CN116255421A - 一种风力发电机叶片减振装置 - Google Patents

一种风力发电机叶片减振装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机叶片减振装置，减振装置为调谐质量阻尼器，包括弹簧部、质量块、减速机构、滑轨和阻尼元件，减振装置能够固定安装于风力发电机叶片的空腔内，质量块能够沿着滑轨滑动，减速机构的高速端与质量块连接，减速机构的低速端与弹簧部连接，阻尼元件用于提供阻尼。本发明通过设置减速机构，降低了弹簧压并的风险，降低了TMD的安装空间要求；增设的减速机构还能够增加一个两节点惯性质量，改变了TMD的最优调谐频率，进一步降低了弹簧静位移，减小了质量块与叶片振幅之比，可以避免叶片振幅较大时TMD与叶片内壁碰撞，提高减振效果。

Description

一种风力发电机叶片减振装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是一种风力发电机叶片减振装置。
背景技术
在众多可再生能源的开发利用中，风能发展态势良好，风电产业在全球形成了完备的市场规模，也在能源结构中的份额不断攀升，成为具有竞争力的可再生能源之一。然而随着风力发电的发展，叶片正在不断大型化轻量化，叶片的柔性增加，国内海上风力发电机MYSE16.0-242，叶片长度达到了118米，这些虽然可以较大程度上提高风功率，但是造成了风力机叶片振动问题，大尺寸叶片易受不均匀气流影响，造成载荷不均匀，同时柔性化大型化的叶片使得叶片弹性体在某种特定情况下易发生振动问题，从而影响叶片的疲劳寿命，造成叶片及风机损毁，降低风力发电机发电效率，长期不受控的叶片振动会影响大型风力机的安全稳定运行、严重时造成巨大的经济损失。
目前最为成熟的叶片振动控制技术是变桨距系统，其原理是随着风速风向桨距角不断发生改变，以调节风载荷与叶片接触角度，保证叶片安全稳定运行；还有采用智能材料，如采用压电主动约束夹层阻尼(ACLD)替换叶片中心材料、将形状记忆合金嵌入叶片蒙皮，调节叶片自振频率远离激振频率，叶片刚度和阻尼性能显著提高，减少了叶片的振动。但是随着叶片大型化，变桨系统在叶片振动控制中发挥的作用有限，仅仅能降低塔筒底部的力矩；添加智能材料方法的成本对现阶段风电市场是不可接受的。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种风力发电机叶片减振装置，设置于叶片空腔内，在不改变气动外形的前提下达到减振的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种风力发电机叶片减振装置，所述减振装置为调谐质量阻尼器，包括弹簧部、质量块、减速机构、滑轨和阻尼元件，所述减振装置能够固定安装于风力发电机叶片的空腔内，所述质量块能够沿着所述滑轨滑动，所述减速机构的高速端与所述质量块连接，所述减速机构的低速端与所述弹簧部连接，所述阻尼元件用于提供阻尼。
本发明通过n：1减速机构(n为高速端和低速端的速度比值)，TMD所需的弹簧刚度提升至原来的n2倍，弹簧静位移减小至原来的1/n，弹簧的总长大幅减小，一方面大幅降低了弹簧压并的风险，另一方面令TMD的安装空间要求大大降低，使得TMD能够安装于风力发电机叶片的空腔内。
其次，本发明增设的减速机构还能够增加一个两节点惯性质量，改变了TMD的最优调谐频率(表现为弹簧最优刚度增大)，进一步降低了弹簧静位移。且通过增设两节点惯性质量，把振动的一部分动能转移到了惯性质量上来，减小了质量块与叶片振幅之比，可以避免叶片振幅较大时TMD与叶片内壁碰撞，提高减振效果。
作为本发明的优选方案，所述减速机构为齿轮组件或摩擦组件或连杆组件。
作为本发明的优选方案，所述齿轮组件包括同轴固接的第一齿轮和第二齿轮，所述一齿轮的半径大于所述第二齿轮的半径，所述弹簧部包括第一齿条和弹簧，所述第一齿条的两端分别连接所述弹簧，所述第二齿轮与所述第一齿条相啮合，所述质量块的外轮廓设有第二齿条，所述第一齿轮与所述第二齿条相啮合。即同轴固接的第一齿轮、第二齿轮组成了n：1减速机构(n为的第一齿轮、第二齿轮的半径比)。
