CN114809765A - 液位可调节的调谐液柱阻尼器和塔筒 - Google Patents

Abstract

本公开提供的液位可调节的调谐液柱阻尼器和塔筒，调谐液柱阻尼器包括：外壳，其内设有底板；内壳，其位于外壳内的底板上方，且与外壳同心设置，内壳远离底板的一端为敞口端，另一端为封闭端，在内壳与外壳之间以及内壳的封闭端与底板之间形成第一容纳腔，其内填充有工作液体，在内壳内形成第二容纳腔，其内填充有备用液体；均匀分布于外壳侧壁与内壳侧壁之间的若干隔板；布设在外壳侧壁上的振动传感器；连接于第一容纳腔和第二容纳腔之间，以调节两者液位差的液位调节单元；和用于控制振动传感器和液位调节单元的控制器。塔筒包括塔筒本体和调谐液柱阻尼器。受控结构的自振频率受环境因素和运行状况变化的影响，本公开可将阻尼器的自振频率实时调谐至受控结构的自振频率，实现多方向的调谐减振耗能。

Description

液位可调节的调谐液柱阻尼器和塔筒

技术领域

本公开属于振动控制技术领域，特别涉及一种液位可调节的调谐液柱阻尼器和具有该调谐液柱阻尼器的塔筒。

背景技术

深远海风力发电机组所处的环境具有海床地质条件特殊、水文气象环境、载荷情况和运行情况复杂多变的特点，其振动特性需要深入的理论分析、数值仿真和试验研究。气动载荷、波浪荷载、结构自重荷载的共同作用导致机组沿首尾方向和侧方向循环振动弯曲；台风作用、偏航情况下的机组振动很可能超过安全标准，以上因素显著影响着海上风电结构的工作状态和疲劳损伤，因此需要密切关注海上风机塔筒的结构安全。现有的风电振动控制技术基本为被动控制技术，即控制系统的参数不能实时调整。类似地，当通信塔、烟囱、导管架和高桩承台过渡段等处于复杂工作环境时也存在上述问题。

调谐液柱阻尼器(Tuned Liquid Column Damper，TLCD)通常为U型的矩形水箱，水箱中盛满液体，通过调节液体长度使得TLCD频率接近受控对象的频率，振动时依靠液体运动和边界层中的粘性作用导致的液体水头损失而实现消能。一般的TLCD只能控制结构单一方向的振动响应，而对风力发电机组影响最主要的风荷载、浪荷载、地震荷载等荷载的输入方向具有不确定性，因此无法实现风力发电机组的多方向减振耗能。另外，一般的TLCD采用被动控制策略，不能根据风力发电机组自振特性的变化动态改变调谐频率，从而导致控制效率的降低。

发明内容

本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本公开的一个目的在于提出一种具有半主动调节特性的调谐液柱阻尼器，可以随受控对象所处工作环境的不同，动态地调节液体阻尼器的自振频率。本公开第一方面实施例提供的液位可调节的调谐液柱阻尼器包括：

外壳，所述外壳内设有底板；

内壳，所述内壳位于所述外壳内的所述底板上方，且与所述外壳同心设置，所述内壳远离所述底板的一端为敞口端，所述内壳靠近所述底板的一端为封闭端，在所述内壳与所述外壳之间以及所述内壳的封闭端与所述底板之间形成第一容纳腔，所述第一容纳腔内填充有工作液体，在所述内壳内形成第二容纳腔，所述第二容纳腔内填充有备用液体；

若干隔板，若干所述隔板均匀分布于所述外壳的侧壁与所述内壳的侧壁之间，且所述隔板的两端分别与所述内壳的两端齐平；

振动传感器，所述振动传感器布设在所述外壳的侧壁上，用于获取受控结构的振动信号；

液位调节单元，所述液位调节单元连接于所述第一容纳腔和所述第二容纳腔之间，以调节两者的液位差；和

控制器，用于根据所述振动传感器获取的受控结构的振动信号识别受控结构的自振频率，以此控制所述液位调节单元，使所述第一容纳腔内工作液体的深度为相应值，从而改变所述调谐液柱阻尼器的调谐频率。

