CN116044650A - 具有扰流体的风电叶片液体阻尼器、预制方法及风电叶片 - Google Patents

具有扰流体的风电叶片液体阻尼器、预制方法及风电叶片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有扰流体的风电叶片液体阻尼器、预制方法及风电叶片，该液体阻尼器包括细长管件、扰流体和阻尼液；细长管件有多个间隔预设的距离分别并列设置于风电叶片的SS内表面和PS内表面，并位于风电叶尖处，每个细长管件的两端分别与风电叶片的前缘和后缘连接，每个细长管件的中轴线均与风电叶片的变桨轴相垂直，扰流体内置于细长管件中，并与细长管件的内壁固定连接，用于阻滞阻尼液沿细长管件的中轴线流动，阻尼液以预设的体积填充率填充于细长管件的内部，使得阻尼液约束在细长管件中沿细长管件的中轴线往复流动，离心力方向始终和阻尼液运动轨迹垂直；本发明能够有效抑制风电叶片的一阶摆振，实现液体阻尼器在寿命期内免维护的特性要求。

Description

具有扰流体的风电叶片液体阻尼器、预制方法及风电叶片
技术领域
本发明涉及风力发电叶片阻尼器的技术领域，尤其是指具有扰流体的风电叶片液体阻尼器、预制方法及风电叶片。
背景技术
风力涡轮发电设备的制造技术日新月异，发电设备的单机容量突破了20MW水平，叶片的长度超过百米，风机的轮毂高度也突破150m等等，发电设备的成本价值也越来越大。面对复杂的风资源风况环境，叶片损坏的风险也越来越大。针对风力涡轮机叶片，是一个细长的壳体结构，非常的柔韧，在复杂多变的强烈阵风环境下，振动问题非常突出，尤其在摆振方向的一阶模态的振动，如果不能很好的阻尼抑制，对叶片的疲劳寿命会有严重影响，发生共振时还会出现折断叶片的灾难。
现有调谐质量阻尼技术中，有电湍流阻尼器和液体质量阻尼器，电湍流阻尼技术由于其造价高以及寿命和可靠性问题难以达到期望水平，而液体质量阻尼则天生有良好的可靠性属性，因此成为研究看重的方向。现有技术的液体质量阻尼器在桥梁和高层建筑上都有所应用，但在叶片上的应用并不成熟，原因是在建筑中使用的液体质量阻尼的阻尼机制无法在叶片的旋转工况下完好应用。比如，CN99811451公开的《带有U形振动阻尼装置的风力涡轮机叶片》，以及CN201610959925公开的《一种用于减弱风力涡轮机叶片边缘振动的圆管液体阻尼器》，其共同的缺陷就是，一方面，因为专利记载的U型和O型液体管的管平面平行于叶片变桨轴线，在叶轮回转时的巨大离心力作用下，管子在离心力方向的深度过大，巨大离心力无法产生液体动压差，其液体阻尼器的阻尼机制因离心力存在而基本失效，因此不能发挥阻尼作用；另一方面，在吊装阶段或停机状态下，叶片在叶轮上的相位位置和叶片姿态是随机的，而在叶片轴线处于水平状态下，U型和O型的阻尼器都将丧失阻尼机制而失效，局限在叶片竖直指向地面姿态时才有相对理想的阻尼效果。这就是说，其阻尼机制是利用晃动液体的动压差调谐阻尼，这些液体阻尼器没有能够根据叶片的工作状态和液体阻尼机制很好的结合，所以，实用性较差。
发明内容
本发明的第一目的在于为解决现有技术中的不足，提供了具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，有效抑制风电叶片的一阶摆振，实现液体阻尼器寿命期免维护特性要求。
本发明的第二目的提供了具有扰流体的风电叶片液体阻尼器的预制方法。
本发明的第三目的提供了一种风电叶片。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，包括细长管件、扰流体和阻尼液；所述细长管件有多个间隔预设的距离分别并列设置于风电叶片的SS内表面和PS内表面，并位于风电叶尖处，每个细长管件的两端分别与风电叶片的前缘和后缘连接，每个细长管件的中轴线均与风电叶片的变桨轴相垂直，所述扰流体内置于细长管件中，并与细长管件的内壁固定连接，用于阻滞阻尼液沿细长管件的中轴线流动，所述阻尼液以预设的体积填充率填充于细长管件的内部，使得阻尼液约束在细长管件中沿细长管件的中轴线往复流动，叶片离心力方向始终和阻尼液运动轨迹相垂直。
