CN115654075A - 一种风机塔架调谐减振装置及设计安装方法 - Google Patents

一种风机塔架调谐减振装置及设计安装方法 Download PDF

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CN115654075A CN202211367243.XA CN202211367243A CN115654075A CN 115654075 A CN115654075 A CN 115654075A CN 202211367243 A CN202211367243 A CN 202211367243A CN 115654075 A CN115654075 A CN 115654075A
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祝金涛
朱俊杰
吕亮
武青
吴昊
王一妹
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Huaneng Clean Energy Research Institute
Huaneng Lancang River Hydropower Co Ltd
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Huaneng Clean Energy Research Institute
Huaneng Lancang River Hydropower Co Ltd
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Abstract

本申请提出一种风机塔架调谐减振装置及设计安装方法，减振装置包括质量球块和阻尼器；其中所述风机塔架包括塔筒，所述质量球块位于所述塔筒的顶部内，其上下两端分别通过上索绳和下索绳连接所述塔筒的顶部和底部；阻尼器包括多个并周向设置在所述质量球块外侧且与所述塔筒的内壁连接。本申请通过在风机塔架上设置减振装置，通过被动谐振将风机塔架的振动能量转移到减振装置上，从而抑制风机塔架的振动。

Description

一种风机塔架调谐减振装置及设计安装方法
技术领域
本申请涉及风电技术领域，尤其涉及一种风机塔架调谐减振装置及设计安装方法。
背景技术
近年来，随着人们对能源需求的增大和环境保护的意识增强，风能开始受到广泛的应用。随着海上风机结构规模加大，其在结构安全性上的要求也变得更高。随着风力发电机组发电功率的提升，风机叶片越来越长，塔架也越来越高，风机塔架的柔性特征愈发突出，已逐步接近风、浪等外界荷载频率，从而易引发风机塔架共振。过大振动不但降低塔架自身疲劳寿命，且对发电机组性能有较大影响，将减少风机整体寿命及降低发电效率。因此，风机向大兆瓦方向发展就必须解决塔架振动幅度过大的问题。
发明内容
本申请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，本申请的目的在于提出一种风机塔架调谐减振装置及设计安装方法，通过在风机塔架上设置减振装置，通过被动谐振将风机塔架的振动能量转移到减振装置上，从而抑制风机塔架的振动。
为达到上述目的，本申请提出的一种风机塔架调谐减振装置，包括
质量球块；其中所述风机塔架包括塔筒，所述质量球块位于所述塔筒的顶部内，且上下两端分别通过上索绳和下索绳连接所述塔筒的顶部和底部；
阻尼器；其包括多个并周向设置在所述质量球块外侧且与所述塔筒的内壁连接。
在一些实施例中，所述阻尼器为八个，相对于所述质量球块对称分布，且八个所述阻尼器均在同一横截面内。
在一些实施例中，所述风机塔架包括所述塔筒顶部的机舱和叶轮；其中所述叶轮可转动地安装在机舱上。
在一些实施例中，所述阻尼器均为粘滞阻尼器。
在一些实施例中，提出了一种预应力调谐减振装置的参数设计安装方法，包括以下步骤：
确定风力机塔架的结构参数包括风机塔架的高度、机舱及叶轮质量，并建立所述风机塔架的单自由度体系模型，在分析和处理后得到归一化的动力学方程表达式；
将上述任一实施例中所述的减振装置安装到风机塔架上；并建立所述风机塔架的双自由度体系模型，分析并计算减振装置与塔架振动时的位置关系，基于达朗贝尔原理得出双自由度体系动力学方程；
基于减振原理对减振装置进行参数优化，寻求减振装置的自振频率与所述风机塔架自振频率之比的最优频率比；
计算最优频率比时的动力系数幅值并得到所述减振装置应用后所述风机塔架的参数。
在一些实施例中，建立所述风机塔架的单自由度体系模型时，基于结构动力学原理所述机舱和所述叶轮简化为所述风机塔架顶部集中质量M，所述塔筒简化为竖直悬臂柱，所述竖直悬臂柱沿所述塔筒高度方向有分布质量m(z)，刚度EI(z)；且归一化的动力学方程表达式如下：
Figure BDA0003923397180000021
其中xs(t)为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向的位移；
Figure BDA0003923397180000022
任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向位移的一阶导数；
