CN101852188A - 一种风力发电机塔架减振装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机塔架减振装置及其装置的设计方法，其特征在于：它包括一个占风力发电机高空机舱设备的“风机质量”的三十分之一至十分之一的减振块，将减振块支撑或悬挂于塔架顶层相应位置的支撑部件，安装于塔架顶层实现减振块阻尼运动并消耗振动能量的低刚度阻尼器，在塔架顶层用支撑部件支承连接减振块，并同时通过连接在塔架顶层的阻尼器构成共振频率低达0.01～0.1Hz的甚低频谐振器式减振装置。在不用检测传感器、不用电子电路和计算机、不用消耗能源的前提下，实现对于塔架高层支承的风机质量及塔筒的减振，具有响应速度因不依赖上述条件而更快捷、具有因环节简单而更可靠、具有不依赖外部能源而更节能等优点，廉价而可靠地解决了风力发电机等高架设备的塔架断裂、松动、倒塌事故的防治途径。

Description

一种风力发电机塔架减振装置及设计方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机塔架减振装置及设计方法，属于风力发电机安全运行配套技术范畴。

技术背景

现代高架设施日益增多，为了防止风力、地震等外在因素引起的振动和广义共振对高层设施的破坏，在多数有条件设置外部阻尼或加固条件的场合，都增加外设的拉索等附件，常见从其高端各方向对大地加上斜拉的拉索，如钢铁冶金、石油化工的高反应塔以及电力传输塔架或电杆等，都是通过外设的拉索等附件来增加他们的稳定性的。然而，也有一些设施却不能外加上述减振装置。如城市高层建筑物，特别是具有一定高度、又长时间处于有风环境中的风力发电机，更无法采用上述技术措施来解决稳定问题。对风力发动机而言，构成其主要质量的机舱总成由高耸的塔架独立支撑在高空，不仅环境恶劣(特别选择安装在强风环境中以利发电)，呈现重心高、塔架刚度低、共振频率低的特征，而且受到风力发电机转动叶轮的激振力的周而复始的直接作用；此外，由于高空叶轮的半径略小于塔架高度，叶轮又必须追踪多变的风向而可能朝向任意方向，根本不能采用在外部设置拉索之类的技术措施获得减振阻尼，因为它必然妨碍叶轮安全。

正是风力发动机处于上述技术条件及工作环境，以致时有塔架联接螺栓松动断裂、塔架倒塌等重大事故发生，造成每例上千万元的损失，制约着人类为实现减排、低碳、环保的能源战略目标而进行风能开发的进展。

为了降低高架设备特别是风力发电机因风而产生的塔架破坏性振动，现有已公开的技术解决方案如下：

其一，在风力发电机的由多段圆形塔筒连接而成的塔架顶部，位于风力发电机的机舱下方，放置数十吨的沙袋，力图利用振动时沙粒或沙袋相互运动产生的摩擦消耗振动能量、降低振动。实际应用表明：效果很差，因为所有沙粒随着塔顶同步运动而很少发生相对运动。

其二，把支撑风力发电机的高层塔筒制成夹层，并在夹层之间注满沙石，力图利用振动时沙石相互运动的摩擦降低振动。实际效果也很差，因为所有沙石随着塔筒同步运动而很少发生相对运动。

以致使用了上述减振措施的塔架和装备仍然时常发生重大运行事故。

此外，在全球屈指可数的某些特高层大楼中，在高空利用该建筑物中数层楼的高度，在内部安装价值数千万元的主动控制阻尼器，通过测量风向、风力、大楼的震动，通过计算机计算，发出指令，控制液压或气压装置，相对大楼对所安装的数百吨的重物作反向运动，达到抗衡外力引起的振动。该技术虽能使大楼的振动降低约50％左右。但其造价和效果均不能为风力发电机领域所接受。