进一步，所述细长管件为玻璃钢管件，所述细长管件的长度方向截面的中轴线为直线或曲线。
进一步，所述细长管件的截面最大通径小于50mm，所述细长管件的截面为圆形、椭圆或矩形中的一种。
进一步，在同一PS内表面或同一SS内表面上的多个细长管件沿风电叶片展向间隔0.1m-1m距离布置，并位于距离风电叶片叶根至少2/3叶片长度位置处。
进一步，所述扰流体为带孔隔板、柱台型突出物、网格板、螺旋形条状物或汇编条状物中的一种或多种。
进一步，所述阻尼液为硅油、水或氯化钙饱和水溶液中的一种，所述阻尼液的体积填充率为10％—30％。
进一步，所述阻尼液总质量为风电叶片总质量的0.1％—1％。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种根据上述具有扰流体的风电叶片液体阻尼器的预制方法，包括以下步骤：
S1、准备适配阻尼器安装段叶片的PS型面模具和SS型面模具；
S2、分别在PS型面模具和SS型面模具的阻尼器安装位置上，沿叶片弦线方向放置一层脱模布；
S3、在脱模布上手糊打底玻璃布层；
S4、在打底玻璃布层上放置扰流体，扰流体沿SS面或PS面上的翼型轮廓线长度布置；
S5、在扰流体上方手糊数层玻璃布，形成一个密闭的细长管型容器，将扰流体封固并粘接在此容器内壁上，同时在容器上手糊固定阻尼液加注阀，固化成型；
S6、固化后形成一个玻璃钢材质的液体阻尼器外壳，外壳内部封装了扰流体，同时液体阻尼器外壳和叶片SS或PS具有相同的型面曲率，再进行脱模；
S7、撕掉脱模布，安装在风电叶片上后对该液体阻尼器外壳加注阻尼液。
本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种风电叶片，所述风电叶片内置有上述的具有扰流体的风电叶片液体阻尼器。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明的液体阻尼器，采用高效液体湍流阻尼机制，结构简单、性能可靠，实现了长寿命和免维护；采用垂直于离心力方向的阻尼器中轴线结构和细长结构，实现了叶片在运行和停机工况的任意方位姿态下均有良好的阻尼性能。采用细长管，小液体填充率，长冲程，增设扰流体等技术方案显著提升了阻尼效率；
2、本发明的阻尼器免维护，因此可以将阻尼器布置在叶片内部，并尽可能靠近叶尖放置，因此施加的液体质量最小，成本最低，能够有效抑制叶片一阶振动，实现高效阻尼。
附图说明
图1为安装有直线型液体阻尼器的风电叶片的结构示意图。
图2为安装有弧型液体阻尼器的风电叶片的结构示意图。
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。
实施例1
参见图1所示，为本实施例所提供的具有扰流体的直线型液体阻尼器，包括直线型细长管件1、扰流体和阻尼液(图中未画出)；
所述直线型细长管件1为玻璃钢管件，所述直线型细长管件1有3个间隔0.1m并列设置于风电叶片的SS内表面2和PS内表面3，PS内表面3与SS内表面2的直线型细长管件1对偶布置(图中未画出)，直线型细长管件1位于风电叶尖处，每个直线型细长管件1沿叶片弦线4安置，每个直线型细长管件1的两端分别与风电叶片的前缘5和后缘6连接，每个直线型细长管件1的中轴线均与风电叶片的变桨轴7相垂直，所述扰流体(图中未画出)内置于直线型细长管件1中，并与直线型细长管件1的内壁固定连接，扰流体与直线型细长管件1之间无相对滑移，用于阻滞阻尼液沿直线型细长管件的中轴线流动，所述扰流体(图中未画出)为带孔隔板、柱台型突出物、网格板、螺旋形条状物或汇编条状物中的一种或多种，所述阻尼液以预设的体积填充率填充于直线型细长管件1的内部，使得阻尼液约束在直线型细长管件中沿直线型细长管件的中轴线往复流动，借助扰流体阻滞作用形成的液体湍流损耗吸收动能而减振，叶片离心力方向8始终和阻尼液运动轨迹9相垂直，在叶轮回转过程中，液体阻尼器处于竖直平面内360度任意方位时，均可以起到良好的阻尼作用。其中，所述阻尼液总质量为风电叶片总质量的0.1％—1％；所述阻尼液为硅油、水或氯化钙饱和水溶液中的一种，所述阻尼液的体积填充率为10％—30％。
