CN113623140A - 一种风机的涡激振动抑制装置及风机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种风机的涡激振动抑制装置及风机。其中，风机的涡激振动抑制装置，包括扰流阻尼线路，扰流阻尼线路沿塔筒的高度方向设置在塔筒的外侧，布置在扰流阻尼线路的阻尼器中盛装有液体。通过在塔筒的外侧设置扰流阻尼线路，可以干扰塔筒两侧形成的周期性涡脱落，继而从空气动力学的角度来抑制涡振的产生，避免了塔筒发生振动被破坏。同时，扰流阻尼线路中的液体晃动，对塔筒的振动提供阻尼力并且吸收振动能量，从而限制了塔筒的振动幅度，进而加强了扰流阻尼线路的效果。由此，扰流阻尼线路既可以对涡振的产生进行预防，同时又可以吸收振动能量来抑制塔筒的晃动，显著提高了塔筒的稳定性。

Description

一种风机的涡激振动抑制装置及风机
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种风机的涡激振动抑制装置及风机。
背景技术
从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。这种交替发生的旋涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体(管体)的周期性振动，这种规律性的柱振动反过来又会改变其尾流的旋涡发生形态。这种流体与结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”。在风电场，风力发电机组吊装时，假若塔筒的固有频率与漩涡的发生频率相接近，就会产生共振使塔筒发生破坏，存在一定安全隐患。同时，对于已经吊装完毕的风机，在停机状态下，依然有发生涡激振动的可能，尤其对高柔塔筒而言，其固有频率较低，有很大的可能会发生涡激振动。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种风机的涡激振动抑制装置，包括扰流阻尼线路，所述扰流阻尼线路沿风机的塔筒的高度方向设置在所述塔筒的外侧，所述扰流阻尼线路用于盛装有液体。
可选地，所述扰流阻尼线路包括多个阻尼器，多个所述阻尼器沿所述塔筒的高度方向依次设置在所述塔筒的外侧，所述阻尼器内盛装有液体。
可选地，所述扰流阻尼线路还包括连接管路，相邻两个所述阻尼器之间设置有连接管路进行连通。
可选地，所述阻尼器上开设有出水口和进水口，所述出水口高于或齐平于所述进水口。
可选地，相邻两个所述阻尼器之间，上方的所述阻尼器的所述出水口与下方的所述阻尼器的所述进水口通过所述连接管路连通。
可选地，所述风机的涡激振动抑制装置还包括蓄水箱、水泵以及输水管路，所述蓄水箱、所述水泵以及所述输水管路依次连通，所述输水管路与所述扰流阻尼线路连通。
可选地，所述阻尼器上设置有气阀。
可选地，所述扰流阻尼线路呈螺旋状设置在所述塔筒的外侧。
本发明的技术效果：通过在塔筒的外侧设置扰流阻尼线路，扰流阻尼线路可以干扰塔筒两侧形成的周期性涡脱落，继而从空气动力学的角度抑制了涡振的产生，避免了塔筒发生振动被破坏。同时，扰流阻尼线路中的液体晃动，对塔筒的振动提供阻尼力并且吸收振动能量，从而限制了塔筒的振动幅度。由此，扰流阻尼线路既可以对涡振的产生进行预防，同时又可以在吸收塔筒的振动能量来抑制塔筒的晃动，显著提高了塔筒的稳定性。
本发明还提供了一种风机，包括如上述所述的风机的涡激振动抑制装置。
可选地，所述风机还包括塔筒，所述风机的涡激振动抑制装置的扰流阻尼线路设置有多条，且多条所述风机的涡激振动抑制装置的扰流阻尼线路设置在所述塔筒的上端外侧和/或中部外侧。
