，与之相对的另一侧则为一平面。连接钢板8的中心开设螺纹孔，并且此孔为一通孔，在塔筒的相应位置也应开设与之相同的螺纹孔，通过单头螺柱进行连接钢板8、压紧钢圈13和压紧连接板14的安装，此螺纹孔的口径和内螺纹类型应与压紧钢圈13和压紧连接板14相应位置开设的螺纹孔类型相同。连接钢板8的作用在于配合塔筒内径的几何外形，辅助压紧钢圈13和压紧连接板14的安装和定位。
通过图8和图9可以看出。压紧连接板14的形式为一半环形，其径向长度与压紧钢圈13上相应安装位置的径向长度相同。压紧连接板14中间为圆环形式，两侧各有两片突出的矩形钢板。所述压紧连接板14上的两侧突出的矩形钢板应与压紧钢圈13上的一侧突出的两片矩形钢板配合安装，并且突出矩形钢片上均开有螺纹通孔，螺纹孔的口径及内螺纹形式应与压紧钢圈13和连接钢板8上对应位置的螺纹孔形制相同。并且在压紧连接板14上中部圆环位置，靠近中部的两侧开有两个形制相同的螺纹通孔，通过单头螺柱与塔筒进行螺纹连接。
固定在电气板11上的电流传输装置与电流变液浇注管7内的各电极10通过导线相连。电流变液浇注管7管壁采用聚乙烯塑料，内部浇注有电流变液，本发明采用极性分子型电流变液，此种新型电流变液的屈服应力比传统电流变液大一个数量级以上，且屈服应力与外电场强度呈正比关系，而不是传统电流变液的二次方关系，适合风力机使用。各部分的连接关系如图4所示。
所选用的各部分连接线为：传感器数据线选用与传感器本身匹配的或传感器模块厂家自带数据线。PLC信号线选用可以正确传递信号的非自带数据线或PLC模块厂家自带数据线。振动传感器型号可以为欧姆龙D7F系列传感器。PLC型号可以为西门子S7-200型号，A/D模块与D/A模块选用西门子S7-200PLC匹配的模块，如EM235型号模块。所述大容量锂电池选用德力普24V65A型号电池。所述继电器可以选用施耐德RMS型继电器。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，包括振动传感器(6)、电流变液浇注管(7)和电气控制系统，其特征在于：
所述振动传感器(6)共有2～3只沿竖直方向分布而黏贴于风力机塔筒上部外表面上；所述电流变液浇注管(7)成栅栏状固定于风力机塔筒上部筒壁面上；
所述电气控制系统通过一个电气板(11)固定安装在风力机塔筒内；
所述振动传感器(6)通过电气控制系统电连接电流变液浇注管(7)；
当振动传感器(6)传输信号表明振动过大时，电气控制系统控制电流变液浇注管(7)接通电源，使电流变液浇注管(7)内的电流变液变性而刚度迅速增大，形态接近固态，以抵抗外部载荷，减少塔筒振动。
2.根据权利要求1所述的基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，其特征在于：所述电气控制系统包括一个A/D转换模块、一个可编程控制器PLC、一个D/A转换模块、一个继电器及其对应开关、一个大容量锂电池，还配备有经继电器对应开关接通电流变液浇注管(7)的电极。
3.根据权利要求2所述的基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，其特征在于：所述电流浇注管(7)中有内置的电极(10)与大容量锂电池之间通过导线导通，此时电极(10)就会为电流变液浇注管(7)中的电流变液输送电流，使之得电而展现电流变效应，增大电流变液刚度，形态接近固体，为叶片整体增加刚度，减少振动的产生。电流变液浇注管(7)之间通过一个连接钢板(8)连接，且电流变液浇注管(7)和连接钢板(8)通过螺栓(9)与塔筒壁进行螺栓连接。
4.根据权利要求3所述的基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，其特征在于：所述电流变液浇注管(7)之间通过所述连接钢板(8)、一个压紧钢圈(13)和压紧连接板(14)进行连接，电流变液浇注管(7)靠近塔筒的一侧外部粘贴有免胶钉，以辅助与塔筒内壁之间的安装和固定；电流变液浇注管(7)应套在压紧钢圈(13)的内部；具体连接方式为：压紧钢圈(13)为一环形钢件，具有一定的厚度，其厚度应为环形部分半径的四分之一，其一端伸出，上下两片为矩形的伸出钢片，其厚度应与环形部分的厚度相同。压紧钢圈(13)的纵向长度应为电流变液浇注管(7)纵向长度的十二分之一。压紧钢圈(13)的矩形突出部分，上下两片矩形突出板之间留有与下方突出矩形钢片厚度相同的中空部分，以方便压紧连接板(14)的安装和电流变液浇注管(7)在内部未填充电流变液的情况下的套入，此处的宽度应当随着最小可容许的电流变液浇注管(7)未浇筑状态可安装进入的宽度相适应。
