CN113685485A - 一种双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索 - Google Patents

一种双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索。它包括上支架和下支架，上支架和下支架均为沿圆周方向均匀铰接于风力发电机风机塔筒同一横截面圆周面上数个向外平伸的支架；位于上支架之上的风机塔筒同一横截面圆周面上相对应位置固连有与支架相同数量的主索，每根主索由第一段主索、第二段主索和第三段主索组成；第一段主索上端与上支架之上的风机塔筒固连、下端连接上支架的外端部；第二段主索上端连接上支架的外端部、下端绕过下支架外端部的定滑轮后与上横梁连接；第三段主索上端连接下横梁、下端与风机塔筒的根部或风机基础相连；上横梁、下横梁之间并联安装复位弹簧和阻尼器。本发明减少了工程量，又大幅降低了成本。

Description

一种双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索
技术领域
本发明属于高耸柔性塔桅结构减振技术领域，具体涉及一种双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索。
背景技术
风力发电机塔筒、输电线塔、测风塔等高耸柔性塔桅结构在强风作用下可能因漩涡激励、脉动风、风叶飞舞、风叶对塔筒周期性遮挡、传动轴的偏心转动等引发结构的大幅振动，导致结构基础开裂、结构疲劳破坏等事故发生。
为了获取更大的风能转化功率，降低发电成本，实现在低风速的东部发达城市周边发电，风机塔筒的高度不断增长，塔筒大幅、多模态振动已成为塔筒高度增长最大的障碍。现有风机塔筒减振主要采用调谐减振，调谐减振的原理是在塔筒内通过弹簧和阻尼器连接一质量块，通过合理设计质量块的质量，弹簧刚度和阻尼器参数，使形成调谐质量阻尼器(TMD)，如图1所示。图1中，m为质量块的质量，k为弹簧刚度，c为阻尼器阻尼，M为主结构的质量，k1为主结构刚度，c1为主结构阻尼，F为结构所受到的风、流体等激励荷载的动力部分，F0为外激励的幅值，ω为外激励的频率，t为时间。
当塔筒发生大幅振动时，利用共振原理，即TMD的频率
Figure BDA0003249923960000011
与塔筒振动频率一致，使TMD发生大幅振动，利用TMD的惯性力平衡外加激励，从而抑制结构的振动。TMD的减振原理决定了其仅能对塔筒的单阶频率进行减振，当TMD本身的频率与结构振动频率偏离时，TMD的振幅迅速减小，导致其减振效果迅速下降。同时，随着结构振动频率的减小，惯性力迅速减小，可能难以平衡外加激励。高耸的塔筒不但具有极低的基频，同时会发生多阶频率的振动。
采用耗能阻尼器(包括各种流体阻尼器、摩擦阻尼器、橡胶阻尼器、金属阻尼器、电涡流阻尼器等耗能元件)减振的方式，由于阻尼器本身尺寸小，仅能安装在塔筒基础处，而塔筒振动主要表现为悬臂梁式振动，塔筒下部振动很小，波峰处于塔筒中、上段，仅能安装于塔筒临近基础位置的耗能阻尼器的效果无法发挥，因而目前耗能阻尼器无法抑制高耸塔桅结构的风致振动。
专利号为ZL201920120503.0的专利“陆上风力发电机塔筒减振阻尼索”，利用塔筒风致振动时与地面的振动位移，驱动耗能阻尼器消耗塔筒振动能量，从而抑制风机塔筒的振动。陆上风力发电机塔筒减振阻尼索结构如图2、图3所示。阻尼索一般沿塔筒按120°圆心角安装三套，抑制塔筒任意方向的振动。(其中，图2、图3中数字序号所表示的部件请参见该专利文件网上公开文本，且与本说明书附图中所标数字序号无关)。
陆上风力发电机塔筒减振阻尼索，需要利用塔筒风致振动时与地面的振动位移，驱动耗能阻尼器消耗塔筒振动能量。该方法需要在塔筒周围埋设锚固装置，占用周围土地，同时也大幅增加了施工量，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用塔筒风致振动时与地面的振动位移，驱动耗能阻尼器消耗塔筒振动能量的双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索。本发明不需要占用周围土地，并且利用自身结构进行锚固，既减少了工程量，又大幅降低了成本。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索，它包括上支架和下支架，所述上支架和下支架均为沿圆周方向均匀铰接于风力发电机的风机塔筒同一横截面圆周面上的数个向外平伸的支架；位于上支架之上的风机塔筒同一横截面圆周面上相对应位置固连有与支架相同数量的主索，每根主索由第一段主索、第二段主索和第三段主索组成；第一段主索的上端与所述上支架之上的风机塔筒固连、下端连接上支架的外端部；第二段主索的上端连接上支架的外端部、下端绕过下支架外端部的定滑轮后与上横梁连接；第三段主索的上端连接下横梁、下端与风机塔筒的根部或风机基础相连；所述上横梁、下横梁之间并联安装复位弹簧和阻尼器。
进一步的，在所述下支架之上、之下的风机塔筒同一横截面圆周面上相对应位置固连有与支架相同数量的斜拉索，斜拉索的外端部与下支架的外端部固连。
具体的，所述上支架和下支架均沿风机塔筒上均匀铰接有三个支架，相对应地主索安装有三套。
具体的，所述支架的形状为三角形，其底边与风机塔筒铰接，其顶角为其外端部，支架能上下转动。
本发明与现有技术相比，具有如下的创新点和有益效果：
(1)通过在塔桅结构上增加双层横向支架，及从支架外端分别向上、向下与结构间张拉拉索形成阻尼索基本结构；尽最大可能地利用塔桅结构的弯曲振动构造出总体长度大幅变化的阻尼索。
(2)利用拉索与复位弹簧的大刚度比，实现当塔桅结构弯曲振动时，复位弹簧发生较大变形，而拉索变形较小。
(3)利用复位弹簧的大变形，驱动阻尼器耗能减振。
(4)适当的预张力和阻尼器参数，可以保证主索总处于张紧状态。
(5)在塔桅结构上实现阻尼索的锚固，减少锚碇设置所带来的征地、锚碇施工。
附图说明
图1是现有技术中调谐质量阻尼器(TMD)的原理结构示意图。
图2是现有技术中陆上风力发电机塔筒减振阻尼索的结构示意图。
图3是图2中Ⅰ处的局部放大图。
图4是本发明双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索的结构示意图。
图5是图4中的A-A剖视图。
图6是图4中的B处局部放大图。
图7是本发明阻尼索的工作原理示意图。
图8是图7中Ⅱ处局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图4、图5、图6，本实施例的双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索，它包括上支架4和下支架5，从图5中可见，上支架4和下支架5均为沿圆周方向均匀铰接于风力发电机1的风机塔筒2同一横截面圆周面上的三个向外平伸的支架，支架的形状为三角形，其底边与风机塔筒2铰接，其顶角为其外端部，支架能上下转动。位于上支架4之上的风机塔筒2的同一横截面圆周面上相对应位置固连有与支架相同数量的三根主索，每根主索由第一段主索3-1、第二段主索3-2和第三段主索3-3组成；第一段主索3-1的上端与上支架4之上的风机塔筒2固连、下端连接上支架4的外端部；第二段主索3-2的上端连接上支架4的外端部、下端绕过下支架5外端部的定滑轮6后与上横梁8连接；第三段主索3-3的上端连接下横梁10、下端与风机塔筒2的根部或风机基础12相连；上横梁8、下横梁10之间并联安装复位弹簧7和阻尼器9，复位弹簧7的预张力实现阻尼索的张紧，阻尼索张力减小时复位弹簧7可压缩阻尼器9。在下支架5之上、之下的风机塔筒2同一横截面圆周面上与支架相对应位置固连有三根斜拉索11，斜拉索11的外端部与下支架5的外端部固连。
本发明的工作原理和工作过程如下：
通过张拉施加拉力，使得三段主索及复位弹簧处于张紧状态。为了描述方便，以图4中右边阻尼索为例描述，并且主索刚度远大于复位弹簧刚度，主索的伸长与缩短量远小于复位弹簧变形量，以下假定主索、支架长度不变。
参见图7、图8，当塔筒发生弯曲振动时，假定塔筒向右弯曲，从图7中实线变到虚线位(D点位移小，已忽略)，第一段主索3-1上锚固端B1和上支架A1右移并转动，三角形A1B1C1变到三角形A2B2C2，上支架右端部从C1变动至C2，其x方向位移C1-C，y方向位移C-C2，将x，y方向位移投影至C1-D上，可得到主索从C1-D变到C2-D时，缩短量近似为C-C2，主索B2C2段、OD段变形量小，因此，主索变形量为C-C2，即上支架的转角与支架长度的乘积。
主索本身刚度大，变形量小，预张拉的复位弹簧刚度小，变形量大，其缩短量近似为C-C2，压缩阻尼器，阻尼器耗能。
假定塔筒向左弯曲，同样的分析可知，C1-D段主索距离增大，主索本身刚度大，变形量小，复位弹簧被拉伸，其刚度小，变形量大，拉伸阻尼器，阻尼器耗能。
以上是本发明双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索的一个具体实施例，本发明亦可应用于水上风机塔筒的减振。本发明除上述实施例的实施方式之外，还可以有别的类似方式或等同变换或延展增强方式，因此，可能的改变有：
(1)阻尼索采用多套，阻尼索上锚固端安装在不同高度处，下锚固端安装在塔桅结构、基础或地面等不同位置。
(2)增加副索，减小主索张力也同样对塔筒有减振效果。
(3)采用多根副索方式。
(4)下锚固端安装在基础或地面时，下支架可以省去。
(5)上横梁与下横梁主要作用是实现阻尼器与复位弹簧的并联，可以改为其它可实现此功能的连接装置。
(6)阻尼器、复位弹簧及两端横梁可以连接在阻尼索的任意位置，也可以在塔筒或地面安装滑轮转变阻尼索方向后沿任意方向安装。

