CN209414046U - 水上风力发电机塔筒减振阻尼索 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水上风力发电机塔筒减振阻尼索。本实用新型的技术要点是，它包括均布于塔筒周围、连接于塔筒与水底锚固装置的若干套阻尼索装置；所述阻尼索装置包括主索，主索上端绕过固定于风力发电机风叶扫过面下方的塔筒壁上的定滑轮后、向下依次与固定于塔筒壁上的复位弹簧装置和阻尼器相连，主索下端则与水底锚固装置的锚杆固接。本实用新型利用塔筒风致振动时与地面的振动位移，驱动耗能阻尼器消耗塔筒振动能量，从而抑制风机塔筒振动。
Description
技术领域
本实用新型属于风力发电机塔筒减振技术领域，具体涉及一种水上风力发电机塔筒减振阻尼索。
背景技术
风力发电机塔筒在强风作用下可能因漩涡激励、脉动风、风叶飞舞、风叶对塔筒周期性遮挡、传动轴的偏心转动等引发塔筒的大幅振动，特别是海上风力发电机，其承台基础还受到海浪周期性拍打导致塔筒更易发生大幅振动，导致塔筒基础开裂、塔筒疲劳破坏等事故发生。
为了获取更大的风能转化功率，降低发电成本，塔筒的高度不断增长，塔筒更容易发生大幅、多模态振动，塔筒振动已成为塔筒高度增长最大的障碍。现有风机塔筒减振主要采用调谐减振，调谐减振的原理是在塔筒内通过弹簧和阻尼器连接一质量块，通过合理设计质量块的质量，弹簧刚度和阻尼器参数，使之形成调谐质量阻尼器(TMD)，如图1所示。图1中，m为质量块的质量，k为弹簧刚度，c为阻尼器阻尼，M为主结构的质量，k1为主结构刚度，c1为主结构阻尼，F为结构所受到的风、流体等激励荷载的动力部分，F0为外激励的幅值，ω为外激励的频率，t为时间。
当塔筒发生大幅振动时，利用共振原理，即TMD的频率与塔筒振动频率一致，使TMD发生大幅振动，利用TMD的惯性力平衡外加激励，从而抑制结构的振动。TMD的减振原理决定了其仅能对塔筒的单阶频率进行减振，当TMD本身的频率与结构振动频率偏离时，TMD的振幅迅速减小，导致其减振效果迅速下降。同时，随着结构振动频率的减小，惯性力迅速减小，可能难以平衡外加激励。高耸的塔筒不但具有极低的基频，同时会发生多阶频率的振动。
采用耗能阻尼器(包括各种流体阻尼器、摩擦阻尼器、橡胶阻尼器、金属阻尼器、电涡流阻尼器等耗能元件)减振的方式，由于阻尼器本身尺寸小，仅能安装在塔筒基础处，而塔筒振动主要表现为悬臂梁式振动，塔筒下部振动很小，波峰处于塔筒中、上段，仅能安装于塔筒临近基础位置的耗能阻尼器的效果无法发挥，因而目前耗能阻尼器无法抑制高耸塔筒的风致振动。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现在技术存在的上述缺陷，提供一种利用塔筒风致振动时与地面的振动位移，驱动耗能阻尼器消耗塔筒振动能量，从而抑制风机塔筒振动的水上风力发电机塔筒减振阻尼索。
本实用新型的目的是通过如下的技术方案来实现的：该水上风力发电机塔筒减振阻尼索，它包括均布于塔筒周围、连接于塔筒与水底锚固装置的若干套阻尼索装置；所述阻尼索装置包括主索，主索上端绕过固定于风力发电机风叶扫过面下方的塔筒壁上的定滑轮后、向下依次与固定于塔筒壁上的复位弹簧装置和阻尼器相连，主索下端则与水底锚固装置的锚杆固接。
具体的，所述复位弹簧装置包括通过上连接器与主索上端连接的拉杆，位于上连接器之下的塔筒壁上依次固连有上限位板和下限位板，上限位板与下限位板之间固连有保护筒，拉杆活动穿过上限位板的中心孔后套有复位弹簧，复位弹簧底端的拉杆上固连有承压板，复位弹簧位于保护筒内；所述阻尼器包括固接于下限位板底面上的阻尼器外缸体，阻尼器活塞杆的上端活动穿过下限位板的中心孔后，通过下连接器与拉杆下端连接。
具体的，所述主索采用高强度、高刚度、耐腐蚀的碳纤维或玻璃纤维材料制作而成。
进一步的，所述主索在水面以下的部分，其内部包裹有轻质、防水的泡沫材料。
具体的，所述阻尼索装置为三套，均匀环绕于塔筒周围。
本实用新型具有如下创新点及有益效果：
(1)利用水底锚固装置抑制塔筒的大幅振动。
(2)利用水中的浮力减小阻尼索即主索垂度，使主索在较小的预张力下保持近似直线，具有最大的抗拉刚度。
(3)利用主索与复位弹簧的大刚度比，实现当塔筒振动时，复位弹簧发生较大变形，而主索变形较小。
(4)利用复位弹簧的大变形，驱动阻尼器耗能减振。
(5)适当的预张力和阻尼器参数，可以保证主索总处于张紧状态。
(6)利用碳纤维等高强度、高刚度和抗腐蚀性，保证阻尼索的耐久性。
(7)采用限位板对于调整索力方便。
附图说明
图1是现有调谐质量阻尼器(TMD)的原理示意图。
图2是本实用新型实施例安装使用时的立面结构示意图。
图3是图2中Ⅰ处的放大图。
图4是图2中上连接器的结构示意图。
图5是图4的C-C剖面图。
图6是图2中A-A处剖面图。
