CN115539560A - 一种风机叶片减振系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风机叶片减振系统，包括多个减震装置，多个减震装置沿垂直于叶片弦向的方向均匀布置于叶片内部；每个减震装置包括两个电磁阻尼单元、两个传动单元和一个调谐质量阻尼器单元，其中一个电磁阻尼单元设于叶片叶尖的前缘位置处，另一个设于叶片叶尖的PS面或SS面位置处，两个传动单元的一端分别与两个电磁阻尼单元连接，所述调谐质量阻尼器单元设于叶片叶中位置处，并位于叶片的两腹板之间，其包括双层阻尼结构，该双层阻尼结构分别与两个传动单元的另一端连接。本发明能够有效解决风机叶片摆振和挥舞方向振幅大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及可再生新能源风力发电机叶片的技术领域，尤其是指一种风机叶片减振系统。
背景技术
随着风电机组日益大型化，其面临的问题也越来越多，特别是展长比较大的叶片，当在来流风的作用下，由于叶片存在较大的柔性，特别是摆振和挥舞方向会出现大幅振动。在实际风场中，如果叶片长时间处于大幅振动状态，很可能会产生屈曲变形而遭受疲劳破坏，这就是所说的气弹失稳。气弹失稳往往是我们所说的经典颤振和失速颤振。经典颤振往往是在扭转和挥舞的共同作用下产生的一种发散、自激不稳定的振动形式。这种情况的振动流体属于附着状态，并不会产生流动分离。它的发生往往是由于流体力与叶片的变形位移之间存在相位差导致的，从而进一步从流体中汲取更多能量，导致叶片振动发散。而失速颤振发生时往往会产生严重的气流分离并伴随着强烈的漩涡波动，通常情况下失速颤振的发生往往是由于风力机叶片升力系统处于失速攻角附近，从而引发严重的气弹失稳现象。与失速颤振相比，经典颤振表现的振动响应会更加强烈，它的发生通常与叶片的弯扭耦合效应息息相关，是由于触发了叶片的一阶摆振频率而导致的摆振、挥舞、扭转的耦合作用。因此，无论从何种意义上来说，气弹失稳都会导致风力机叶片产生严重的问题，故如何解决振动发散成为了人们研究的热点问题。
在实际生活中，通常我们采取的减振方法分为主动和被动两种控制策略。主动控制通常包括所说的气动剪裁、调整叶片气动外形等来减小叶片振动。气动剪裁即利用复合材料改变叶片的固有振动特性以及利用叶片的变形改变叶片的气动特性，从而实现叶片抑振。而气动外形的改变通常是通过调整合适的扭角、相对厚度、弦长分布来实现在大迎角下叶片的失速延迟。被动控制则是通过在风力气动外形上做出修改，包括增加涡流发生器、尾缘襟翼等实现延迟流动分离的效果，可以在某种程度上减小振动。无论主动控制还是被动控制，都需要较长的研发和实验周期，比如气动外形的改变就需要通过仿真、风洞实验等的验证，而相比这些方法，还可以通过动力学减振系统实现更加高效快速的降载。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风机叶片减振系统，能够有效解决风机叶片摆振和挥舞方向振幅大的问题，通过在叶片内部增加多个减振装置，有效减小叶尖摆振和挥舞方向的振幅。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风机叶片减振系统，包括多个减震装置，多个减震装置沿垂直于叶片弦向的方向均匀布置于叶片内部；每个减震装置包括两个电磁阻尼单元、两个传动单元和一个调谐质量阻尼器单元，两个电磁阻尼单元分别为第一电磁阻尼单元和第二电磁阻尼单元，所述第一电磁阻尼单元设于叶片叶尖的前缘位置处，所述第二电磁阻尼单元设于叶片叶尖的PS面或SS面位置处，通过两个电磁阻尼单元内的金属滑块在惯性力作用下滑动，并带动其