作为本发明的优选方案，所述减振装置还包括底座，所述底座为槽型结构，所述弹簧的一端连接所述第一齿条，另一端分别连接所述底座相对的两个内侧面。
作为本发明的优选方案，所述质量块位于所述第一齿条、所述弹簧的上方或下方，所述滑轨连接所述底座相对的两个内侧面。
作为本发明的优选方案，所述底座相对的两个内侧面设有防撞块，避免质量块与叶片内壁碰撞。
作为本发明的优选方案，所述第一齿轮、所述第二齿轮均与所述底座可拆卸式连接。便于更换不同尺寸的第一齿轮和第二齿轮，进而调整弹簧的总长，使得TMD能够安装叶片的各个位置。
作为本发明的优选方案，所述阻尼元件为磁钢，所述磁钢固定安装于所述质量块或所述第一齿条，所述底座的内底面设有导体板，所述磁钢产生的磁感线能够被所述导体板切割。
作为本发明的优选方案，所述阻尼元件为油阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器中的一种或多种。
本发明还公开了一种风力发电机叶片，包括叶片空腔，所述叶片空腔内固定安装有所述的一种风力发电机叶片减振装置。
作为本发明的优选方案，所述叶片空腔内间隔安装有多个所述风力发电机叶片减振装置。
本发明还公开了一种风力发电机，包括所述的一种风力发电机叶片。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明通过设置n：1减速机构，TMD所需的弹簧刚度提升至原来的n2倍，弹簧静位移减小至原来的1/n，弹簧的总长大幅减小，一方面大幅降低了弹簧压并的风险，另一方面令TMD的安装空间要求大大降低，使得TMD能够安装于风力发电机叶片的空腔内。调整TMD的惯性质量与阻尼系数，可以适应叶片各个安装位置对阻尼器的性能要求。
2、本发明增设的减速机构还能够增加一个两节点惯性质量，改变了TMD的最优调谐频率(表现为弹簧最优刚度增大)，进一步降低了弹簧静位移。且通过增设两节点惯性质量，把振动的一部分动能转移到了惯性质量上来，减小了质量块与叶片振幅之比，可以避免叶片振幅较大时TMD与叶片内壁碰撞，使得在叶片大振幅条件下，阻尼器效果良好。
3、本发明结构简单耐用，良好利用了叶片内的空心型腔，在不改变气动外形的前提下达到减振的目的，避免使用大量的ALCD和SMA材料，降低了成本。
附图说明
图1是现有的TMD安装于叶片空腔内的结构示意图。
图2是现有的TMD的力学模型示意图。
图3是本发明所述的减振装置的结构示意图。
图4是本发明所述的减振装置的力学模型示意图。
图标：0-叶片，1-底座，2-弹簧，3-质量块，4-第一齿轮，5-第二齿轮，6-第一齿条，7-滑轨，8-阻尼元件，9-防撞块。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为现有的一种利用调谐质量阻尼器(TMD)进行叶片减振的方案示意图，将一个或者多个TMD安装于风力发电机叶片0的内部空腔内，TMD由底座1、弹簧2、质量块3、阻尼元件8(例如磁钢)和防撞块9组成，底座1固定于叶片0上，防撞块9固定在底座1上，弹簧2一端固定在底座1上，弹簧2另一端固定在质量块3上，阻尼元件8固定在质量块3上。图2为现有的TMD的力学模型示意图，图中M为叶片主结构模态质量，m为质量块质量，K为叶片主结构振动刚度，k为弹簧刚度(即TMD振动刚度)，C为叶片主结构阻尼系数(比如风阻)，c为TMD阻尼系数(例如电涡流阻尼或油阻尼)。当叶片0发生振动时，质量块3与叶片0谐振，吸收叶片0的振动能量，并在谐振过程中带动磁钢运动产生磁阻尼进行耗能，达到对叶片0减振的目的。
但是使用现有TMD控制叶片振动，由于叶片内部空间狭小，TMD行程受限，会导致以下问题：
(1)由于TMD的振幅相对于叶片振幅有放大(TMD工作过程中会随叶片的振动产生共振，因此TMD的振幅往往大于叶片的振幅)，因此一般TMD在叶片内部空间的行程是远远不够的，会频繁碰撞，不仅大大影响减振效果，而且会导致构件损坏；