在现有的高层塔架减振技术方案中：提出在塔架高端吊挂一个等于塔架共振频率的、无(或仅有极小)阻尼的单摆也可以实现塔架载共振频率上的减振。但单摆的振幅却比未增加单摆时的塔架振幅更大，无法在空间有限的塔架内部使用；而且由于塔架的共振频率随着风速的变化而产生变化，固定频率的单摆却无法跟踪该频率而失败，更因为增加同频单摆后的系统降低了共振频率而不容。

根据本发明设计人对风力发电机基本结构及运转动力学的分析，风力发电机运行中易受损的原因如下：

风力发电机的工作特点有别于其它静止的固定设备，它不仅有转动的叶轮，由于叶轮具有机械结构的或气动因素的不平衡量，在运转中将产生与转轴方向垂直的不平衡力，引起塔架系统发生横向振动。叶轮的工作转速常选用8～20r/min，对应的转速频率f_j＝0.1333～0.3333Hz，但启动时的转速频率范围是0～0.1333Hz。由于风力发电机的达到上百吨的质量主要集中于塔架顶端的机舱中，而塔架多采用钢制的薄壁塔筒，其横向刚度低，以致风力发电机塔架系统的固有共振频率fg很低；为了防止塔架系统与叶轮转动频率共振和降低造价，塔架的共振频率往往设计为高于叶轮最高转动频率，即设计为fg＝0.35～0.5Hz。但因为该系统的共振频率低，特别是无法对大地设置外部的辅助阻尼，所以其共振的Q值特别高，共振对于同频振动的增益或放大因子特别大，以致风速的变化、阵风、台风都能激发塔架发生大幅度的、衰减很慢的、持续时间很长的广义共振(自由衰减振动)。正是由于塔筒、塔筒各段之间的连接螺栓频繁地受到广义共振的强大交变应力而发生疲劳、拉伸、松动、断裂，降低了塔筒的横向刚度，进而降低塔架的共振频率。一旦共振频率降低到叶轮转频范围就发生共振，使已经破损的上述零部件受到超常的巨大应力而切断、撕裂和倒塌。

为了提高塔架的安全指数，试图增加塔架的壁厚以提高共振频率是不现实的，因为该结构方式的阻尼仍然很低，仍然避免不了高Q值的广义共振及其破坏作用。唯有增加经典的阻尼(但条件限制而不能实现)或者能够起到减振作用的减振装置，方能从根本上克服该隐患。

因此迫切需求一种能够克服上述现有技术的缺点的新的塔架减振装置。

发明内容

本发明的目的：旨在提出一种风力发电机塔架减振装置及设计方法，在风力发电机等塔架接近顶部的高处，安装一种不用检测风力、风速、振动的，不需计算机等电子设备的，不用消耗电力而能实现主动控制的“自适应减振装置”，减小塔架振动，保护设备的安全；主要用于安装在高架设备的塔架顶端内部，解决诸多高架设备不能设置外部阻尼减振的困难，通过吸收振动、增加阻尼、消耗振动功率，达到减小塔架振动(特别是广义共振)，防止塔架破损、倒塌事故的目的。

本发明所提出的一种风力发电机塔架减振装置及设计方法，其特征在于：它包括一个占风力发电机高空机舱设备的“风机质量”的三十分之一至十分之一的减振块，将减振块支撑或悬挂于塔架顶层相应位置的支撑部件，安装于塔架顶层实现减振块阻尼运动并消耗振动能量的低刚度阻尼器，在塔架顶层用支撑部件支承连接减振块，并同时通过连接在塔架顶层的阻尼器构成共振频率低达0.01～0.1Hz的甚低频谐振器式减振装置。

所述的支撑或悬挂减振块的支撑部件，为连接塔架顶层上顶板与减振块之间的钢丝绳。

所述的支撑或悬挂减振块的支撑部件，为一端接在塔筒顶层的顶板和底板上、另一端接在减振块上的钢丝绳；所述的钢丝绳长度均以保证减振块不至于跌落到底板上或上抛到顶板，也不至于横向撞击塔筒及塔筒中的其它原有结构为准。