内的金属线圈在磁场中作切割磁感线运动，使得一部分来自叶尖摆振、挥舞的振动能量以热能形式耗散，两个传动单元分别为第一传动单元和第二传动单元，所述第一传动单元和第二传动单元的一端分别与第一电磁阻尼单元和第二电磁阻尼单元连接，所述调谐质量阻尼器单元设于叶片叶中位置处，并位于叶片的两腹板之间，其包括双层阻尼结构，该双层阻尼结构分别与第一传动单元和第二传动单元的另一端连接，通过两个传动单元分别将另一部分来自叶尖摆振的振动能量和来自叶尖挥舞的振动能量传递至双层阻尼结构上并消散，从而实现减小叶片振动的目的。
进一步，所述电磁阻尼单元包括连接底座、N磁极、S磁极、金属固定块、金属滑块、金属线圈和第一弹簧，所述连接底座固定于叶尖的前缘、PS面或SS面位置处，其上形成有用于安装N磁极、S磁极、金属固定块、金属滑块、金属线圈和第一弹簧的凹槽，所述N磁极和S磁极分别固定于凹槽的内部两侧，所述金属固定块固定于凹槽槽底，并位于N磁极和S磁极之间，所述金属滑块滑动安装于凹槽槽口，并位于N磁极和S磁极之间，其与第一传动单元或第二传动单元连接，所述金属线圈设于N磁极和S磁极之间，并位于金属滑块和金属固定块之间，其两端分别与金属固定块和金属滑块采用第一弹簧连接。
进一步，所述第一弹簧为波形弹簧、环形弹簧或蝶形弹簧。
进一步，所述调谐质量阻尼器单元包括第一金属固定板、第二固定板、第三固定板、第一质量块、第二质量块、隔板、第一金属固定座、第二金属固定座、第三金属固定座、第二弹簧、第一金属滑块、第二金属滑块、第一金属板和第二金属板，所述第一金属固定板固定于叶片的两腹板之间，所述第二固定板和第三固定板的一端分别与第一金属固定板的上部和下部垂直连接，另一端分别朝向叶尖方向，并分别通过第一金属固定座和第三金属固定座固定在两腹板之间，所述第二固定板和第三固定板的两个相对的侧面上分别形成有供第一质量块和第二质量块滑动的U型滑道，所述第一质量块和第二质量块之间通过隔板隔开，所述隔板的两端分别通过第一金属固定板和第二金属固定座固定在两腹板之间，且所述第二金属固定座位于第一金属固定座和第三金属固定座之间，所述第一质量块和第二质量块的一端分别通过多个第二弹簧与第一金属固定板连接，另一端分别通过多个第二弹簧与第一金属滑块和第二金属滑块连接；所述第一金属固定座的底面和第二金属固定座的顶面上设有两个彼此平行设置的第一金属板，两个第一金属板相对的侧面上形成有供第一金属滑块滑动的滑道，所述第二金属固定座的底面和第三金属固定座的顶面上设有两个彼此平行设置的第二金属板，两个第二金属板相对的侧面上形成有供第二金属滑块滑动的滑道，所述第一金属滑块通过第一传动单元与第一电磁阻尼单元连接，由第一质量块、第一金属滑块和相应的第二弹簧形成用于消散来自叶尖摆振振动能量的第一层阻尼结构，所述第二金属滑块通过第二传动单元与第二电磁阻尼单元连接，由第二质量块、第二金属滑块和相应的第二弹簧形成用于消散来自叶尖挥舞振动能量的第二层阻尼结构。
进一步，所述第二弹簧为波形弹簧、环形弹簧或蝶形弹簧。
进一步，所述第一质量块和第二质量块均为金属结构或磁性体结构。
进一步，所述第二固定板和第三固定板均为金属结构或磁性体结构。
进一步，所述传动单元包括滑轮支架、滑轮和钢丝绳，所述滑轮支架沿垂直于叶片弦向的方向固定于叶片内部，并位于叶中和叶尖之间，所述滑轮支架上滑动安装有一个滑轮，所述钢丝绳的一端与调谐质量阻尼器单元的第一金属滑块或第二金属滑块连接，另一端绕过滑轮与第一电磁阻尼单元或第二电磁阻尼单元连接。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、采用本发明的减震系统将叶尖的能量实现机械能、弹簧势能、电磁能、热能的转换，可最大程度消耗叶尖能量的同时减小叶片发生气弹失稳的风险。