液体阻尼器需要具备环境适应性，在寒带环境，需要在-40℃到+50℃范围内能够正常工作。因此，硅油或特定电解质溶液都可以实现目的，硅油是比较理想的材料，可以根据设计粘度值选配不同分子量的硅油。氯化钙的饱和水溶液也可以使用，但是这种电解质溶液带来的腐蚀性和雷电冲击特性副作用。但硅油的缺点就是相比较氯化钙溶液成本偏高。如果使用氯化钙溶液，就要考虑局部防雷问题。因此阻尼液为硅油、水或氯化钙饱和水溶液中的一种，根据风机运行环境条件选用，在寒带地区选用硅油或氯化钙饱和水溶液，在温热带地区选用水即可，使用廉价的水不需要考虑防雷问题。
实施例2
参见图2所示，为本实施例所提供的具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，包括弧型细长管件10、扰流体和阻尼液(图中未画出)；
所述弧型细长管件10为弧形扁管，其截面为矩形，材质为为玻璃钢，所述弧型细长管件10有3个间隔1m的距离并列设置于风电叶片的SS内表面11和PS内表面(图中未画出)，PS内表面与SS内表面的弧型细长管件对偶布置(图中未画出)，弧型细长管件10位于风电叶尖处，每个弧型细长管件10沿叶片翼型轮廓线12安置，每个弧型细长管件10的两端分别与风电叶片的前缘13和后缘14连接，每个弧型细长管件10的中轴线均与风电叶片的变桨轴15相垂直，所述扰流体(图中未画出)内置于弧型细长管件10中，并与弧型细长管件10的内壁固定连接，扰流体与直线型细长管件之间无相对滑移，用于阻滞阻尼液沿弧型细长管件10的中轴线流动，所述扰流体(图中未画出)为环氧玻璃纤维网格板，所述阻尼液以预设的体积填充率填充于弧型细长管件的内部，使得阻尼液约束在细长管件10中沿弧型细长管件10的中轴线往复流动，借助扰流体阻滞作用形成的液体湍流损耗吸收动能而减振，叶片离心力方向16始终和阻尼液运动轨17相垂直，在叶轮回转过程中，液体阻尼器处于竖直平面内360度任意方位时，均可以起到良好的阻尼作用。其中，所述阻尼液总质量为风电叶片总质量的0.1％—1％；所述阻尼液为硅油、水或氯化钙饱和水溶液中的一种，所述阻尼液的体积填充率为10％—30％。
液体阻尼器需要具备环境适应性，在寒带环境，需要在-40℃到+50℃范围内能够正常工作。因此，硅油或特定电解质溶液都可以实现目的，硅油是比较理想的材料，可以根据设计粘度值选配不同分子量的硅油。氯化钙的饱和水溶液也可以使用，但是这种电解质溶液带来的腐蚀性和雷电冲击特性副作用。但硅油的缺点就是相比较氯化钙溶液成本偏高。如果使用氯化钙溶液，就要考虑局部防雷问题。因此阻尼液为硅油、水或氯化钙饱和水溶液中的一种，根据风机运行环境条件选用，在寒带地区选用硅油或氯化钙饱和水溶液，在温热带地区选用水即可，使用廉价的水不需要考虑防雷问题。
实施例3
本实施例提供了一种根据实施例1或2所述具有扰流体的风电叶片液体阻尼器的预制方法，包括以下步骤：
S1、准备适配阻尼器安装段叶片的PS型面模具和SS型面模具；
S2、分别在PS型面模具和SS型面模具的阻尼器安装位置上，沿叶片弦线方向放置一层脱模布；
S3、在脱模布上手糊打底玻璃布层；
S4、在打底玻璃布层上放置扰流体，扰流体沿SS面或PS面上的翼型轮廓线长度布置；
S5、在扰流体上方手糊数层玻璃布，形成一个密闭的细长管型容器，将扰流体封固并粘接在此容器内壁上，同时在容器上手糊固定阻尼液加注阀，固化成型；
S6、固化后形成一个玻璃钢材质的液体阻尼器外壳，外壳内部封装了扰流体，同时液体阻尼器外壳和叶片SS或PS具有相同的型面曲率，再进行脱模；
S7、撕掉脱模布，安装在风电叶片上后对该液体阻尼器外壳加注阻尼液。
实施例4
