CN111237133B - 一种可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，该风力发电机组塔架包括：塔架结构、内层支撑壳结构、气泵及控制系统；所述内层支撑壳结构的顶端和底端分别与所述塔架结构内壁连接，以形成封闭的阻尼腔；所述阻尼腔内注有阻尼液；所述阻尼腔内的底部设有多个与所述气泵相连的充气囊，所述阻尼腔的顶部设有排气孔；所述塔架结构上设有加速度采集系统；所述控制系统分别与加速度采集系统和气泵相连，用于根据加速度采集系统测量的加速度控制气泵调节充气囊的体积以改变阻尼腔内的阻尼液高度。本发明可根据塔架的实际振动情况，精确的调整液体阻尼的频率，达到最佳的抑振效果。无需手动调节阻尼液高度，减小阻尼调节偏差带来的风险。

Description

一种可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架
技术领域
本发明涉及风力发电机组塔架领域，具体涉及一种可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架。
背景技术
为了提升风力发电机组的发电性能，塔架高度不断增加。在大气湍流，风轮旋转，叶片变桨和偏航等外加载荷波动情况下，塔架会产生振动，在没有额外控制策略的协助下，塔架的振动需要依靠结构自身的阻尼进行衰减，以保证塔架的稳定。
风力发电机组的塔架阻尼调节是一个热门的研究方向，液体阻尼器是调节塔架阻尼的一种有效方式。液体阻尼器一般具有中空的腔体，阻尼液注入中空腔体，阻尼器与塔架共同振动，腔体内部液体晃动，消耗振动能量，增加塔架的阻尼。阻尼器通过固定装置与塔架内壁或者塔架内平台固定连接。这种液体阻尼器在设计，制造和安装时，需要进行计算或者现场测试，确定阻尼器内最佳的液面高度。这种提前设定的液面高度往往与最佳液面高度存在一定误差，当液体阻尼的抑振效果不佳时，需要人工进行液面高度的调整，反复测试验证，费时费力。另外，由于阻尼液需提前注入中空腔，风机运行期间，液面高度不可调节，阻尼器仅能对特定频率的振动产生有效的抑制效果，若机组振动形式和频率发生变化，阻尼器的作用将大大降低。此外，阻尼器相对塔架振动的反作用力必须传递到塔架才能起作用，因此，需要在塔架内部设计阻尼器的固定结构或装置。对于质量和尺寸较大的阻尼器，需要重新布置塔架内部结构，增加加固设计，对塔架成本和可靠性产生不利影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，以克服现有塔架液体阻尼器的上述缺点，以提出一种可根据塔架实际振动情况自动调节液体阻尼属性，并且阻尼结构与塔架结构一体化设计的风力发电机组塔架。
为达到上述目的，本发明提供了一种可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其包括：塔架结构、设置于所述塔架结构内部的内层支撑壳结构、气泵及控制系统；所述内层支撑壳结构的顶端和底端分别与所述塔架结构内壁连接，以在内层支撑壳结构的顶端和底端之间形成封闭的阻尼腔；所述阻尼腔内注有阻尼液；所述阻尼腔内的底部设有多个与所述气泵相连的充气囊，所述阻尼腔的顶部设有排气孔；所述塔架结构上设有用于测量塔架结构振动加速度的加速度采集系统；所述控制系统分别与加速度采集系统和气泵相连，用于根据加速度采集系统测量的加速度控制气泵调节充气囊的体积以改变阻尼腔内的阻尼液高度。
上述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其中，所述塔架结构为圆台形结构；所述内层支撑壳结构包括圆台形的连接结构、设置于连接结构顶端并与塔架结构内壁连接的顶板，以及设置于连接结构底端并与塔架结构内壁连接的底板。
上述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其中，所述阻尼腔的高度为塔架结构高度的10％-30％；阻尼腔底端所在位置为塔架结构高度的50％-60％；连接结构的直径为其所在塔架结构处的直径的70％-80％。
上述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其中，所述阻尼腔为环形结构，其内沿周向设有多个阻尼增强结构。