(2)TMD质量块在重力或其分量的作用下，会有静位移，频率越低静位移越大，弹簧的总长(初始长度+质量块静位移+行程)越长，意味着弹簧对于安装空间的要求也就越高，而对于叶片内心空腔的有限空间而言，则增大了弹簧压并导致TMD失效的风险。对于0.5Hz频率的TMD，其静位移可达1m，进一步缩短了行程或者直接导致一边行程为0。
其中，弹簧的静位移计算式如下：
Figure BDA0004083071720000051
其中：d——弹簧静位移，θ——重力G方向与弹簧振动方向夹角，g——重力加速度，k——TMD弹簧刚度，f—-—TMD频率。
实施例1
为了解决现有TMD存在的弹簧静位移大、工作行程小的问题，本发明提供了一种风力发电机叶片减振装置，该减振装置为惯性质量放大型调谐质量阻尼器，其力学模型示意图如图3所示，与普通的TMD不同的是增加了n：1减速机构以及两节点惯性质量me，将它固定在叶片主结构上，可以降低叶片非竖直状态或倾斜时弹簧的静位移，也可以降低质量块与叶片振幅之比，具体实施例如图4所示。
一种风力发电机叶片减振装置主要由底座1、弹簧2、质量块3、第一齿轮4、第二齿轮5、第一齿条6、滑轨7、阻尼元件8组成。底座1固定在叶片0上；第一齿轮4和第二齿轮5同轴固接在一起，第一齿轮4的半径大于第二齿轮5的半径，第一齿轮4和第二齿轮5安装于叶片0内，可沿自身轴向旋转；质量块3通过滑轨7安装于底座1上，可沿滑轨方向移动；质量块3上带有第二齿条，与第一齿轮4(即齿轮组件的高速端，具有较大的线速度)啮合；第一齿条6通过弹簧2安装于底座1上，并与第二齿轮5(即齿轮组件的低速端，具有较小的线速度)啮合，阻尼元件8用于提供阻尼。
具体的，本实施例中，底座1为槽型结构，包括两个相对的侧面和一个底面，第一齿条6的两侧分别连接有弹簧2，弹簧2的一端连接第一齿条6，另一端分别连接底座1相对的两个内侧面。质量块3和滑轨7均位于第一齿条6、弹簧2的上方或下方，滑轨7连接底座1相对的两个内侧面，质量块3滑轨方向移动。
在本实施方式中，阻尼元件8为磁钢，磁钢固定安装于质量块3，底座1的底面设有导体板，磁钢产生的磁感线能够被导体板切割。在其他的实施方式中，磁钢也可以固定安装于第一齿条6。
在本实施例工作过程中，一方面，第一齿轮4相当于一个两节点惯性质量me，当质量块3左右谐振时，一部分动能转化为第一齿轮4转动能量，减小了质量块3的振幅与叶片0的振幅的比值；另一方面，由于大小齿轮的传动关系，第一齿轮4和第二齿轮5构成了n：1的减速机构，假设第一齿轮4半径r1比上第二齿轮5半径r2为n，质量块3表现出来的刚度是下面弹簧2刚度的
Figure BDA0004083071720000071
这是弹簧2的刚度相较于普通的TMD弹簧刚度有大幅提升，有效降低了弹簧2的静位移，其推导过程如下：
质量块3刚度K为：
Figure BDA0004083071720000072
式中，F为质量块3受到的外力，Δx为质量块3的位移。
经过n：1的减速机构(齿轮减速)，弹簧端的位移变为
Figure BDA0004083071720000073
受到的力变为nF，所以弹簧刚度k为：
Figure BDA0004083071720000074
同时由于惯性质量me的引入，会改变减振系统的最优调谐频率。引入惯性质量me后，最优调谐频率与叶片固有频率的比值为：
Figure BDA0004083071720000075
Figure BDA0004083071720000076
引入惯性质量me前μ2＝μ12＝0，因此惯性质量me的引入会令最优调谐频率与引入之前相比有所增大，从而令弹簧的最优刚度也有所增大，进一步降低了弹簧静位移。
当然可以理解的是，本实施例里中由齿轮组件构成的减速机构，也可以采用其他的替换形式，例如摩擦组件或连杆组件等，只要具备减速功能即可。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是，本实施例在底座1相对的两个内侧面增设了防撞块9，用于减少构件损坏。本实施中第一齿轮4、第二齿轮5均与底座1可拆卸式连接，便于更换不同尺寸的第一齿轮4和第二齿轮5，进而调整弹簧的总长，使得TMD能够安装叶片的各个位置。