2、本发明的减震系统克服了叶尖空间上的限制，将叶尖的能量通过传动单元传递给叶中位置的调谐质量阻尼器单元进行耗散，最大限度的发挥了调谐质量阻尼器单元的作用。
3、本发明的减震系统固定在两腹板之间，连接钢丝绳时，只需要在金属滑块上打孔穿过即可，无需改变腹板的结构，从而可以避免在腹板上产生较强应力集中的问题。
附图说明
图1为本发明的减振系统的电磁阻尼单元的结构示意图。
图2为本发明的减振系统的调谐质量阻尼器单元的结构示意图。
图3为图2中A-A的剖面图。
图4为图2中B-B的剖面图。
图5为本发明的调谐质量阻尼器单元在叶片内的安装示意图。
图6为本发明的电磁阻尼单元和传动单元在叶片内的安装示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的使用方式不限于此。
如图1至图6所示，本实施例所述的风机叶片减振系统，包括多个减震装置，多个减震装置沿垂直于叶片弦向的方向均匀布置于叶片内部，且两个相邻减震装置之间的距离根据实际叶片的构造(包括弦长、扭角、最大厚度)等作出合理的调整和分布；每个减震装置包括两个电磁阻尼单元1、两个传动单元2和一个调谐质量阻尼器单元3，两个电磁阻尼单元1分别为第一电磁阻尼单元和第二电磁阻尼单元，所述第一电磁阻尼单元设于叶片叶尖的前缘位置处，所述第二电磁阻尼单元设于叶片叶尖的PS面或SS面位置处，通过两个电磁阻尼单元1内的金属滑块在惯性力作用下滑动，并带动其内的金属线圈在磁场中作切割磁感线运动，使得一部分来自叶尖摆振、挥舞的振动能量以热能形式耗散，两个传动单元2分别为第一传动单元和第二传动单元，所述第一传动单元和第二传动单元的一端分别与第一电磁阻尼单元和第二电磁阻尼单元连接，所述调谐质量阻尼器单元3设于叶片叶中位置处，并位于叶片的两腹板之间，其包括双层阻尼结构，该双层阻尼结构分别与第一传动单元和第二传动单元的另一端连接，通过两个传动单元2分别将另一部分来自叶尖摆振的振动能量和来自叶尖挥舞的振动能量传递至双层阻尼结构上并消散，从而实现减小叶片振动的目的。
如图2所示，电磁阻尼单元1包括连接底座101、N磁极102、S磁极103、金属固定块104、金属滑块105、金属线圈106和第一弹簧107，所述连接底座101固定于叶尖的前缘、PS面或SS面位置处，其上形成有用于安装N磁极102、S磁极103、金属固定块104、金属滑块105、金属线圈106和第一弹簧107的凹槽，所述N磁极102和S磁极103分别固定于凹槽的内部两侧，所述金属固定块104固定于凹槽槽底，并位于N磁极102和S磁极103之间，所述金属滑块105滑动安装于凹槽槽口，并位于N磁极102和S磁极103之间，其与第一传动单元或第二传动单元连接，所述金属线圈106设于N磁极102和S磁极103之间，并位于金属滑块105和金属固定块104之间，其两端分别与金属固定块104和金属滑块105采用第一弹簧107连接。
当来流风速较大叶尖发生变形时，电磁阻尼单元1会跟随叶片一起运动，此时金属滑块105在惯性力的作用下会相对于连接底座发生滑动，进而带动金属线圈106在N磁极102和S磁极103形成的磁场中作切割磁感线运动，最终使得振动能量以一定的热能形式耗散掉。同时，第一弹簧107和金属滑块105也组成一套调谐质量阻尼器(TMD)，对衰减振幅也起到了一定作用。
优选的，第一弹簧可以为波形弹簧、环形弹簧或蝶形弹簧等任何减振性能较好的弹簧。