5.根据权利要求4所述的基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，其特征在于：在压紧钢圈的下方矩形突出钢板部分，应带有厚度不超该突出钢板厚度的四分之一的矩形槽，以方便压紧钢板(14)的安装。在压紧钢圈(13)的两片矩形突出钢板的中部位置开设螺纹孔，通过单头螺柱进行连接钢板(8)、压紧钢圈(13)和压紧钢板(14)之间的安装。所述压紧钢圈(13)的一侧外部应开有凹槽，以方便通过大容量锂电池通过导线连接电极(10)以对电流变液浇注管(7)内的电流变液施加电流。
6.根据权利要求5所述的基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，其特征在于：所述压紧连接板(14)的一侧外部应开有与压紧钢圈(13)外部开设的相同的凹槽，以方便导线通过安置在压紧钢圈(13)上，进行通过大容量锂电池通过导线连接电极(10)以对电流变液浇注管(7)内的电流变液施加电流。
7.根据权利要求5所述的基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，其特征在于：所述连接钢板(8)为一实心钢板，靠近塔筒的一侧，为了配合塔筒内部的几何外形，这一侧的连接钢板(8)应为带有弧度的几何外形，与之相对的另一侧则为一平面。连接钢板(8)的中心开设螺纹孔，并且此孔为一通孔，在塔筒的相应位置也应开设与之相同的螺纹孔，通过单头螺柱进行连接钢板(8)、压紧钢圈(13)和压紧连接板(14)的安装，此螺纹孔的口径和内螺纹类型应与压紧钢圈(13)和压紧连接板(14)相应位置开设的螺纹孔类型相同。连接钢板(8)的作用在于配合塔筒内径的几何外形，辅助压紧钢圈(13)和压紧连接板(14)的安装和定位。
8.根据权利要求5所述的基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，其特征在于：压紧连接板(14)的形式为一半环形，其径向长度与压紧钢圈(13)上相应安装位置的径向长度相同；压紧连接板(14)中间为圆环形式，两侧各有两片突出的矩形钢板；所述压紧连接板(14)上的两侧突出的矩形钢板应与压紧钢圈(13)上的一侧突出的两片矩形钢板配合安装，并且突出矩形钢片上均开有螺纹通孔，螺纹孔的口径及内螺纹形式应与压紧钢圈(13)和连接钢板(8)上对应位置的螺纹孔形制相同。并且在压紧连接板(14)上中部圆环位置，靠近中部的两侧开有两个形制相同的螺纹通孔，通过单头螺柱与塔筒进行螺纹连接。
9.根据权利要求1所述的基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，其特征在于：固定在电气板(11)上的电流传输装置与电流变液浇注管(7)内的各电极(10)通过导线相连。电流变液浇注管(7)管壁采用聚乙烯塑料，内部浇注有电流变液，本发明采用极性分子型电流变液，此种新型电流变液的屈服应力比传统电流变液大一个数量级以上，且屈服应力与外电场强度呈正比关系，而不是传统电流变液的二次方关系，适合风力机使用。
10.根据权利要求5所述的基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，其特征在于：所述电流变液浇注管(7)，每一支电流变液浇注管(7)的管壁采用聚乙烯塑胶，由两条纵向管和四条横向管组成一个电流变液浇注管(7)。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114508462A (zh) * | 2022-01-13 | 2022-05-17 | 重庆大学 | 一种风电机组圆形塔筒减振器的安装装置及系统 |
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-
2020
- 2020-06-30 CN CN202010621967.7A patent/CN111852764A/zh active Pending
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