此外，本实施例将阻尼元件8替换为油阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器中的一种或多种。
实施例3
本实施例公开了一种风力发电机叶片，包括叶片空腔，叶片空腔内固定安装有如实施例1或2所述的一种风力发电机叶片减振装置。
具体的，叶片空腔内可以间隔安装有多个所述风力发电机叶片减振装置，并调整阻尼器的惯性质量与阻尼系数，以适应叶片各个安装位置对阻尼器的性能要求。
安装位置可根据实际情况设定：越靠近叶根，TMD自身振幅越小，且叶片内部空间越大，但是TMD理论减振作用越差，因此需要增加TMD振子质量(提高振子与减振结构质量比，加强减振效果)与TMD的灵敏度(减小启动工作力)，保证TMD在结构小位移的情况下能够正常工作，所以要减小惯性质量(增大振子即质量块振幅)，降低阻尼系数C1(增大灵敏度)；反之，越靠近叶尖，TMD自身振幅越大，且叶片内部空间越小，但是TMD理论减振作用较好，因此需要减小TMD振子质量，增大惯性质量，阻尼系数越大，减小TMD振子振幅，以保证TMD在正常工作过程中不会与叶片内腔发生碰撞。
实施例4
一种风力发电机，包括如实施例3所述的一种风力发电机叶片。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机叶片减振装置，其特征在于，所述减振装置为调谐质量阻尼器，包括弹簧部、质量块(3)、减速机构、滑轨(7)和阻尼元件(8)，所述减振装置能够固定安装于风力发电机叶片(0)的空腔内，所述质量块(3)能够沿着所述滑轨(7)滑动，所述减速机构的高速端与所述质量块(3)连接，所述减速机构的低速端与所述弹簧部连接，所述阻尼元件(8)用于提供阻尼。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机叶片减振装置，其特征在于，所述减速机构为齿轮组件或摩擦组件或连杆组件。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电机叶片减振装置，其特征在于，所述齿轮组件包括同轴固接的第一齿轮(4)和第二齿轮(5)，所述一齿轮(4)的半径大于所述第二齿轮(5)的半径，所述弹簧部包括第一齿条(6)和弹簧(2)，所述第一齿条(6)的两端分别连接所述弹簧(2)，所述第二齿轮(5)与所述第一齿条(6)相啮合，所述质量块(3)的外轮廓设有第二齿条，所述第一齿轮(4)与所述第二齿条相啮合。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机叶片减振装置，其特征在于，还包括底座(1)，所述底座(1)为槽型结构，所述弹簧(2)的一端连接所述第一齿条(6)，另一端分别连接所述底座(1)相对的两个内侧面。
5.根据权利要求4所述的一种风力发电机叶片减振装置，其特征在于，所述质量块(3)位于所述第一齿条(6)、所述弹簧(2)的上方或下方，所述滑轨(7)连接所述底座(1)相对的两个内侧面。
6.根据权利要求4所述的一种风力发电机叶片减振装置，其特征在于，所述第一齿轮(4)、所述第二齿轮(5)均与所述底座(1)可拆卸式连接。
7.根据权利要求4-6任一所述的一种风力发电机叶片减振装置，其特征在于，所述阻尼元件(8)为磁钢，所述磁钢固定安装于所述质量块(3)或所述第一齿条(6)，所述底座(1)的内底面设有导体板，所述磁钢产生的磁感线能够被所述导体板切割。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种风力发电机叶片减振装置，其特征在于，所述阻尼元件(8)为油阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器中的一种或多种。
9.一种风力发电机叶片，其特征在于，包括叶片空腔，所述叶片空腔内间隔安装有多个如权利要求1-8任一所述的一种风力发电机叶片减振装置。
10.一种风力发电机，其特征在于，包括如权利要求9所述的一种风力发电机叶片。
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