本实施例提供了一种风电叶片，所述风电叶片内置有实施例1或2所述具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，所述液体阻尼器至少有1个，并位于距离风电叶片叶根至少2/3叶片长度位置处，每个液体阻尼器的中轴线和风电叶片变桨轴垂直，液体阻尼器的两端连接叶片的前缘和后缘，拟制叶片摆振方向的振动，平面曲线型的阻尼器在叶片内部沿PS内表面、SS内表面安置，优选对偶安置方式，在同一PS曲面或同一SS曲面上的多个液体阻尼器优选沿叶片展向间隔0.1m-1m距离布局；风电叶片中投入阻尼液的总质量为叶片总质量的0.1％—1％。
以上所述之实施例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 (9)

1.一种具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，其特征在于：包括细长管件、扰流体和阻尼液；所述细长管件有多个间隔预设的距离分别并列设置于风电叶片的SS内表面和PS内表面，并位于风电叶尖处，每个细长管件的两端分别与风电叶片的前缘和后缘连接，每个细长管件的中轴线均与风电叶片的变桨轴相垂直，所述扰流体内置于细长管件中，并与细长管件的内壁固定连接，用于阻滞阻尼液沿细长管件的中轴线流动，所述阻尼液以预设的体积填充率填充于细长管件的内部，使得阻尼液约束在细长管件中沿细长管件的中轴线往复流动，叶片离心力方向始终和阻尼液运动轨迹相垂直。
2.根据权利要求1所述的一种具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，其特征在于：所述细长管件为玻璃钢管件，所述细长管件的长度方向截面的中轴线为直线或曲线。
3.根据权利要求1所述的一种具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，其特征在于：所述细长管件的截面最大通径小于50mm，所述细长管件的截面为圆形、椭圆或矩形中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，其特征在于：在同一PS内表面或同一SS内表面上的多个细长管件沿风电叶片展向间隔0.1m-1m距离布置，并位于距离风电叶片叶根至少2/3叶片长度位置处。
5.根据权利要求1所述的一种具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，其特征在于：所述扰流体为带孔隔板、柱台型突出物、网格板、螺旋形条状物或汇编条状物中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，其特征在于：所述阻尼液为硅油、水或氯化钙饱和水溶液中的一种，所述阻尼液的体积填充率为10％—30％。
7.根据权利要求1所述的一种具有扰流体的风电叶片液体阻尼器，其特征在于：所述阻尼液总质量为风电叶片总质量的0.1％—1％。
8.一种根据权利要求1-7任意一项所述具有扰流体的风电叶片液体阻尼器的预制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备适配阻尼器安装段叶片的PS型面模具和SS型面模具；
S2、分别在PS型面模具和SS型面模具的阻尼器安装位置上，沿叶片弦线方向放置一层脱模布；
S3、在脱模布上手糊打底玻璃布层；
S4、在打底玻璃布层上放置扰流体，扰流体沿SS面或PS面上的翼型轮廓线长度布置；
S5、在扰流体上方手糊数层玻璃布，形成一个密闭的细长管型容器，将扰流体封固并粘接在此容器内壁上，同时在容器上手糊固定阻尼液加注阀，固化成型；
S6、固化后形成一个玻璃钢材质的液体阻尼器外壳，外壳内部封装了扰流体，同时液体阻尼器外壳和叶片SS或PS具有相同的型面曲率，再进行脱模；
S7、撕掉脱模布，安装在风电叶片上后对该液体阻尼器外壳加注阻尼液。
9.一种风电叶片，其特征在于，所述风电叶片内置有权利要求1至7任意一项所述的具有扰流体的风电叶片液体阻尼器。
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