传动单元2包括滑轮支架201、滑轮202和钢丝绳203，所述滑轮支架201沿垂直于叶片弦向的方向固定于叶片内部，并位于叶中和叶尖之间，所述滑轮支架201上滑动安装有一个滑轮202，多个传动单元2也可以共用一个滑轮支架，其中，两个传动单元的滑轮202的旋转轴相互垂直，即其中一个旋转轴平行于滑轮支架201的轴向，另一个旋转轴垂直于滑轮支架201的轴向，所述钢丝绳203的一端与调谐质量阻尼器单元3的第一金属滑块311或第二金属滑块312连接，另一端绕过滑轮202与第一电磁阻尼单元或第二电磁阻尼单元连接，与第一电磁阻尼单元连接的钢丝绳和与第二电磁阻尼单元连接的钢丝绳分别绕至两个不同旋转方向的滑轮上。钢丝绳203可以根据所处风场环境条件，调整为不同强度、不同拉紧度、不同牵引力的钢丝绳，满足不同需求。
调谐质量阻尼器单元3包括第一金属固定板301、第二固定板302、第三固定板303、第一质量块304、第二质量块305、隔板306、第一金属固定座307、第二金属固定座308、第三金属固定座309、第二弹簧310、第一金属滑块311、第二金属滑块312、第一金属板313和第二金属板314，所述第一金属固定板301固定于叶片的两腹板之间，所述第二固定板302和第三固定板303的一端分别与第一金属固定板301的上部和下部垂直连接，另一端分别朝向叶尖方向，并分别通过第一金属固定座307和第三金属固定座309固定在两腹板之间，所述第二固定板302和第三固定板303的两个相对的侧面上分别形成有供第一质量块304和第二质量块305滑动的U型滑道，所述第一质量块304和第二质量块305之间通过隔板306隔开，所述隔板306的两端分别通过第一金属固定板301和第二金属固定座308固定在两腹板之间，且所述第二金属固定座308位于第一金属固定座307和第三金属固定座309之间，所述第一质量块304和第二质量块305的一端分别通过四个第二弹簧310与第一金属固定板301连接，另一端分别通过四个第二弹簧310与第一金属滑块311和第二金属滑块312连接；所述第一金属固定座307的底面和第二金属固定座308的顶面上设有两个彼此平行设置的第一金属板313，两个第一金属板313相对的侧面上形成有供第一金属滑块311滑动的滑道，所述第二金属固定座308的底面和第三金属固定座309的顶面上设有两个彼此平行设置的第二金属板314，两个第二金属板314相对的侧面上形成有供第二金属滑块312滑动的滑道，所述第一金属滑块311通过第一传动单元与第一电磁阻尼单元连接，所述第一金属滑块311在第一传动单元的作用下能够沿两个第一金属板313的滑道滑动，由第一质量块304、第一金属滑块311和相应的第二弹簧310形成用于消散来自叶尖摆振振动能量的第一层阻尼结构，所述第二金属滑块312通过第二传动单元与第二电磁阻尼单元连接，所述第二金属滑块312在第二传动单元的作用下能够沿两个第二金属板314的滑道滑动，由第二质量块305、第二金属滑块312和相应的第二弹簧310形成用于消散来自叶尖挥舞振动能量的第二层阻尼结构。
在本实施例中，通过采用隔板将两个质量块隔开，分别形成两层阻尼结构，两个质量块分别在各自所在的U型滑道内滑动，这样不仅可以保证质量块按各自制定的滑动方向滑动，而且也保证了摆振和挥舞方向振动的解耦，避免了摆振和挥舞方向的耦合作用，可以实现无干扰减振。同时通过两个金属板上滑道的设计，从而使两个金属滑块只在一条水平方向上往复滑动，进而使两个质量块只受水平力的作用，避免运动过程中因运动状态的变化，对弹簧及质量块产生非水平力的作用，降低调谐质量阻尼器单元3的减震效果。
优选的，第二弹簧可以为波形弹簧、环形弹簧或蝶形弹簧等任何减振性能较好的弹簧。
优选的，第一质量块和第二质量块均为金属结构或磁性体结构，其重量根据实际减重、降载、成本要求，作出适当调整。
优选的，第二固定板和第三固定板均为金属结构或磁性体结构。