本公开第一方面实施例提供的液位可调节的调谐液柱阻尼器，具有以下特点及有益效果：

本公开第一方面实施例提供的液位可调节的调谐液柱阻尼器，通过外壳、底板、内壳、若干隔板、工作液体、备用液体、液位调节单元、振动传感器和控制器的设置，可实时识别具有圆形截面的空心结构的自振频率，并动态调整工作液体的液位深度，从而改变调谐液柱阻尼器的调谐频率。本公开实施例克服了被动型阻尼器不能适应环境和结构参数变化的缺点，利用半主动控制方法动态调整阻尼器的自振频率，实现高耸受控结构的半主动减振耗能，降低塔筒的疲劳荷载，延长结构的使用寿命，为保障受控构的安全运行提供理论和技术支持。

在一些实施例中，所述液位调节单元包括连接于所述第一容纳腔与所述第二容纳腔之间的管道，和设置在所述管道上的水泵，所述管道的两端应延伸至所述第一容纳腔和所述第二容纳腔的液位以下。

在一些实施例中，所述外壳和所述内壳均呈圆柱形。

在一些实施例中，所述内壳的侧壁与所述外壳的侧壁之间的净距为所述外壳内直径的10％～40％，所述内壳的封闭端至所述底板的垂直距离为所述底板直径的10％～40％。

在一些实施例中，所述工作液体与所述备用液体为同一种液体。

在一些实施例中，所述工作液体的质量为受控结构被控模态质量的0.5％～10％，所述备用液体的质量为所述工作液体的质量的10％～50％。

在一些实施例中，所述隔板的个数N为正偶数，且满足：4≤N≤12。

在一些实施例中，所述外壳、所述底板、所述内壳、所述隔板上与所述工作液体接触的部分，以及所述内壳上与所述备用液体接触的部分，分别覆盖耐腐蚀层。

在一些实施例中，所述调谐液柱阻尼器设置于所述受控结构上振动最为剧烈的位置处。

本公开第二方面实施例提供的塔筒，包括塔筒本体和根据本公开第一方面实施例任一项所述的调谐液柱阻尼器，其中，将所述塔筒本体作为所述调谐液柱阻尼器内的所述外壳。

附图说明

图1为本公开第一方面实施例提供的调谐液柱液柱阻尼器的三维结构示意图。

图2为本公开第一方面实施例提供的调谐液柱阻尼器的俯视图。

图3为图2所示调谐液柱阻尼器在A-A截面上的剖视图。

图中标号：

1—外壳；11—第一容纳腔；12—工作液体；2—底板；3—内壳；31—第二容纳腔；32—备用液体；4—隔板；5—振动传感器；6—液位调节单元；61—管道；62—水泵。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

参见图1～图3，本公开第一方面实施例提供的液位可调节的调谐液柱阻尼器，包括：

外壳1，外壳1内设有底板2；

内壳3，位于外壳1内的底板2上方，且与外壳1同心设置，内壳3远离底板2的一端为敞口端，内壳靠近底板2的一端为封闭端，在内壳3与外壳1之间以及内壳3的封闭端与底板2之间形成第一容纳腔11，第一容纳腔11内填充有工作液体12，在内壳3内形成第二容纳腔31，第二容纳腔31内填充有备用液体32；

若干隔板4，若干隔板4均匀分布于外壳1的侧壁与内壳3的侧壁之间，且隔板4的两端分别与内壳3的两端齐平；

振动传感器5，振动传感器5布设在外壳1的侧壁上，用于获取受控结构的振动信号；

液位调节单元6，连接于第一容纳腔11和第二容纳腔31之间，以调节两者的液位差；

控制器(该控制器在图中未示意出)，与振动传感器5和液位调节单元6连接，用于根据振动传感器5获取的受控结构的振动信号识别受控结构的自振频率，以此控制液位调节单元6，使工作液体12的深度为相应值，从而改变本调谐液柱阻尼器的调谐频率。

在一些实施例中，外壳1呈圆柱形，将外壳1设置在受控结构(指具有圆形截面的空心结构，如通信塔、烟囱、导管架、高桩承台过渡段和单桩桩顶等)的振动最为剧烈的位置处(一般为受控结构的顶部)，可以最大化工作液体12的振荡作用，从而产生最优的振荡回复力和阻尼力，以达到最优的减振控制效果。底板2呈圆形，底板2的直径与外壳1的内直径相同，将底板2固定在外壳1的内侧壁上。

在一些实施例中，内壳3呈圆柱形，内壳3的侧壁与外壳1的侧壁之间的净距根据初始时刻工作液体的质量12设置，一般控制在外壳1内直径的10％～40％。内壳3的封闭端至底板2的垂直距离根据工作液体的质量12设置，一般控制在底板2直径的10％～40％。

