RU2472987C2 - Vibration damper of mast winter plant - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: vibration damper is integrated in the base of mast and contains fixed embedded element rigidly mounted in mast and supported by spring. Spring is strutted by movable embedded element inside mast, the element is located on ball. Ball is installed on cup with concave spherical surface provided with limit ring preventing ball overrunning cups boundaries.

EFFECT: damping axial and radial vibration oscillations and mast centring, preventing occurrence of standing waves.

2 cl, 8 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к ветряным (ветроэнергетическим, ветросиловым) установкам, конкретно к конструкции мачты.The present invention relates to wind (wind energy, wind power) installations, specifically to the construction of the mast.

Целью изобретения является гашение вибраций, возникающих при вращении ротора ветряной установки и передающихся с ротора на мачту, гашение стоячих волн, приходящих от ротора и распространяющихся вдоль мачты, а также самоцентрирование мачты.The aim of the invention is the damping of vibrations arising from the rotation of the rotor of the wind turbine and transmitted from the rotor to the mast, the damping of standing waves coming from the rotor and propagating along the mast, as well as self-centering of the mast.

При работе ветряной установки, особенно с вертикальной осью вращения, на определенных частотах вращения, в ступице ротора возникают вибрационные колебания благодаря неидеальной балансировке ротора, неизбежно имеющей погрешности при любом из известных способов балансировки и регулировки наклона ротора, а также в связи с внешними воздействиями (наледь, попадание воды в лопасть, перекосы и т.д.). Вибрационные колебания передаются на мачту, на которой размещена установка. При жестком (консольном) креплении к фундаменту нижний конец мачты не может гасить колебания, в связи с чем:During the operation of a wind turbine, especially with a vertical axis of rotation, at certain rotation frequencies, vibrations occur in the rotor hub due to imperfect balancing of the rotor, which inevitably has errors for any of the known methods of balancing and adjusting the inclination of the rotor, as well as due to external influences (ice water getting into the blade, distortions, etc.). Vibration vibrations are transmitted to the mast on which the installation is located. With a rigid (cantilever) attachment to the foundation, the lower end of the mast cannot dampen vibrations, and therefore:

1. Вибрационные колебания передаются конструкции фундамента. При расположении фундамента мачты на инженерном сооружении (здание, мостовые конструкции и т.д.) вибрационные колебания передаются конструкции сооружения, что негативно сказывается на прочности конструкций и может привести к их разрушению.1. Vibrational vibrations are transmitted to the foundation structure. When the mast foundation is located on an engineering structure (building, bridge structures, etc.), vibrational vibrations are transmitted to the structure of the structure, which negatively affects the strength of the structures and can lead to their destruction.

2. Может возникнуть стоячая волна (волны), приводящая к возникновению вертикальных возвратно-поступательных и радиальных вибрационных колебаний и, в конце концов, к последующему разрушению установки.2. A standing wave (s) may occur, leading to the occurrence of vertical reciprocating and radial vibrational vibrations and, ultimately, to the subsequent destruction of the installation.

Известен ряд изобретений, служащих для гашения вибраций различных конструкций. Российские патенты №2272175, №2268423, №2246647, №2229638, №2000126760, №2224931, №2222731, иностранные патенты USD 571643S, US 4668109.A number of inventions are known for damping vibrations of various designs. Russian patents No. 2272175, No. 2268423, No. 2226647, No. 2229638, No. 2000126760, No. 2224931, No. 2222731, foreign patents USD 571643S, US 4668109.

Российское изобретение №2224931 наиболее близко к предлагаемому по целям и способам их достижения и может являться прототипом для заявляемого изобретения. Прототип представляет собой фрикционный гаситель колебаний, шарнирно закрепленный на подрессоренной раме тележки железнодорожного подвижного состава. В корпусе размещены сжатые упругими элементами через клинья фрикционные элементы, шарнирно соединенные с неподрессоренной частью тележки. Верхний упругий элемент оперт на подрессоренную раму тележки, а нижний упругий элемент оперт на неподрессоренную часть тележки.Russian invention No. 2224931 is closest to the proposed in terms of goals and methods for their achievement and may be a prototype for the claimed invention. The prototype is a friction damper, pivotally mounted on the sprung frame of the railway rolling stock carriage. Friction elements compressed by elastic elements through wedges are pivotally connected to the unsprung part of the trolley in the housing. The upper elastic element is supported on the sprung frame of the trolley, and the lower elastic element is supported on the unsprung part of the trolley.