图7是图2中B-B处剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。
参见图2至图7，本实施例的水上风力发电机塔筒减振阻尼索，它包括均布于风力发电机1的塔筒2周围、连接于塔筒2与水底锚固装置的三套阻尼索装置，三套阻尼索装置沿塔筒2按120°圆心角安装，抑制塔筒任意方向的振动。阻尼索装置包括主索3，主索3采用高强度、高刚度、耐腐蚀的材料如碳纤维、玻璃纤维或其它材料制作而成。主索3上端绕过固定于风力发电机风叶扫过面下方安全位置(尽量上移)的塔筒壁4上的定滑轮5后、向下依次与固定于塔筒壁4上的复位弹簧装置和阻尼器相连，主索3下端则与水底锚固装置的锚杆6固接。图1中，7为风机承台，8为风机基础桩，9为水面。水下锚固装置采用抗拔桩(对于软弱岩层)或锚杆(对于水下为坚硬岩层)。
参见图3，复位弹簧装置包括通过上连接器10与主索3上端连接的拉杆11，参见图4、图5，上连接器10是一个带有中心孔101和多个边孔102的圆盘，拉杆11上端穿过中心孔101并用螺母固定，由多股钢绞线(或其它高强度、高刚度的材料)组成的主索3的每股钢绞线穿过边孔102并用锚具固定。位于上连接器10之下的塔筒壁4上依次固连有上限位板12和下限位板13，上限位板12与下限位板13之间固连有保护筒14，拉杆11活动穿过上限位板12的中心孔后套有复位弹簧15，复位弹簧15底端的拉杆11上固连有承压板16，复位弹簧15位于保护筒14内。阻尼器包括固接于下限位板13底面上的阻尼器外缸体17，阻尼器活塞杆18的上端活动穿过下限位板13的中心孔后，通过下连接器19与拉杆11下端连接；下连接器19是一个轴向较长的螺母，其上端与拉杆11下端螺纹连接，其下端与阻尼器活塞杆18上端螺纹连接。在预紧力的作用下，主索处于受拉状态，复位弹簧处于受压状态。近似直线的阻尼索因垂度小，其上下锚固端的抗拉刚度(弦向刚度)接近于直线刚度。
参见图2、图6、图7，为了减小主索3的垂度，主索3水面以下部分，其内部包裹有轻质、防水的泡沫材料20，保证其平均密度接近于水的密度，利用水的浮力减小阻尼索的垂度；水面以上部分制作成实心杆件。尽量提高阻尼索的预张拉力，使得主索成近似直线。
当塔筒与基础桩发生弯曲振动时，主索上锚固端与上限位板间的距离发生周期性变化，主索上锚固端的位置高，其振动位移较大。由于主索抗拉刚度远大于复位弹簧刚度，并且主索拉力与复位弹簧压力的大小相等，导致主索长度变化小，而复位弹簧的长度变化较大。复位弹簧长度的变化表现为拉杆与限位板的相对运动。通过下连接器连接拉杆与阻尼器活塞杆，塔筒的振动带动阻尼器活塞杆相对于阻尼器缸体运动，推导阻尼器消耗塔筒振动能量，从而抑制塔筒振动。
以上是本实用新型的一个具体实施例，本实用新型还有其它可能的等同变换或类同修改，如：
(1)阻尼索采用多套，在塔筒不同高度处安装。
(2)增加副索，提高阻尼索的抗拉刚度。
(3)阻尼索间加连接索或耗能装置，增大阻尼索本身横向刚度或减小阻尼索本身的振动。
(4)改变锚碇方式。
(5)当两风机塔筒距离较短时，阻尼索不连锚碇，直接在两塔筒间进行连接，同时抑制两塔筒振动。
(6)阻尼索减振同样可用于高耸结构或塔架。
因此，在不改变本实用新型基本构思的情况下，任何其它等同技术特征的变换或修改，都应属于本实用新型权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种水上风力发电机塔筒减振阻尼索，其特征在于：它包括均布于塔筒周围、连接于塔筒与水底锚固装置的若干套阻尼索装置；所述阻尼索装置包括主索，主索上端绕过固定于风力发电机风叶扫过面下方的塔筒壁上的定滑轮后、向下依次与固定于塔筒壁上的复位弹簧装置和阻尼器相连，主索下端则与水底锚固装置的锚杆固接。
2.根据权利要求1所述水上风力发电机塔筒减振阻尼索，其特征在于：所述复位弹簧装置包括通过上连接器与主索上端连接的拉杆，位于上连接器之下的塔筒壁上依次固连有上限位板和下限位板，上限位板与下限位板之间固连有保护筒，拉杆活动穿过上限位板的中心孔后套有复位弹簧，复位弹簧底端的拉杆上固连有承压板，复位弹簧位于保护筒内；所述阻尼器包括固接于下限位板底面上的阻尼器外缸体，阻尼器活塞杆的上端活动穿过下限位板的中心孔后，通过下连接器与拉杆下端连接。
3.根据权利要求1所述水上风力发电机塔筒减振阻尼索，其特征在于：所述主索采用高强度、高刚度、耐腐蚀的碳纤维或玻璃纤维材料制作而成。
4.根据权利要求1所述水上风力发电机塔筒减振阻尼索，其特征在于：所述主索在水面以下的部分，其内部包裹有轻质、防水的泡沫材料。
5.根据权利要求1所述水上风力发电机塔筒减振阻尼索，其特征在于：所述阻尼索装置为三套，均匀环绕于塔筒周围。
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