在一些实施例中，当受控结构受到外界荷载(如风荷载、浪荷载、地震荷载等)时，位于第一容纳腔11内的工作液体12随着受控结构的来回振动而振荡，工作液体12的振荡回复力和边界层中的粘性作用导致的阻尼力可降低受控结构的动力响应，改善受控结构的阻尼特性，实现受控结构的多方向减振，保证受控结构的长期安全运行。

在一些实施例中，工作液体12和备用液体32采用同一种液体，可采用纯净水、海水，或粘性液体，如油、甘油等。工作液体12的水平段填充于底板2和内壳3的封闭端之间，工作液体12的竖直段填充于外壳1内侧、底板2、内壳3外侧和隔板4之间；备用液体32填充于内壳3的内部。工作液体12的质量应为受控结构被控模态质量的0.5％～10％，在此范围内阻尼器具有较高的控制效率且阻尼器自重对受控结构的影响较小；备用液体32的质量为工作液体12的质量的10％～50％，在此范围内，备用液体32与工作液体12之间的液体交换能保证阻尼器有较宽的调谐频带。

在一些实施例中，设置在外壳1与内壳3的侧壁之间的隔板4的个数N应为正偶数，4≤N≤12。通过设置若干隔板4，将第一容纳腔11均分分隔为N个小的容纳腔，在采用具有圆形截面的外壳1的前提下，设置N个隔板4后，本质上可以看成是由多个对称布置的U型液柱阻尼器共同构成的整体呈圆环状的液柱阻尼器，由于圆环的形状在水平各方向上具有对称性，因此无论外界荷载从哪一个方向作用于受控结构，工作液体12均可以在荷载方向上来回振荡耗散能量，这实现了受控结构的多方向振动控制。

在一些实施例中，考虑到受到外界环境荷载、结构长期运行动力特性变化等因素的影响，受控结构的自振频率会随运行工况而动态变化，通过设置振动传感器5和液位调节单元6，保证本阻尼器的频率始终接近于受控结构的自振频率，从而避免了频率失调谐现象的发生。

进一步地，液位调节单元6包括连接于第一容纳腔11与第二容纳腔31之间的管道61，和设置在管道61上的水泵62，管道61的两端应延伸至第一容纳腔11和第二容纳腔31的液位以下。水泵62可采用自吸式离心泵，水泵的数量可设置一个或多个(本实施例中为一个)，水泵62的扬程、吸程和安装位置应保证工作液体12能经过管道61汇入备用液体32、且备用液体32能经过管道61汇入工作液体12，以此调节第一容纳腔11与第二容纳腔31之间的液位差。控制器控制振动传感器5按照一定频率采集受控结构的振动信号，实时分析得到受控结构的自振频率，根据该自振频率确定第一容纳腔11内工作液体12的液位高度变化量，将该液位高度变化量转化为水泵62的工作信号，由水泵62作出响应后，即可实现工作液体12的液位高度的调节，从而保证本阻尼器的频率始终接近于受控结构的自振频率。

进一步地，在外壳1的内侧壁上布置振动传感器5，采集受控结构水平方向的振动信号。

在一些实施例中，外壳1、底板2、内壳3、N个隔板4和管道61均由钢制成，且与工作液体12、备用液体32接触的部分覆盖耐腐蚀的保护层，例如矿物性油脂、油漆或耐腐蚀金属等。

在一个实施例中，将本公开实施例提供的液位可调节的调谐液柱阻尼器设置在风力发电机组的塔筒顶部，即接近机舱的位置，此时，调谐液柱阻尼器的外壳1替换为塔筒的筒体，即直接由塔筒的筒体作为外壳1。本实施例利用了风力发电机的塔筒的圆形截面，本质上可以看成是由多个对称布置的U型液柱阻尼器共同构成的整体呈圆环状液柱阻尼器，由于圆环的形状在水平各方向上具有对称性，因此无论外界荷载(如风荷载、浪荷载、地震荷载等)从哪一个方向作用于风力发电机组，工作液体12均可以在荷载方向上来回振荡耗散能量，这实现了风力发电机组的多方向振动控制。同时，受到流固耦合作用、基础冲刷作用、机组长期运行动力特性变化等因素的影响，海上风力发电机组的自振频率随运行工况而动态变化，根据振动传感器5识别的风力发电机组的自振频率，利用备用液体32、水泵62、管道61动态调节工作液体12的液位，使得阻尼器在各个方向上都始终处于调谐的状态，而不发生频率失调谐的现象。这克服了被动型阻尼器不能适应环境和结构参数变化的缺点，利用半主动控制方法动态调整阻尼器的自振频率，通过阻尼器的自适应性应对深海环境和机组振动状态的不确定性，实现高耸塔筒结构的半主动、多方向减振耗能，降低塔筒的疲劳荷载，延长使用寿命。阻尼器的质量选取原则是：工作液体12的质量为风力发电机组被控模态质量的0.5％～10％，备用液体32的质量为工作液体的质量的10％～50％。