Figure BDA0003923397180000023
为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向位移的二阶导数；ms为广义质量；cs为广义阻尼；ks为广义刚度；F(t)为等效广义荷载。
在一些实施例中，建立所述风机塔架的双自由度体系模型时，所述风机塔架和减振装置分别简化为一个自由度，根据所述塔筒中轴线与垂直方向的夹角θ1、上索绳与垂直方向的夹角θ2、下索绳与垂直方向的夹角θ3的几何关系，所述减振装置与所述塔筒内壁的相对位移q(t)表示为：
Figure BDA0003923397180000024
其中，h为风机塔架顶至所述质量球块悬挂点的垂直距离，H为风机塔架高度；xs(t)为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向的位移；xd(t)为任意时刻质量球块水平x方向的位移。
在一些实施例中，所述风机塔架顶部和所述减振装置的水平振动幅度相对于风机塔架高度H和悬挂高度(H-h)来说是微小量；所述塔筒中轴线与垂直方向的夹角θ1、上索绳与垂直方向的夹角θ2、下索绳与垂直方向的夹角θ3的几何关系如下：
Figure BDA0003923397180000031
其中；h为风机塔架顶至所述质量球块悬挂点的垂直距离，H为风机塔架高度；xs(t)为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向的位移；xd(t)为任意时刻质量球块水平x方向的位移。
在一些实施例中，所述双自由度体系动力学方程如下：
Figure BDA0003923397180000032
其中xs为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向的位移；
Figure BDA0003923397180000033
任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向位移的一阶导数；
Figure BDA0003923397180000034
为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向位移的二阶导数；ms为广义质量；cs为广义阻尼；ks为广义刚度；F(t)为等效广义荷载；θ1为所述塔筒中轴线与垂直方向的夹角、θ2为上索绳与垂直方向的夹角、θ3为下索绳与垂直方向的夹角；md为减振装置的质量、kd为减振装置的刚度、cd为减振装置的阻尼系数，f为索绳预应力；q为所述减振装置与所述塔筒内壁的相对位移；
Figure BDA0003923397180000035
为所述减振装置与所述塔筒内壁的相对位移的一阶导数；g为重力加速度。
在一些实施例中，所述减振装置的自振频率与所述风机塔架自振频率之比为最优频率比时，所述风机塔架的动力系数幅值最小。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请一实施例提出的风机塔架调谐减振装置的俯视示意图；
图2是图1设置到风机塔架上的安装示意图；
图3是本申请一实施例提出的减振装置与风机塔架振动时的位置关系示意图；
图4是本申请一实施例提出的预应力调谐减振装置的参数设计安装方法流程图；
图中，1、质量球块；2、阻尼器；3、塔筒；4、叶轮；5、机舱；6、上索绳；7、下索绳；8、地基。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
参见图1-图2本申请提出的一种风机塔架调谐减振装置，包括质量球块1、阻尼器2、上索绳6和下索绳7；其中可知的风机塔架设置在地基8上方，而风机塔架包括塔筒3、机舱5和叶轮4；其中机舱5设置在塔筒3的顶部，叶轮4可转动地安装在机舱5上。
本实施例中质量球块1可理解为具有一定质量的圆球质量块，其位于塔筒3的内部并设置在塔筒3的顶部合适位置；质量球块1的上端通过上索绳6连接塔筒3的顶部，质量球块1的下端通过下索绳7连接塔筒3的底部。通过调节上索绳6和下索绳7的张力，使上索绳6和下索绳7产生一定的预应力，其中可知的上索绳6和下索绳7为一体式绳索，在实际应用中为一根绳索如图1所示。因此当质量球块1与上索绳6和下索绳7连接后，上索绳6和下索绳7就是拉紧状态且有一定的预应力；当质量球块1因振动偏离中心位置后，这时质量球块1与一体式绳索就会形成夹角，一体式绳索拉力的水平分量就给质量球块1提供反向拉力，从而抑制振动。
本实施例中的阻尼器2包括多个并周向设置在质量球块1外侧且与塔筒3的内壁连接。具体的如图1所示，阻尼器2可为粘滞阻尼器，数量可示例性为八个，八个阻尼器2的两端分别与质量球块1的外侧和塔筒3的内壁连接，而阻尼器2相对于质量球块1对称分布位于质量球块1外侧。优选的，八个阻尼器2均在同一横截面内。当风机塔架发生振动时，质量球块1由于惯性相对风机塔架向反向振动，从而减弱风机塔架振动，起到了缓冲调谐作用，同时防止质量球块1撞击塔筒3的内壁。
在一些实施例中，如图4所示提出了一种预应力调谐减振装置的参数设计安装方法，包括以下步骤：