Недостатком прототипа является невозможность применения данного изобретения в мачтах ветряных установок, отсутствие гашения радиальных вибрационных колебаний и стоячих волн. Данная конструкция не дает возможность самоцентрирования мачты, что является важным аспектом при работе ветряной установки. Кроме того, в таком применении недостатком данного прототипа является его дороговизна в связи с большим весом используемого материала.The disadvantage of the prototype is the inability to use this invention in the masts of wind turbines, the absence of damping of radial vibrational oscillations and standing waves. This design does not allow mast self-centering, which is an important aspect when operating a wind turbine. In addition, in this application, the disadvantage of this prototype is its high cost due to the large weight of the material used.

Цель настоящего изобретения достигается тем, что нижний конец мачты ветряной установки содержит неподвижный закладной элемент, жестко вмонтированный в мачту и подпертый пружиной для гашения осевых (вертикальных возвратно-поступательных) вибрационных колебаний, которая опирается на находящийся внутри мачты подвижный закладной элемент, расположенный на шаре, установленном на чаше с вогнутой сферической поверхностью, имеющей ограничительное кольцо, препятствующее выходу шара за пределы чаши. При возникновении в мачте вибрационных колебаний и/или стоячей волны за счет смещения шара и его передвижения по вогнутой сферической поверхности виброгаситель мачты ветряной (ветроэнергетической, ветросиловой) установки выполняет три функции - самоцентрирование мачты, гашение осевых (вертикальных возвратно-поступательных) колебаний и гашение стоячих волн.The purpose of the present invention is achieved in that the lower end of the mast of the wind turbine contains a fixed embedded element, rigidly mounted in the mast and supported by a spring to absorb axial (vertical reciprocating) vibrational vibrations, which is based on the movable embedded element located inside the mast located on the ball, mounted on a bowl with a concave spherical surface having a restrictive ring that prevents the ball from leaving the bowl. When vibrations and / or a standing wave occur in the mast due to the displacement of the ball and its movement along the concave spherical surface, the vibration damper of the wind turbine mast (wind energy, wind power) performs three functions - self-centering of the mast, damping of axial (vertical reciprocating) vibrations and damping of standing waves.

В другом варианте виброгаситель, служащий для гашения аксиальных (вертикальных возвратно-поступательных) вибрационных колебаний, вместо пружины содержит цилиндрический элемент, выполненный из эластичного полимерного материала, например резины, и представляющий собой цилиндрическое тело, расположенное концентрично внутри мачты, при этом верхнее основание цилиндра упирается в жестко зафиксированный в мачте упор, а нижнее основание цилиндра опирается на подвижный вдоль оси мачты закладной элемент, в свою очередь расположенный на шаре, установленном на чаше с вогнутой сферической поверхностью, имеющей ограничительное кольцо, препятствующее выходу шара за пределы чаши.In another embodiment, the vibration damper, which serves to damp axial (vertical reciprocating) vibrational vibrations, instead of a spring, contains a cylindrical element made of an elastic polymer material, such as rubber, and which is a cylindrical body located concentrically inside the mast, while the upper base of the cylinder abuts in the support rigidly fixed in the mast, and the lower base of the cylinder rests on the embedded element moving along the axis of the mast, which in turn is located on the ball, mounted on a bowl with a concave spherical surface having a restrictive ring that prevents the ball from leaving the bowl.

В дополнение к обоим описанным вариантам устройство может содержать элемент, ограничивающий предельно допустимые радиальные (горизонтальные) вибрационные колебания основания мачты и представляющий собой цилиндрический кожух с демпфирующей прокладкой из полимерного материала, расположенной между кожухом и чашей виброгасителя. В результате действия вибрационных колебаний нижнее основание мачты смещается по горизонтали до кожуха, который демпфирует возникающую нагрузку за счет своей деформации и сопротивления демпфирующей полимерной прокладки.In addition to both of the described options, the device may contain an element that limits the maximum permissible radial (horizontal) vibrational vibrations of the mast base and is a cylindrical casing with a damping pad made of polymer material located between the casing and the vibration damper cup. As a result of the action of vibrational vibrations, the lower base of the mast is displaced horizontally to the casing, which dampens the resulting load due to its deformation and the resistance of the damping polymer gasket.

При этом в мачтах, изготовленных в виде трубы круглого или иного сечения, используется один виброгаситель, для мачт-ферм может быть применено по одному виброгасителю для каждой опоры фермы.At the same time, in masts made in the form of a pipe of circular or other section, one vibration damper is used; for mast farms, one vibration damper can be used for each support of the truss.