所述的支撑或悬挂减振块的支撑部件，为一端铰接在塔筒顶层底板上，另一端铰接在减振块上的拉杆，所述拉杆长度均以保证减振块不至于跌落到底板上或上抛到顶板，也不至于横向撞击塔筒及塔筒中的其它原有结构为准。

所述的支撑或悬挂减振块的支撑部件，为一端固定在底板上、另一端固定在减振块上的金属橡胶弹簧，所述金属橡胶弹簧为支撑部件与阻尼器的组合体。

所述的支撑或悬挂减振块的支撑部件，为一由支撑轴通过轴承偏心安装于减振块下方、经多个滚轮支撑在塔架顶层底板上的万向滚动装置。

所述万向滚动装置下部的塔架顶层底板上设有限制滚轮滚动区间的限位挡圈。

所述的减振块安装到所述的平台型支撑部件万向滚动装置上，或将所述的减振块与所述支撑部件万向滚动装置制造为一个整体。

一种风力发电机塔架减振装置的设计方法，其特征还在于：其中减振装置的共振频率(f₀)设计方法是减振装置的共振频率(f₀)低于风力发电机叶轮的工作转速频率(f_j)和塔架的共振频率(f_g)；

其中减振块(1)的设计应满足公式f₀＝(K₂/M₂)^0.5·(1-η₂ ²)/(2π)，

M₂-为减振块(1)的质量；

K₂-为阻尼器(3-1和3-2)的刚度；

η₂-为阻尼器(3-1和3-2)的阻尼系数。

所述的一种风力发电机塔架减振装置的设计方法，其特征在于：由于机械的阻尼系数(η₂)是一个很小的、接近于0的量，所述的共振频率(f₀)公式简化为f₀≈(K₂/M₂)^0.5/(2π)。

所述的一种风力发电机塔架减振装置的设计方法，其特征在于：所述的共振频率f₀＝0.01～0.1Hz。

所述的一种风力发电机塔架减振装置的设计方法，其特征还在于：为了充分降低减振装置的共振频率(f₀)到接近于或等于0，可以把阻尼器(3)的刚度设计为接近于或等于0，即：f₀＝lim_K2→0[(K₂/M₂)^0.5/(2π)]＝0。

根据以上减振装置和设计方法提出的这种风力发电机塔架减振装置及设计方法，在不用检测传感器、不用电子电路和计算机、不用消耗能源的前提下，实现对于塔架高层支承的风机质量及塔筒的减振，具有响应速度因不依赖上述条件而更快捷、具有因环节简单而更可靠、具有不依赖外部能源而更节能等优点，廉价而可靠地解决了风力发电机等高架设备的塔架断裂、松动、倒塌事故的防治途径。