上述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其中，所述阻尼增强结构包括沿所述阻尼腔径向相对设置的外挡板及内挡板；所述外挡板与所述塔架结构内壁相连接；所述内挡板与所述内层支撑壳结构连接；所述外挡板与所述内挡板之间形成供阻尼液流动的流道。
上述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其中，所述阻尼增强结构为镂空的板状结构，所述板状结构分别与塔架结构内壁和内层支撑壳结构连接。
上述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其中，所述充气囊外罩有具有若干通孔结构的支撑框架，用于限制充气囊的晃动幅度和变形幅度。
上述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其中，所述支撑框架的高度低于充气囊未充气时阻尼液的高度。
上述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其中，所述阻尼腔内设有液面上限位传感器和液面下限位传感器；所述控制系统分别与液面上限位传感器和液面下限位传感器相连，用于在阻尼液液面升高触发液面上限位传感器时向气泵发出对充气囊进行排气的排气信号，以及在阻尼液液面下降触发液面下限位传感器时向气泵发出对充气囊进行充气的充气信号。
上述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其中，液面上限位传感器位于阻尼腔高度60％-70％的位置；液面下限位传感器位于阻尼腔高度30％-40％的位置。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中阻尼结构与塔架一体化设计和制造，在塔架制造和安装过程中同时完成阻尼支撑结构的安装，无需后续增加阻尼器固定装置和设备，提高了塔架的经济性和可靠性。(2)采用控制系统实现阻尼液液面高度调节，减轻人力劳动，提高效率。(3)采用控制系统，可根据塔架的实际振动情况，精确的调整液体阻尼的频率，达到最佳的抑振效果。无需手动调节阻尼液高度，减小阻尼调节偏差带来的风险。(4)具有宽广的抑振频率范围，可满足塔架不同振动频率的抑振要求。
附图说明
图1为本发明可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架的结构示意图；
图2为本发明中内层支撑壳结构的结构示意图；
图3为阻尼增强结构一实施例的结构示意图；
图4为阻尼增强结构另一实施例的结构示意图；
图5为支撑框架和充气囊的结构示意图；
图6为阻尼液高度调节过程的结构示意图；
图7为阻尼频率控制过程的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其包括：塔架结构1、设置于塔架结构1内中上部位置的内层支撑壳结构2、气泵5及控制系统6。如图2所示，塔架结构1为圆台形结构；内层支撑壳结构2包括圆台形的连接结构21、设置于连接结构21顶端并与塔架结构1内壁连接的顶板22，以及设置于连接结构21底端并与塔架结构1内壁连接的底板23。内层支撑壳结构2通过焊接制造，内层支撑壳结构2与外层塔架结构1连接采用焊接实现。进一步，阻尼腔4的高度为塔架结构1高度的10％-30％；阻尼腔4底端所在位置为塔架结构1高度的50％-60％；连接结构21的直径为其所在塔架结构1处的直径的70％-80％。
内层支撑壳结构2的顶端和底端分别与塔架结构1内壁连接，以在内层支撑壳结构2的顶端和底端之间形成封闭的阻尼腔4；阻尼腔4内注有阻尼液3，阻尼腔4跟随塔架振动，带动阻尼液3晃动，从而增加塔架阻尼。阻尼液3可以为水，为了防止结冰，可以在水中添加防冻液。
进一步，阻尼腔4为环形结构，其内沿周向设有多个阻尼增强结构8，用以增加阻尼液3的流动障碍，从而增强阻尼液3的阻尼效果。优选地，阻尼腔4内至少具有3个阻尼增强结构8，可根据实际情况，采用等间距分布或者非等间距分布。