Предлагаемый виброгаситель отличается тем, что он используется в другой области техники, служит для гашения всех возможных вибрационных колебаний мачты ветряной установки, а также стоячих волн. Данный виброгаситель может также использоваться для гашения вибрационных колебаний, возникающих в инженерных сооружениях (зданиях, мостовых конструкциях, крановых и подъемных механизмах и т.д.).The proposed vibration damper is characterized in that it is used in another field of technology, serves to damp all possible vibrational vibrations of the mast of the wind turbine, as well as standing waves. This vibration damper can also be used to damp vibrations that occur in engineering structures (buildings, bridge structures, crane and hoisting mechanisms, etc.).

Ниже подробно описана конструкция.The construction is described in detail below.

На фиг.1 представлен эскиз виброгасителя. Мачта-труба 7 через упор 1, жестко вмонтированный в ней, передает усилие на пружину 2-1, которая опирается на подвижный вдоль оси мачты закладной элемент 3, расположенный на шаре 4. Нижняя сферическая поверхность подвижного закладного элемента 3 имеет радиус закругления больший, чем у шара 4. При возникновении осевых (вертикальных возвратно-поступательных) вибрационных колебаний мачты 8 пружина 2-1 сглаживает колебания 8, тем самым уменьшая вибрационную нагрузку 9 на чашу 6, направленную вертикально. Вогнутая сферическая верхняя поверхность чаши 6 способствует удержанию шара 4 в центральном положении. При возникновении радиальных (горизонтальных) колебаний шар 4 смещается под их действием, однако всегда стремится возвратиться на место благодаря силе тяжести, действующей на ротор, ступицу и мачту. Таким образом происходит не только гашение радиальных колебаний, но и самоцентрирование шара и в конечном итоге мачты. Ограничительное кольцо 5 не дает шару выйти за края чаши при любой амплитуде радиальных колебаний. Данная конструкция препятствует возникновению стоячих волн, которые могут возникнуть в консольно закрепленной мачте.Figure 1 presents a sketch of a vibration damper. The mast pipe 7 through the stop 1, rigidly mounted in it, transfers force to the spring 2-1, which rests on the embedded element 3 moving along the mast axis located on the ball 4. The lower spherical surface of the movable embedded element 3 has a radius of curvature greater than at the ball 4. When axial (vertical reciprocating) vibrational vibrations of the mast 8 occur, the spring 2-1 smoothes the vibrations 8, thereby reducing the vibrational load 9 on the bowl 6 directed vertically. The concave spherical upper surface of the bowl 6 helps to keep the ball 4 in a central position. When radial (horizontal) oscillations occur, the ball 4 is displaced under their action, however, it always tends to return to its place due to the force of gravity acting on the rotor, hub and mast. Thus, not only the damping of radial vibrations occurs, but also the self-centering of the ball and, ultimately, the mast. The restrictive ring 5 does not allow the ball to go beyond the edges of the bowl at any amplitude of radial vibrations. This design prevents standing waves that may occur in a cantilever mast.

На фиг.2 представлен эскиз второго варианта виброгасителя. Мачта-труба 7 через упор 1, жестко вмонтированный в ней, передает усилие на демпфирующий элемент из полимерного материала, например резины 2-2, который опирается на подвижный вдоль оси мачты закладной элемент 3, расположенный на шаре 4. Нижняя сферическая поверхность подвижного закладного элемента 3 имеет радиус закругления больший, чем у шара 4. При возникновении осевых (вертикальных возвратно- поступательных) вибрационных колебаний мачты 8 демпфирующий элемент 2-2 сглаживает колебания 8, тем самым уменьшая вибрационную нагрузку 9 на чашу 6, направленную вертикально. Вогнутая сферическая верхняя поверхность чаши 6 способствует удержанию шара 4 в центральном положении. При возникновении радиальных (горизонтальных) колебаний шар 4 смещается под их действием, однако всегда стремится возвратиться на место благодаря силе тяжести, действующей на ротор, ступицу и мачту. Таким образом происходит не только гашение радиальных колебаний, но и самоцентрирование шара и в конечном итоге мачты. Ограничительное кольцо 5 не дает шару выйти за края чаши при любой амплитуде радиальных колебаний. Данная конструкция препятствует возникновению стоячих волн, которые могут возникнуть в консольно закрепленной мачте.Figure 2 presents a sketch of a second variant of the vibration damper. The mast pipe 7 through the stop 1, rigidly mounted in it, transfers force to a damping element made of a polymer material, for example rubber 2-2, which is supported by a mortgage element 3 moving along the axis of the mast, located on the ball 4. The lower spherical surface of the movable mortgage element 3 has a radius of curvature greater than that of the ball 4. When axial (vertical reciprocating) vibrational vibrations of the mast 8 occur, the damping element 2-2 smooths the vibrations 8, thereby reducing the vibrational load 9 on the bowl 6, vertically aligned. The concave spherical upper surface of the bowl 6 helps to keep the ball 4 in a central position. When radial (horizontal) oscillations occur, the ball 4 is displaced under their action, however, it always tends to return to its place due to the force of gravity acting on the rotor, hub and mast. Thus, not only the damping of radial vibrations occurs, but also the self-centering of the ball and, ultimately, the mast. The restrictive ring 5 does not allow the ball to go beyond the edges of the bowl at any amplitude of radial vibrations. This design prevents standing waves that may occur in a cantilever mast.