附图说明

图1风力发电机塔架减振装置示意图；

图2原有风机塔架系统的机械模型与电子等效模型；

图3增设阻尼装置的机械模型与电子等效模型；

图4塔架共振频率f1＝0.5Hz、减振装置共振频率f2＝0.1Hz，共振增益G1＝G2＝42.04dB的测试图；

图5共振频率f2＝0.1Hz，共振增益G2＝42.04dB的低阻尼减振装置无效果测试图；

图6增大减振装置的阻尼到塔架阻尼的20倍，共振频率和共振增益的测试图；

图7原塔架系统受到脉冲风力作用后的广义共振时间长达200秒钟，减振装置没有形成共振的测试图；

图8增加阻尼后的减振装置安装到塔架顶部具有减振效果的测试图；

图9安装大阻尼减振装置后塔架广义共振时间从200秒减小到50秒的测试图；

图10增加阻尼的减振装置进一步将刚度降低到0，则对0.5Hz的塔架线振频率响应降为-1.45dB的测试图；

图11增加阻尼的无刚度减振装置安装到塔架顶部具有减振效果的测试图；

图12安装大阻尼无刚度减振装置后塔架广义共振时间从200秒减小到50秒的测试图；

图13为钢丝绳支撑装置示意图；

图14为金属橡胶弹簧支撑阻尼装置示意图；

图15为滚动支撑装置示意图；

图中：1-减振块 2-1和2-2-支撑部件 2-平台支撑部件 3-1和3-2-阻尼器 4-滚动装置 5-档圈 6-金属橡胶弹簧

具体实施方式

本发明所介绍的风力发电机塔架减振装置，它包括一个占风力发电机高空机舱设备的“风机质量”的三十分之一至十分之一的减振块1，将减振块1支撑或悬挂于塔架顶部的支撑部件2-1和2-2，安装于塔架顶层实现减振块1阻尼运动、并消耗振动能量的低刚度的阻尼器3-1和3-2，在塔架顶层用支撑部件2-1和2-2支承连接减振块1，并同时通过连接在塔架顶层的阻尼器3-1和3-2构成共振频率低达风力发电机叶轮启动过渡过程转速为0.6～6r/min时对应的0.01～0.1Hz的甚低频谐振器式减振装置，如如附图1所示。

为了进一步说明该减振装置的工作原理，根据符合自然规律的机械结构-电子电路的等效类比方法，对风力发电机塔架减振装置的上述设计进行类比仿真分析于下。

机械的刚度K，类比于电子电路元件的电感L之倒数1/L；机械的质量M，类比于电子电路元件的电容C；机械的阻尼η类比于电子电路元件的电阻R。

设塔架刚度为K₁，类比的电感为L₁；设风机质量为M₁，类比的电容为C₁；设机械的阻尼为η₁，类比的电阻为R₁。

机械的共振频率为：f₀＝(K/M)^0.5/(2π)。(略去对共振频率影响很小的阻尼一项)

电子电路的共振频率为：f₀＝(1/L/C)^0.5/(2π)。(略去对共振频率影响很小的电阻一项)于是塔架的原有共振系统有图2的等效类比模型。

设阻尼装置刚度为K₂，类比的电感为L₂；设阻尼(减振块)质量为M₂＝M₁/10，类比的电容为C₂＝C₁/10；设阻尼器的阻尼为η₂，类比的电阻为R₂。于是所增设的减振装置共振系统有图3的等效类比模型。

设原有塔架系统的风机振动共振频率f₁＝0.5Hz，减振装置的共振频率f₂＝0.1Hz，在相应低阻尼条件下，它们的共振增益均为G₁＝G₂＝42.04dB，如附图4。

把该减振装置安装到塔架顶部，则风机振动的共振频率不变，而共振增益仅仅降低到41.83dB，减小0.21dB。可见：低阻尼的减振装置没有减振效果。如附图5。

将减振装置的阻尼增大1000倍，为原塔架系统阻尼的1/20，即R₂＝R₁/10，设原有塔架系统的风机振动共振频率f₁＝0.5Hz，共振增益均G₁＝42.04dB，减振装置的共振频率f₂＝0.1Hz，共振增益G₂＝0dB，对于0.5Hz的增益为-1.34dB，如附图6。原有塔架系统受到脉冲风力作用后的广义共振时间长达200秒钟，减振装置没有形成共振。如附图7。

把增加阻尼后的减振装置安装到塔架顶部，风机振动的共振频率不变，而共振增益则从42.04dB降低到20.03dB，减小了16dB。可见：高阻尼的减振装置具有减振效果。如附图8。同时，风机振动的广义共振时间从原有的200秒减小到50秒，如附图9。大幅度地降低了塔架的疲劳循环数和幅度，有利于提高塔架的疲劳寿命和安全指数。

将减振装置的阻尼增大1000倍，为原塔架系统阻尼的1/20，并将其刚度下降到0(即撤销电感L₂)，设原有塔架系统的风机振动共振频率f₁＝0.5Hz，共振增益均G₁＝42.04dB，减振装置的共振频率f₂＝0Hz，共振增益G₂＝0dB，对于0.5Hz的增益为-1.45dB，如附图10。

把增加阻尼并将刚度降低到0后的减振装置安装到塔架顶部，风机振动的共振频率不变，而共振增益则从42.04dB降低到21.69dB，减小了15.83dB。可见：高阻尼、无刚度的减振装置具有减振效果。如附图11。同时，风机振动的广义共振时间从原有的200秒减小到50秒，如图12。