优选的，当调谐质量阻尼器单元安装至叶片最大弦长附近时，可最大限度的发挥其作用。
由于叶片翼型表面产生流动分离，叶片在周期性气动力作用下会产生大幅振动。当叶片发生大幅振动时，电磁阻尼单元通过传动单元将较大的叶尖变形能传递到调谐质量阻尼器单元，调谐质量阻尼器单元内部的两层阻尼结构分别管控来自叶尖摆振、挥舞传递来的振动能量。具体原理为：从叶尖摆振传递来振动能量通过钢丝绳施加于第一金属滑块，通过第一金属滑块滑动并带动相应的第二弹簧的拉伸和伸缩，进而使第一质量块在弹簧的作用下做往复振动，此时能量在弹性势能、机械能之间来回转换，从而消除来自叶尖摆振传递来振动能量；同时从叶尖挥舞传递来振动能量通过钢丝绳施加于第二金属滑块，通过第二金属滑块滑动并带动相应的第二弹簧的拉伸和伸缩，使第二质量块在弹簧的作用下做往复振动，此时能量也在弹性势能、机械能之间来回转换，从而消除来自叶尖挥舞传递来振动能量，最终消散来自叶尖的变形能。
综上所述，本发明的减振系统为双向耗能，可以最大程度减小叶尖的变形，增加叶片寿命的同时减小叶片发生气弹失稳的风险。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种风机叶片减振系统，其特征在于：包括多个减震装置，多个减震装置沿垂直于叶片弦向的方向均匀布置于叶片内部；每个减震装置包括两个电磁阻尼单元、两个传动单元和一个调谐质量阻尼器单元，两个电磁阻尼单元分别为第一电磁阻尼单元和第二电磁阻尼单元，所述第一电磁阻尼单元设于叶片叶尖的前缘位置处，所述第二电磁阻尼单元设于叶片叶尖的PS面或SS面位置处，通过两个电磁阻尼单元内的金属滑块在惯性力作用下滑动，并带动其内的金属线圈在磁场中作切割磁感线运动，使得一部分来自叶尖摆振、挥舞的振动能量以热能形式耗散，两个传动单元分别为第一传动单元和第二传动单元，所述第一传动单元和第二传动单元的一端分别与第一电磁阻尼单元和第二电磁阻尼单元连接，所述调谐质量阻尼器单元设于叶片叶中位置处，并位于叶片的两腹板之间，其包括双层阻尼结构，该双层阻尼结构分别与第一传动单元和第二传动单元的另一端连接，通过两个传动单元分别将另一部分来自叶尖摆振的振动能量和来自叶尖挥舞的振动能量传递至双层阻尼结构上并消散，从而实现减小叶片振动的目的。
2.根据权利要求1所述的一种风机叶片减振系统，其特征在于：所述电磁阻尼单元包括连接底座、N磁极、S磁极、金属固定块、金属滑块、金属线圈和第一弹簧，所述连接底座固定于叶尖的前缘、PS面或SS面位置处，其上形成有用于安装N磁极、S磁极、金属固定块、金属滑块、金属线圈和第一弹簧的凹槽，所述N磁极和S磁极分别固定于凹槽的内部两侧，所述金属固定块固定于凹槽槽底，并位于N磁极和S磁极之间，所述金属滑块滑动安装于凹槽槽口，并位于N磁极和S磁极之间，其与第一传动单元或第二传动单元连接，所述金属线圈设于N磁极和S磁极之间，并位于金属滑块和金属固定块之间，其两端分别与金属固定块和金属滑块采用第一弹簧连接。
3.根据权利要求2所述的一种风机叶片减振系统，其特征在于：所述第一弹簧为波形弹簧、环形弹簧或蝶形弹簧。
4.根据权利要求1所述的一种风机叶片减振系统，其特征在于：所述调谐质量阻尼器单元包括第一金属固定板、第二固定板、第三固定板、第一质量块、第二质量块、隔板、第一金属固定座、第二金属固定座、第三金属固定座、第二弹簧、第一金属滑块、第二金属滑块、第一金属板和第二金属板，所述第一金属固定板固定于叶片的两腹板之间，所述第二固定板和第三固定板的一端分别与第一金属固定板的上部和下部垂直连接，另一端分别朝向叶尖方向，并分别通过第一金属固定座和第三金属固定座固定在两腹板之间，所述第二固定板和第三固定板的两个相对的侧面上分别