S1：确定风力机塔架的结构参数包括风机塔架的高度、机舱5及叶轮4质量，并建立风机塔架的单自由度体系模型，在分析和处理后得到归一化的动力学方程表达式；
S2：将上述任一实施例中的减振装置安装到风机塔架上；并建立风机塔架的双自由度体系模型，分析并计算减振装置与塔架振动时的位置关系，基于达朗贝尔原理得出双自由度体系动力学方程；
S3：基于减振原理对减振装置进行参数优化，得到减振装置的自振频率与风机塔架自振频率之比的最优频率比；
S4：计算最优频率比时的动力系数幅值并得到减振装置应用后风机塔架的参数。
具体的，S1中建立风机塔架的单自由度体系模型时，基于结构动力学原理机舱5和叶轮4简化为风机塔架顶部集中质量M，塔筒3简化为竖直悬臂柱，竖直悬臂柱沿塔筒3高度方向有分布质量m(z)，刚度EI(z)；且归一化的动力学方程表达式如下：
Figure BDA0003923397180000051
其中xs(t)为任意时刻风机塔架顶部水平x方向的位移；
Figure BDA0003923397180000052
任意时刻风机塔架顶部水平x方向位移的一阶导数；
Figure BDA0003923397180000053
为任意时刻风机塔架顶部水平x方向位移的二阶导数；ms为广义质量；cs为广义阻尼；ks为广义刚度；F(t)为等效广义荷载。
其中可知的风机塔架结构包括塔筒3和塔筒3顶部的机舱5及叶轮4。水平轴风机质量主要集中在塔顶的机舱5及叶轮4，在进行结构动力学计算时，可将机舱5及叶轮4简化为塔架顶部集中质量M，塔筒3简化为竖直悬臂柱，悬臂柱沿塔筒3高度z方向有分布质量m(z)，刚度为EI(z)，根据结构动力学原理，可将风机整体结构简化为单自由度体系。
具体的S2中，将减振装置与塔筒3连接后，可将风机塔架和减振装置分别简化为一个自由度，即成为两自由度体系。减振装置与塔架振动时的位置关系如图3所示，图中塔筒3中轴线与垂直方向的夹角θ1、上索绳6与垂直方向的夹角θ2、下索绳7与垂直方向的夹角θ3，h为风机塔架顶至质量球块悬挂点的垂直距离，H为风机塔架高度；xs(t)为任意时刻风机塔架顶部水平x方向的位移；xd(t)为任意时刻质量球块水平x方向的位移，由于塔顶和减振装置的水平振动幅度相对于塔架高度H和悬挂高度(H-h)来说是微小量，故可得θ1、θ2、θ3的几何关系为下方表达式：
Figure BDA0003923397180000054
减振装置与塔筒3内壁的相对位移q(t)可表示为以下表达式：
Figure BDA0003923397180000055
则根据达朗贝尔原理，附加减振装置的双自由度体系的风机动力学方程可表示为
Figure BDA0003923397180000061
其中其中xs为任意时刻风机塔架顶部水平x方向的位移；
Figure BDA0003923397180000062
任意时刻风机塔架顶部水平x方向位移的一阶导数；
Figure BDA0003923397180000063
为任意时刻风机塔架顶部水平x方向位移的二阶导数；ms为广义质量；cs为广义阻尼；ks为广义刚度；F(t)为等效广义荷载；θ1为塔筒3中轴线与垂直方向的夹角、θ2为上索绳6与垂直方向的夹角、θ3为下索绳7与垂直方向的夹角；md为减振装置的质量、kd为减振装置的刚度、cd为减振装置的阻尼系数，f为索绳预应力；q为减振装置与塔筒3内壁的相对位移；
Figure BDA0003923397180000064
为减振装置与塔筒3内壁的相对位移的一阶导数；g为重力加速度。
S3中根据减振原理，减振装置的自振频率与风机塔架的自振频率之比存在最优频率比，当达到最优频率比时，风机塔架的振幅最小，通过优化减振装置参数来寻求最优频率比，减振装置的相关参数包括塔架高度、风机塔架的广义刚度、减振装置的悬挂高度、减振装置的质量、刚度和阻尼、一体式绳索的预应力。
S4中最终计算当频率比达到最优值时的动力系数幅值，此时的动力系数幅值越小，塔架振幅也越小，塔架的振幅也越小。
本申请可以准确调节风机塔架和减振装置的振动频率，将风机塔架受到的振动能量尽可能多的转移到调谐减振装置上来，从而有效减小风机塔架的振动，解决风机向大兆瓦方向发展时塔架振动幅度过大的问题。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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申请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。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种风机塔架调谐减振装置，其特征在于，包括
质量球块；其中所述风机塔架包括塔筒；所述质量球块位于所述塔筒的顶部内，其上下两端分别通过上索绳和下索绳连接所述塔筒的顶部和底部；
阻尼器；其包括多个并周向设置在所述质量球块外侧且与所述塔筒的内壁连接。
2.根据权利要求1所述的减振装置，其特征在于，所述阻尼器为八个，相对于所述质量球块对称分布，且八个所述阻尼器均在同一横截面内。