实施例1：

一种风力发电机塔架减振装置，其共振频率f₀设计方法是低于风力发电机叶轮的工作转速频率f_j和塔架的共振频率f_g；风力发电机的叶轮工作转速范围通常为n_j＝8～20r/min，工作转速频率f_j＝0.1333～0.3333Hz，塔架的共振频率通常设计为f_g＝0.35～0.5Hz，为了实现减振装置的共振频率低于f_j、f_g，例如f₀＝0.01～0.1Hz，而使得减振块的质量M₂、阻尼器的刚度K₂和阻尼η₂与共振频率f₀之间符合f₀＝(K₂/M₂)^0.5·(1-η₂ ²)/(2π)。由于机械的阻尼系数η₂是一个很小的、接近于0的量，所以上式可以简化为f₀＝(K₂/M₂)^0.5·(1-η₂ ²)/(2π)≈(K₂/M₂)^0.5/(2π)。

减振块1可以用钢铁制造，为了降低成本，也可以在一个钢制箱体内部浇灌混凝土或沙石。

由于减振块1所需的活动空间有限，更由于不宜在塔架顶部增加太大的质量，因此需要限制减振块1的质量M2；因此而可能引起的减振装置的共振频率上升，则可以用降低阻尼器3-1和3-2对减振块1的刚度K₂实现，例如使用在塔筒和减振块四周连接的、拉伸长度足够大的、柔性良好的橡筋拉簧，它具有很低的拉伸刚度K₂；也可以使用在活塞上开有轴向小孔的、充有气体或油的减振气缸或油缸以铰链连接的方式，连接于塔筒和减振块四周，该减振气或油缸的缸体和活塞杆分别通过铰链接于塔筒顶层和减振块1，当减振块1运动时，缸体内部的流体通过活塞的小孔流动，产生对运动的阻尼和发热耗能，却又可以在活塞杆的长度范围内任意停留而没有弹性，及其刚度K2接近于零。橡筋和减振(气或油)缸可以是现有产品。

实施例2：

在实际应用中，这种风力发电机塔架减振装置，由于必须限制减振块1的活动范围，不至于在运动中撞击塔筒；由于需要保护阻尼器3-1和3-2，不应使之承受减振块1的重量，因此必须有承载减振块1的支撑部件2-1和2-2。符合上述要求的支撑部件2-1和2-2，可以用一端接在塔筒顶层的顶板和底板上、一端接在减振块1上的钢丝绳，该支撑部件选用的钢丝绳长度均应以保证减振块1不至于跌伏到底板上或上抛到顶板，并在所述减振块1与塔筒内壁或者塔架顶层顶板、塔架顶层底板之间安置阻尼器3-1、3-21，通过阻尼器的作用，保证不至于横向撞击塔筒及塔筒中的其它原有结构。如图13。

实施例3：

在实际应用中，这种风力发电机塔架减振装置，其支撑部件2-2还可以用一端固定在顶层底板上另一端固定在减振块1下方的、横向刚度甚低的、阻尼甚大的、能够限制偏斜程度的金属橡胶弹簧6，该金属橡胶弹簧6可由一支撑部件与一阻尼器结合成一体构成。如附图14。

实施例4：

在实际应用中，这种风力发电机塔架减振装置，其支撑部件还可以用一种能在顶层底板上向各方向自由滚动的平台型滚动装置4以及与安装在底板上对该平台型滚动装置4起限位的档圈5组成，将减振块1通过连接件安装到滚动装置4上，如附图15那样的组合结构，甚至也可以将减振块直接与平台型滚动装置设置成一体的结构形式。所述的滚动装置为一由支撑轴通过轴承偏心安装于减振块下方、经多个滚轮支撑在塔架顶层底板上的万向滚动装置。其下部的滚动机构由于受到设置在塔架顶层地板上的限位挡圈5的限制，因此只能在设定的区间内位移、滚动，不会对塔架内壁形成冲击性接触和碰撞。

Claims (12)