本发明的技术效果：通过对塔筒进行模态分析，确定塔筒一阶振型和二阶振型中振幅最大的区域，分别作为塔筒的一阶振动抑制区和二阶振动抑制区，在一阶振动抑制区(塔筒上端)和二阶振动抑制区(塔筒中部)内设置扰流阻尼线路。对于一阶振动抑制区的扰流阻尼线路，其阻尼器的液晃频率与塔筒一阶固有频率接近或相同；对于二阶振动抑制区的扰流阻尼线路，其阻尼器的液晃频率与塔筒二阶固有频率接近或相同。一方面，可以对塔筒的一阶振动和二阶振动能量进行吸收，保证了风机的涡激振动抑制装置的吸振效果，另一方面，扰流阻尼线路仅设置一阶振动抑制区和二阶振动抑制区内，减轻了塔筒的负载，提升了塔筒的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的风机的结构示意图；
图2为本发明实施例的风机的涡激振动抑制装置的部分结构示意图；
图3为本发明实施例的相邻两个阻尼器的结构示意图。
附图标记：
1、扰流阻尼线路；11、阻尼器；111、出水口；112、进水口；113、气阀；12、连接管路；2、塔筒；21、一阶振动抑制区；22、二阶振动抑制区；3、蓄水箱；4、水泵；5、输水管路。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂。
而且，虽然在本公开中参照了特定的实施例来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种风机的涡激振动抑制装置，包括扰流阻尼线路1，扰流阻尼线路1沿风机的塔筒2的高度方向设置在塔筒2的外侧，扰流阻尼线路1用于盛装有液体。具体地，液体可以设置为水。
当风以恒定速度穿过塔筒2时，塔筒2的两侧交替地产生脱离塔筒2表面的旋涡，当塔筒2的固有频率与漩涡的发生频率相接近，就会产生共振使塔筒2发生破坏。
在本实时例中，在塔筒2的外侧设置扰流阻尼线路1，当风以恒定速度穿过塔筒2时，塔筒2上设置有扰流阻尼线路1的一侧产生脱离塔筒2表面的漩涡，塔筒2的另一侧不产生脱离塔筒2表面的漩涡，由此，可以避免两侧形成周期性的涡脱落，从根源上抑制了涡振发生，避免产生共振使塔筒2发生破坏。同时，在扰流阻尼线路1内设置液体，当塔筒2在外力的作用下晃动时，一方面，液体可以产生阻尼力抑制塔筒2晃动，另一方面，液体可以对塔筒2的振动进行吸收，从而使扰流阻尼线路1起到调谐减振的作用。
综上，通过在塔筒2的外侧设置扰流阻尼线路1，扰流阻尼线路1可以干扰塔筒2两侧形成的周期性涡脱落，继而从空气动力学的角度抑制了涡振的产生，避免了塔筒2发生振动被破坏。同时，扰流阻尼线路1中的液体晃动，对塔筒2的振动提供阻尼力并且吸收振动能量，从而限制了塔筒2的振动幅度。由此，扰流阻尼线路1既可以对涡振的产生进行预防，同时又可以在吸收塔筒2的振动能量来抑制塔筒2的晃动，显著提高了塔筒2的稳定性。
可选地，如图2所示，扰流阻尼线路1包括多个阻尼器11，多个阻尼器11沿塔筒2的高度方向依次设置在塔筒2的外侧，阻尼器11内盛装有液体。
具体地，扰流阻尼线路1包括多个阻尼器11，可以将多个阻尼器11有序或散乱分布在塔筒2的外侧。并确保当风以恒定速度吹过塔筒2时，塔筒2的一侧设置有阻尼器11，另一侧则没有设置阻尼器11。由此可以避免在塔筒2两侧形成周期性的涡脱落，进一步从根源上抑制涡振发生，避免产生共振使塔筒2发生破坏。
在本实施例中，将扰流阻尼线路1设置为多个阻尼器11，当风以恒定速度吹过塔筒2时，可以避免在塔筒2两侧形成周期性的涡脱落，进一步从根源上抑制涡振发生，避免产生共振使塔筒2发生破坏。同时，在阻尼器11内盛装液体，可以吸收塔筒2的振动，并抑制塔筒2晃动。由此，保证了扰流阻尼线路1的作用效果。此外，当一阶振动抑制区21和二阶振动抑制区22内均设置有多条扰流阻尼线路1时，每条扰流阻尼线路1内的阻尼器11数量和位置均可以根据实际情况进行设置。