本公开实施例提供的调谐液柱阻尼器的工作原理为：

通过振动传感器采集的信号实时识别受控结构的自振频率，当识别出来的结构自振频率高于阻尼器的调谐频率时，通过水泵将工作液体抽至备用液体中，从而减少工作液体的液位深度，提高阻尼器的调谐频率；相反地，当识别出来的受控结构的自振频率低于阻尼器的调谐频率时，通过水泵将备用液体抽至工作液体中，从而增加工作液体的液位深度，降低阻尼器的调谐频率。通过实时识别、动态调整的方法实现半主动控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种液位可调节的调谐液柱阻尼器，其特征在于，包括：

外壳(1)，所述外壳(1)内设有底板(2)；

内壳(3)，所述内壳(3)位于所述外壳(1)内的所述底板(2)上方，且与所述外壳(1)同心设置，所述内壳(3)远离所述底板(2)的一端为敞口端，所述内壳(3)靠近所述底板(2)的一端为封闭端，在所述内壳(3)与所述外壳(1)之间以及所述内壳(3)的封闭端与所述底板(2)之间形成第一容纳腔(11)，所述第一容纳腔(11)内填充有工作液体(12)，在所述内壳(3)内形成第二容纳腔(31)，所述第二容纳腔(31)内填充有备用液体(32)；

若干隔板(4)，若干所述隔板(4)均匀分布于所述外壳(1)的侧壁与所述内壳(3)的侧壁之间，且所述隔板(4)的两端分别与所述内壳(3)的两端齐平；

振动传感器(5)，所述振动传感器(5)布设在所述外壳(1)的侧壁上，用于获取受控结构的振动信号；

液位调节单元(6)，所述液位调节单元(6)连接于所述第一容纳腔(11)和所述第二容纳腔(31)之间，以调节两者的液位差；和

控制器，用于根据所述振动传感器(5)获取的受控结构的振动信号识别受控结构的自振频率，以此控制所述液位调节单元(6)，使所述第一容纳腔(11)内工作液体(12)的深度为相应值，从而改变所述调谐液柱阻尼器的调谐频率。

2.根据权利要求1所述的调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述液位调节单元(6)包括连接于所述第一容纳腔(11)与所述第二容纳腔(31)之间的管道(61)，和设置在所述管道(61)上的水泵(62)，所述管道(61)的两端应延伸至所述第一容纳腔(11)和所述第二容纳腔(31)的液位以下。

3.根据权利要求1所述的调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述外壳(1)和所述内壳(3)均呈圆柱形。

4.根据权利要求1所述的调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述内壳(3)的侧壁与所述外壳(1)的侧壁之间的净距为所述外壳(1)内直径的10％～40％，所述内壳(3)的封闭端至所述底板(2)的垂直距离为所述底板(2)直径的10％～40％。

5.根据权利要求1所述的调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述工作液体(12)与所述备用液体(32)为同一种液体。

6.根据权利要求1所述的调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述工作液体(12)的质量为受控结构被控模态质量的0.5％～10％，所述备用液体(32)的质量为所述工作液体(12)的质量的10％～50％。

7.根据权利要求1所述的调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述隔板(4)的个数N为正偶数，且满足：4≤N≤12。

8.根据权利要求1所述的调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述外壳(1)、所述底板(2)、所述内壳(3)、所述隔板(4)上与所述工作液体(12)接触的部分，以及所述内壳(3)上与所述备用液体(32)接触的部分，分别覆盖耐腐蚀层。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述调谐液柱阻尼器设置于所述受控结构上振动最为剧烈的位置处。

10.一种塔筒，其特征在于，包括塔筒本体和根据权利要求1～8中任一项所述的调谐液柱阻尼器，其中，将所述塔筒本体作为所述调谐液柱阻尼器内的所述外壳(1)。

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