3.根据权利要求1或2所述的减振装置，其特征在于，所述风机塔架包括所述塔筒顶部的机舱和叶轮；其中所述叶轮可转动地安装在机舱上。
4.根据权利要求3所述的减振装置，其特征在于，所述阻尼器均为粘滞阻尼器。
5.一种预应力调谐减振装置的参数设计安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定风力机塔架的结构参数包括风机塔架的高度、机舱及叶轮质量，并建立所述风机塔架的单自由度体系模型，在分析和处理后得到归一化的动力学方程表达式；
将权利要求1-4任一所述的减振装置安装到风机塔架上；并建立所述风机塔架的双自由度体系模型，分析并计算减振装置与塔架振动时的位置关系后基于达朗贝尔原理得出双自由度体系动力学方程；
基于减振原理对减振装置进行参数优化，寻求减振装置的自振频率与所述风机塔架自振频率之比的最优频率比；
计算最优频率比时的动力系数幅值并得到所述减振装置应用后所述风机塔架的参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，建立所述风机塔架的单自由度体系模型时，基于结构动力学原理所述机舱和所述叶轮简化为所述风机塔架顶部集中质量M，所述塔筒简化为竖直悬臂柱，所述竖直悬臂柱沿所述塔筒高度方向有分布质量m(z)，刚度EI(z)；且归一化的动力学方程表达式如下：
Figure FDA0003923397170000011
其中xs(t)为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向的位移；
Figure FDA0003923397170000012
任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向位移的一阶导数；
Figure FDA0003923397170000013
为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向位移的二阶导数；ms为广义质量；cs为广义阻尼；ks为广义刚度；F(t)为等效广义荷载。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，建立所述风机塔架的双自由度体系模型时，所述风机塔架和减振装置分别简化为一个自由度，根据所述塔筒中轴线与垂直方向的夹角θ1、上索绳与垂直方向的夹角θ2、下索绳与垂直方向的夹角θ3的几何关系，所述减振装置与所述塔筒内壁的相对位移q(t)表示为：
Figure FDA0003923397170000021
其中，h为风机塔架顶至所述质量球块悬挂点的垂直距离，H为风机塔架高度；xs(t)为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向的位移；xd(t)为任意时刻质量球块水平x方向的位移。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述风机塔架顶部和所述减振装置的水平振动幅度相对于风机塔架高度H和悬挂高度(H-h)来说是微小量；所述塔筒中轴线与垂直方向的夹角θ1、所述上索绳与垂直方向的夹角θ2、所述下索绳与垂直方向的夹角θ3的几何关系如下：
Figure FDA0003923397170000022
其中；h为所述风机塔架顶至所述质量球块悬挂点的垂直距离，H为风机塔架高度；xs(t)为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向的位移；xd(t)为任意时刻质量球块水平x方向的位移。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述双自由度体系动力学方程如下：
Figure FDA0003923397170000023
其中xs为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向的位移；
Figure FDA0003923397170000024
任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向位移的一阶导数；
Figure FDA0003923397170000025
为任意时刻所述风机塔架顶部水平x方向位移的二阶导数；ms为广义质量；cs为广义阻尼；ks为广义刚度；F(t)为等效广义荷载；θ1为所述塔筒中轴线与垂直方向的夹角、θ2为所述上索绳与垂直方向的夹角、θ3为所述下索绳与垂直方向的夹角；md为减振装置的质量、kd为减振装置的刚度、cd为减振装置的阻尼系数，f为索绳预应力；q为所述减振装置与所述塔筒内壁的相对位移；
Figure FDA0003923397170000026
为所述减振装置与所述塔筒内壁的相对位移的一阶导数；g为重力加速度。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述减振装置的自振频率与所述风机塔架自振频率之比为最优频率比时，所述风机塔架的动力系数幅值最小。
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