可选地，多个阻尼器11的规格相同，且多个阻尼器11内液体的预设液位相同。具体地，液体的液位，即阻尼器11内液体在阻尼器11内的高度，而液体的预设液位，即阻尼器11内液体在阻尼器11内需要设置的高度。
以一阶振动抑制区21为例，阻尼器11对塔筒2进行吸振效果达到最佳时，需要使一阶振动抑制区21的阻尼器11的固有频率与塔筒2的一阶固有频率保持一致。同理，以二阶振动抑制区22为例，阻尼器11对塔筒2进行吸振效果达到最佳时，需要使二阶振动抑制区22的阻尼器11的固有频率与塔筒2的二阶固有频率保持一致。而阻尼器11的固有频率和阻尼器11内液体的液位有关，因此可以通过调节阻尼器11内液体的液位控制阻尼器11的固有频率。
在本实施例中，一阶振动抑制区21内设置有多个阻尼器11，当多个阻尼器11的固有频率均与塔筒2的一阶固有频率保持一致时，阻尼器11对塔筒2的吸振效果最佳。通过在一阶振动抑制区21中阻尼器11内设置液体的预设液位，即当一阶振动抑制区21内阻尼器11内的液体达到液体的预设液位时，一阶振动抑制区21内阻尼器11的固有频率与塔筒2的一阶固有频率保持一致。同理，通过在二阶振动抑制区22内阻尼器11内设置液体的预设液位，即当二阶振动抑制区22内阻尼器11内的液体达到液体的预设液位时，二阶振动抑制区22内阻尼器11的固有频率与塔筒2的二阶固有频率保持一致。
可选地，如图3所示，阻尼器11上开设有出水口111和进水口112，出水口111高于或齐平于进水口112。具体地，进水口112位于阻尼器11的下端，出水口111位于阻尼器11的上端，阻尼器11的出水口111与阻尼器11内液体的预设液位等高。
在本实施例中，将出水口111设置为与阻尼器11内液体的预设液位等高，由此，向阻尼器11内注入液体时，可以控制阻尼器11的液位保持在与出水口111等同的高度，即使阻尼器11的液体的高度保持在预设液位，从而保证一阶振动抑制区21内阻尼器11的固有频率与塔筒2一阶固有频率一致，二阶振动抑制区22内阻尼器11的固有频率与塔筒2二阶固有频率一致。
可选地，如图3所示，相邻两个所述阻尼器11之间，上方的所述阻尼器11的所述出水口111与下方的所述阻尼器11的所述进水口112通过所述连接管路12连通。
需要在阻尼器11内注入液体，以利用液体吸收塔筒2的振动。由于扰流阻尼线路1包括多个阻尼器11，因此需要向多个阻尼器11注入液体，而对每个阻尼器11依次注入液体的过程较为繁琐。
在本实施例中，设置连接管路12，将相邻两个阻尼器11使用连接管路12进行连通，即可以利用连接管路12将扰流阻尼线路1内的多个阻尼器11进行连通。由此，向一个上方的阻尼器11内注入液体时，当上方的阻尼器11内的液位高于出水口111时，在重力的影响下，上方的阻尼器11内的液体从出水口111流入到连接管路12内，并由连接管路12流入相邻的且位于下方的阻尼器11的进水口112内，最后由下方的阻尼器11的进水口112流入下方的阻尼器11内，直至多个阻尼器11内的液体均达到液体的预设液位。综上，无需单独对每个阻尼器11注入液体，简化了注入液体的过程。
可选地，如图1所示，风机的涡激振动抑制装置还包括蓄水箱3、水泵4以及输水管路5，蓄水箱3、水泵4以及输水管路5依次连通，输水管路5与扰流阻尼线路1连通。具体地，输水管路5与扰流阻尼线路1内顶端的阻尼器11连通。
由于阻尼器11的液位与阻尼器11的固有频率有关，当阻尼器11内的液体蒸发导致液位下降时，阻尼器11的固有频率发生变化。由此，阻尼器11的固有频率和塔筒2的固有频率不一致，阻尼器11的吸振能力减弱。
在本实施例中，将输水管路5与扰流阻尼线路1内顶端的阻尼器11连通，启动水泵4将蓄水箱3内的液体吸收到顶端的阻尼器11内；在重力的作用下，液体从顶端的阻尼器11的出水口111流出，并从下方的阻尼器11的进水口112流入，直至流入到用液体蒸发的阻尼器11内。通过输水管路5对阻尼器11内的液体进行补充，可以维持阻尼器11的固有频率和塔筒2的固有频率保持一致，从而保证阻尼器11的吸振效果。其中，输水管路5包括两条支路，一条支路与一阶振动抑制区21中扰流阻尼线路1内顶端的阻尼器11连通，另一支路与二阶振动抑制区22中扰流阻尼线路1内顶端的阻尼器11连通。