1.一种风力发电机塔架减振装置，其特征在于：它包括一个占风力发电机高空机舱设备的“风机质量”的三十分之一至十分之一的减振块(1)，将减振块(1)支撑或悬挂于塔架顶层相应位置的支撑部件，安装于塔架顶层实现减振块(1)阻尼运动并消耗振动能量的低刚度阻尼器(3-1、3-2)，在塔架顶层用支撑部件支承连接减振块(1)，并同时通过连接在塔架顶层的阻尼器(3-1、3-2)构成共振频率低达0.01~0.1Hz的甚低频谐振器式减振装置。

2.根据权利要求1所述一种风力发电机塔架减振装置，其特征在于：所述的支撑或悬挂减振块(1)的支撑部件，是连接塔架顶层上顶板与减振块(1)之间的钢丝绳。

3.根据权利要求1所述一种风力发电机塔架减振装置，其特征在于：所述的支撑或悬挂减振块(1)的支撑部件为一端接在塔筒顶层的顶板和底板上、另一端接在减振块(1)上的钢丝绳；所述的钢丝绳长度均以保证减振块(1)不至于跌落到底板上或上抛到顶板，也不至于横向撞击塔筒及塔筒中的其它原有结构为准。

4.根据权利要求1所述一种风力发电机塔架减振装置，其特征在于：所述的支撑或悬挂减振块(1)的支撑部件为一端铰接在塔筒顶层底板上，另一端铰接在减振块(1)上的拉杆，所述拉杆长度均以保证减振块(1)不至于跌落到底板上或上抛到顶板，也不至于横向撞击塔筒及塔筒中的其它原有结构为准。

5.根据权利要求1所述一种风力发电机塔架减振装置，其特征在于：所述的支撑或悬挂减振块(1)的支撑部件为一端固定在底板上、另一端固定在减振块(1)上的金属橡胶弹簧(6)，所述金属橡胶弹簧(6)为支撑部件与阻尼器(3-2)的组合体。

6.根据权利要求1所述一种风力发电机塔架减振装置，其特征在于：所述的支撑或悬挂减振块(1)的支撑部件为一由支撑轴通过轴承偏心安装于减振块(1)下方、经多个滚轮支撑在塔架顶层底板上的万向滚动装置(4)。

7.根据权利要求6所述一种风力发电机塔架减振装置，其特征在于：所述万向滚动装置(4)下部的塔架顶层底板上设有限制滚轮滚动区间的限位挡圈(5)。

8.根据权利要求6所述一种风力发电机塔架减振装置，其特征在于：所述的减振块(1)安装到所述的平台支撑部件万向滚动装置(4)上，或将所述的减振块(1)与所述支撑部件万向滚动装置(4)制造为一个整体。

9.一种风力发电机塔架减振装置的设计方法，其特征还在于：其中减振装置的共振频率(f₀)设计方法是减振装置的共振频率(f₀)低于风力发电机叶轮的工作转速频率(f_j)和塔架的共振频率(f_g)；

其中减振块(1)的设计应满足公式f₀＝(K₂/M₂)^0.5·(1-η₂ ²)/(2π)，

M₂-为减振块(1)的质量；

K₂-为阻尼器(3-1和3-2)的刚度；

η₂-为阻尼器(3-1和3-2)的阻尼系数。

10.根据权利要求9所述的一种风力发电机塔架减振装置的设计方法，其特征在于：由于机械的阻尼系数(η₂)是一个很小的、接近于0的量，所述的共振频率(f₀)公式简化为f₀≈(K₂/M₂)^0.5/(2π)。

11.根据权利要求9或10所述的一种风力发电机塔架减振装置的设计方法，其特征在于：所述的共振频率f₀＝0.01～0.1Hz。

12.根据权利要求9所述一种风力发电机塔架减振装置的设计方法，其特征还在于：为了充分降低减振装置的共振频率(f₀)到接近于或等于0，可以把阻尼器(3)的刚度设计为接近于或等于0，即：f₀＝lim_K2→0[(K₂/M₂)^0.5/(2π)]＝0。

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