形成有供第一质量块和第二质量块滑动的U型滑道，所述第一质量块和第二质量块之间通过隔板隔开，所述隔板的两端分别通过第一金属固定板和第二金属固定座固定在两腹板之间，且所述第二金属固定座位于第一金属固定座和第三金属固定座之间，所述第一质量块和第二质量块的一端分别通过多个第二弹簧与第一金属固定板连接，另一端分别通过多个第二弹簧与第一金属滑块和第二金属滑块连接；所述第一金属固定座的底面和第二金属固定座的顶面上设有两个彼此平行设置的第一金属板，两个第一金属板相对的侧面上形成有供第一金属滑块滑动的滑道，所述第二金属固定座的底面和第三金属固定座的顶面上设有两个彼此平行设置的第二金属板，两个第二金属板相对的侧面上形成有供第二金属滑块滑动的滑道，所述第一金属滑块通过第一传动单元与第一电磁阻尼单元连接，由第一质量块、第一金属滑块和相应的第二弹簧形成用于消散来自叶尖摆振振动能量的第一层阻尼结构，所述第二金属滑块通过第二传动单元与第二电磁阻尼单元连接，由第二质量块、第二金属滑块和相应的第二弹簧形成用于消散来自叶尖挥舞振动能量的第二层阻尼结构。
5.根据权利要求4所述的一种风机叶片减振系统，其特征在于：所述第二弹簧为波形弹簧、环形弹簧或蝶形弹簧。
6.根据权利要求4所述的一种风机叶片减振系统，其特征在于：所述第一质量块和第二质量块均为金属结构或磁性体结构。
7.根据权利要求4所述的一种风机叶片减振系统，其特征在于：所述第二固定板和第三固定板均为金属结构或磁性体结构。
8.根据权利要求1所述的一种风机叶片减振系统，其特征在于：所述传动单元包括滑轮支架、滑轮和钢丝绳，所述滑轮支架沿垂直于叶片弦向的方向固定于叶片内部，并位于叶中和叶尖之间，所述滑轮支架上滑动安装有一个滑轮，所述钢丝绳的一端与调谐质量阻尼器单元的第一金属滑块或第二金属滑块连接，另一端绕过滑轮与第一电磁阻尼单元或第二电磁阻尼单元连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210948822.7A CN115539560A (zh) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | 一种风机叶片减振系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210948822.7A CN115539560A (zh) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | 一种风机叶片减振系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115539560A true CN115539560A (zh) | 2022-12-30 |
Family
ID=84723511
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210948822.7A Pending CN115539560A (zh) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | 一种风机叶片减振系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115539560A (zh) |
-
2022
- 2022-08-09 CN CN202210948822.7A patent/CN115539560A/zh active Pending
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