同时，当需要对阻尼器11内的液体进行抽出时，启动水泵4反向运转，相邻两个阻尼器11之间，液体从下方的阻尼器11的进水口112流入上方的阻尼器11的出水口111，直至流入扰流阻尼线路1中顶端的阻尼器11中；并通过输水管路5将顶端的阻尼器11内的液体吸收到蓄水箱3中。从而可以快速对阻尼器11内的液体进行抽出。
可选地，如图3所示，阻尼器11上设置有气阀113。具体地，气阀113设置在阻尼器11的顶端。
在本实施例中，启动水泵4反向吸水，将阻尼器11内的液体吸收到蓄水箱3中。当使用输水管路5将液体注入到阻尼器11内时，打开阻尼器11中的气阀113，液体注入时，阻尼器11内的气体从阻尼器11的气阀113排出，可以防止阻尼器11内的气体对液体注入的过程产生阻碍，从而便于注入液体。同时，当使用输水管路5将液体从阻尼器11内抽出时，将气阀113关闭，多个由高至低设置的阻尼器11内部逐渐产生负压，即在相邻两个阻尼器11之间，便于将下方的阻尼器11内的液体吸收到上方的阻尼器11内，直至将液体吸收到顶端的阻尼器11内，并最终通过输水管路5将液体吸收到蓄水箱3内。其中，气阀113优选为单向阀，这样可以根据内外气压自动启闭。
可选地，如图2所示，扰流阻尼线路1呈螺旋状设置在塔筒2的外侧，即多个阻尼器11呈螺旋状分布在塔筒2的外侧。具体地，相邻阻尼器11之间的螺距可以根据实际情况进行设置。
在本实施例中，通过将多个阻尼器11螺旋设置在塔筒2的外侧，当风以恒定速度从塔筒2的任意角度吹过塔筒2时，塔筒2的一侧均会有一个阻尼器11，塔筒2的另一侧则没有阻尼器11。由此可以最大限度地避免塔筒2两侧形成周期性的涡脱落，进一步从根源上抑制涡振发生，避免产生共振使塔筒2发生破坏。
需要注意的是，各阻尼器11也可以呈非对称布置方式等其他布置方式，只要能满足阻尼减震的需求即可。
本发明另一实施例提供了一种风机，包括如上述的风机的涡激振动抑制装置。
在本实施例中，该风机包括风机的涡激振动抑制装置，与该风机的风机涡激振动抑制装置的作用效果相同，因此不再赘述。
可选地，本发明另一实施例的风机还包括塔筒2，风机的涡激振动抑制装置的扰流阻尼线路1设置有多条，且多条风机的涡激振动抑制装置的扰流阻尼线路1设置在塔筒2的上端外侧和/或中部外侧。
具体地，塔筒2的外侧设置有抑制区，抑制区为塔筒2的涡振幅度最大的区域，扰流阻尼线路1设置在抑制区内。如图1所示，抑制区包括一阶振动抑制区21和二阶振动抑制区22，一阶振动抑制区21为塔筒2的一阶涡振幅度最大的区域，其位于塔筒2的上端；二阶振动抑制区22为塔筒2的二阶涡振幅度最大的区域，其位于塔筒2的中部。在一阶振动抑制区21设置一条或多条扰流阻尼线路1，一阶振动抑制区21内的扰流阻尼线路1的固有频率与塔筒2的一阶固有频率一致；在二阶振动抑制区22内也设置一条或多条扰流阻尼线路1，二阶振动抑制区22内的扰流阻尼线路1的固有频率与塔筒2的二阶固有频率一致。此外，现有的风机在使用中，塔筒2上难以出现三阶及三阶以上的涡振，因此在实际情况中可以暂不考虑消除三阶及其以上的涡振对塔筒2的影响问题。
在本实施例中，对于某一型号的塔筒2，通过模态分析确定其振型后，可以确定该塔筒2的一阶涡振幅度最大的区域，即一阶振动抑制区21和确定该塔筒2的二阶涡振幅度最大的区域，即二阶振动抑制区22。在一阶振动抑制区21内设置扰流阻尼线路1，并将该扰流阻尼线路1的固有频率设置为与塔筒2的一阶固有频率一致，使该扰流阻尼线路1吸收塔筒2的一阶涡振。同时，在二阶振动抑制区22内设置扰流阻尼线路1，并将该扰流阻尼线路1的固有频率设置为与塔筒2的二阶固有频率一致，使该扰流阻尼线路1吸收塔筒2的二阶涡振。此外，在一阶振动抑制区21和二阶振动抑制区22内均可设置多条扰流阻尼线路1，从而提升风机的涡激振动抑制装置的对塔筒2的吸振效果。