Claims (4)

1.一种双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索，其特征在于：它包括上支架和下支架，所述上支架和下支架均为沿圆周方向均匀铰接于风力发电机的风机塔筒同一横截面圆周面上的数个向外平伸的支架；位于上支架之上的风机塔筒同一横截面圆周面上相对应位置固连有与支架相同数量的主索，每根主索由第一段主索、第二段主索和第三段主索组成；第一段主索的上端与所述上支架之上的风机塔筒固连、下端连接上支架的外端部；第二段主索的上端连接上支架的外端部、下端绕过下支架外端部的定滑轮后与上横梁连接；第三段主索的上端连接下横梁、下端与风机塔筒的根部或风机基础相连；所述上横梁、下横梁之间并联安装复位弹簧和阻尼器。
2.根据权利要求1所述双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索，其特征在于：在所述下支架之上、之下的风机塔筒同一横截面圆周面上相对应位置固连有与支架相同数量的斜拉索，斜拉索的外端部与下支架的外端部固连。
3.根据权利要求1所述双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索，其特征在于：所述上支架和下支架均沿风机塔筒上均匀铰接有三个支架，相对应地主索安装有三套。
4.根据权利要求1所述双层悬臂支撑自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索，其特征在于：所述支架的形状为三角形，其底边与风机塔筒铰接，其顶角为其外端部，支架能上下转动。
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