На фиг.3 и 4 представлены варианты виброгасителей с дополнительным ограничительным элементом 11, ограничивающим предельно допустимые колебания основания мачты. В целом, конструкция работает аналогично представленной на фиг.1 и 2, однако при возникновении радиальных (горизонтальных) вибрационных колебаний, превышающих расчетные пределы допустимых параметров, ограничитель 11 в совокупности с демпфирующей прокладкой 10, выполненной из эластичного полимерного материала, например резины, ограничивает амплитуду колебаний и частично гасит вибрацию за счет своих естественных демпфирующих свойств. При этом отпадает надобность в ограничительном кольце 5. Предельно допустимая амплитуда колебаний исчисляется отдельно для каждого конкретного вида (типа, массы и других параметров) ветряных установок и мачт. Кроме того, дополнительный ограничительный элемент является кожухом для всего виброгасителя и предотвращает попадание пыли, осадков и других инородных тел в виброгаситель.Figures 3 and 4 show variants of vibration dampers with an additional restrictive element 11, which limits the maximum permissible vibrations of the mast base. In general, the design works similarly to that shown in Figs. 1 and 2, however, when there are radial (horizontal) vibrational vibrations that exceed the calculated limits of acceptable parameters, the limiter 11 in combination with a damping pad 10 made of an elastic polymer material, for example rubber, limits the amplitude vibrations and partially dampens vibration due to its natural damping properties. In this case, there is no need for a restrictive ring 5. The maximum allowable amplitude of oscillations is calculated separately for each specific type (type, mass and other parameters) of wind turbines and masts. In addition, an additional restrictive element is a casing for the entire vibration damper and prevents dust, precipitation and other foreign bodies from entering the vibration damper.

Claims (2)

1. Виброгаситель мачты ветряной установки, встроенный в основание мачты и содержащий неподвижный закладной элемент, жестко вмонтированный в мачту и подпертый пружиной для гашения осевых вертикальных возвратно-поступательных вибрационных колебаний, которая опирается на находящийся внутри мачты подвижный закладной элемент, расположенный на шаре, установленном на чаше с вогнутой сферической поверхностью, имеющей ограничительное кольцо, препятствующее выходу шара за пределы чаши, и служащий для гашения возникающих колебаний и центрирования мачты при возникновении в мачте вибрационных колебаний и/или стоячей волны за счет смещения шара и его передвижения по вогнутой сферической поверхности.1. The vibration damper of the mast of the wind turbine, built into the base of the mast and containing a fixed embedded element, rigidly mounted in the mast and supported by a spring to absorb axial vertical reciprocating vibrational vibrations, which is supported by a movable embedded element located inside the mast, located on a ball mounted on a ball bowl with a concave spherical surface having a restrictive ring that prevents the ball from exiting the bowl, and which serves to damp arising vibrations and centers mast during the occurrence of vibrations and / or standing waves in the mast due to the displacement of the ball and its movement along a concave spherical surface. 2. Виброгаситель по п.1, отличающийся тем, что для гашения осевых вертикальных возвратно-поступательных вибрационных колебаний служит цилиндрический элемент, выполненный из эластичного полимерного материала, например резины. 2. The vibration damper according to claim 1, characterized in that a cylindrical element made of an elastic polymer material, such as rubber, serves to damp the axial vertical reciprocating vibrational vibrations.

Images