综上，对塔筒2进行模态分析，确定塔筒2的一阶振型和二阶振型中振幅最大的区域，分别作为塔筒2的一阶振动抑制区21和二阶振动抑制区22，在一阶振动抑制区21(塔筒2上端)和二阶振动抑制区22(塔筒2中部)内设置扰流阻尼线路1。对于一阶振动抑制区21的扰流阻尼线路1，其阻尼器11的液晃频率与塔筒2的一阶固有频率接近或相同；对于二阶振动抑制区22的扰流阻尼线路1，其阻尼器11的液晃频率与塔筒2二阶固有频率接近或相同。由此，一方面，可以对塔筒2的一阶振动和二阶振动均进行吸收，保证了风机的涡激振动抑制装置的吸振效果，另一方面，扰流阻尼线路1仅设置一阶振动抑制区21和二阶振动抑制区22内，减轻了塔筒2的负载，提升了塔筒2的稳定性。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风机的涡激振动抑制装置，其特征在于，包括扰流阻尼线路(1)，所述扰流阻尼线路(1)沿风机的塔筒(2)的高度方向设置在所述塔筒(2)的外侧，所述扰流阻尼线路(1)用于盛装液体。
2.如权利要求1所述的风机的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述扰流阻尼线路(1)包括多个阻尼器(11)，多个所述阻尼器(11)沿所述塔筒(2)的高度方向依次设置在所述塔筒(2)的外侧，所述阻尼器(11)内用于盛装液体。
3.如权利要求2所述的风机的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述扰流阻尼线路(1)还包括连接管路(12)，相邻两个所述阻尼器(11)之间设置有连接管路(12)进行连通。
4.如权利要求3所述风机的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述阻尼器(11)上开设有出水口(111)和进水口(112)，所述出水口(111)高于或齐平于所述进水口(112)。
5.如权利要求4所述风机的涡激振动抑制装置，其特征在于，相邻两个所述阻尼器(11)之间，上方的所述阻尼器(11)的所述出水口(111)与下方的所述阻尼器(11)的所述进水口(112)通过所述连接管路(12)连通。
6.如权利要求1所述的风机的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述风机的涡激振动抑制装置还包括蓄水箱(3)、水泵(4)以及输水管路(5)，所述蓄水箱(3)、所述水泵(4)以及所述输水管路(5)依次连通，所述输水管路(5)与所述扰流阻尼线路(1)连通。
7.如权利要求2所述的风机的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述阻尼器(11)上设置有气阀(113)。
8.如权利要求2所述的风机的涡激振动抑制装置，其特征在于，所述扰流阻尼线路(1)呈螺旋状设置在所述塔筒(2)的外侧。
9.一种风机，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的风机的涡激振动抑制装置。
10.如权利要求9所述的风机，其特征在于，还包括塔筒(2)，所述风机的涡激振动抑制装置的扰流阻尼线路(1)设置有多条，且多条所述风机的涡激振动抑制装置的扰流阻尼线路(1)设置在所述塔筒(2)的上端外侧和/或中部外侧。
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