如图3所示，为阻尼增强结构8一优选实施例的结构示意图，阻尼增强结构8包括沿阻尼腔4径向相对设置的外挡板81及内挡板82；每块挡板的宽度不小于阻尼腔4径向厚度的15％，外挡板81的长边811与塔架结构1内壁相连接，内挡板82的长边821与内层支撑壳结构2连接，可采用螺栓连接、焊接、扣合连接、铆接或者粘接等形式。内外两块挡板固定后，阻尼液3仅可通过两块挡板之间的通道流动。
如图4所示，为阻尼增强结构8另一优选实施例的结构示意图，阻尼增强结构8为板状结构83，板状结构83由镂空的金属板组成，通孔的形状可以为正方形或者圆形，镂空的总面积占金属板面积的比例不低于60％，根据具体情况，通孔可均匀或者非均匀分布在金属板上。金属板一侧长边831与塔架结构1内壁连接，另一侧长边832与内层支撑壳结构2连接，可采用螺栓连接、焊接、扣合连接、铆接或者粘接等形式，阻尼液3仅可通过通孔流动。
如图5所示，阻尼腔4内的底部设有多个与气泵5相连的充气囊71，阻尼腔4的顶部设有排气孔74，以在充气囊71充气导致阻尼液3液面上升时将阻尼液3上方的气体排出；进一步，充气囊71外罩有具有若干通孔结构的支撑框架75，用于限制充气囊71的晃动幅度和变形幅度。支撑框架75固定在阻尼腔4底部，固定方式可采用螺栓连接，焊接，粘接或者扣合等方式。支撑框架75壁面具有通孔，通孔形状可设计为圆形，方形或者三角形。
如图6所示，可根据实际情况，将充气囊71底端固定在阻尼腔4底端，可采用粘接、扣合或螺栓连接等方式固定。充气囊71形状可以设计为球形、椭球形、环形或者圆柱形，充气囊71可采用橡胶材料。充气囊71的充气孔72固定在阻尼腔4底端，充气孔72通过导气管73与气泵5连接，气泵5固定在塔底，控制系统6控制气泵5工作，从而控制空气注入或者排出充气囊71。充气囊71充气后体积增大，阻尼腔4液面升高，充气囊71排气体后体积变小，阻尼腔4液面降低。
充气囊71及其对应的支撑框架75沿阻尼腔4圆周方向分布，阻尼腔4内至少具有3对充气囊71及其对应的支撑框架75，且支撑框架75高度小于充气囊71未充气时阻尼液3的高度76，可根据实际情况，采用等间距分布或者非等间距分布。优选地，阻尼增强结构8和充气囊71交替排布，不发生干涉。
如图7所示，塔架结构1上设有加速度采集系统91，用以用于采集塔架的振动加速度数据，并计算获取塔架振动能量最大的振动频率和振幅数据。根据实际情况，加速度采集系统91可以安装在塔架顶部，也可安装在塔架高度60％以上位置的内平台或者塔架内壁上。控制系统6分别与加速度采集系统91和气泵5相连，用于通过气泵5调节充气囊71的体积，从而维持塔架结构1的振动幅值在最大许可振幅的范围内。
具体地，加速度采集系统91所获取的塔架振动频率和振幅数据通过有线或者无线传输方式输入控制系统6，控制系统6通过计算，发出充排气信号。控制系统6可以为开环控制系统6，也可以为闭环控制系统6。控制系统6发出充气或者排气信号，同步调整所有充气囊71的体积，从而改变阻尼腔4液面高度，从而调整液体阻尼的频率，保证液体阻尼的频率能够最好适配塔架当前的振动频率。
通过实验测试或者仿真的方式提前获取液体阻尼频率与阻尼液3面高度的关系，依据该关系，控制系统6以塔架实际振动频率作为输入，计算相应的充气量或者排气量。控制系统6也可设计为闭环控制系统6，控制系统6分为充气回路和排气回路，控制系统6以设定的最大许可振幅作为输入，以塔架实际振幅作为负反馈，以充气量或者排气量作为输出，根据实际情况，也可以充气速率或者排气速率作为输出，控制系统6可增加比例，积分和微分环节，控制的目标是维持塔架振动幅值在最大许可振幅范围内。控制系统6首先根据充气囊71的充气量，液体阻尼频率与液面高度关系，塔架实际振动频率，判断当前液体阻尼频率和塔架振动频率的大小关系，若液体阻尼频率低于塔架振动频率，控制系统6执行充气回路，充气过程由充气闭环回路控制，若液体阻尼频率高于塔架振动频率，控制系统6执行排气回路，排气过程由排气闭环回路控制。通过自动调节阻尼腔4液面高度，保证液体阻尼的频率能够最好的适配当前塔架的主要振动频率，达到最佳的抑振效果。
为保证有效的抑振效果，阻尼液3调整过程中设置有液面高度上限和液面高度下限，液面高度上限位置设置有液面上限位传感器92，当液面升高触发液面上限位传感器92时，控制系统6充气回路失效，仅可执行排气回路，待液面位置低于液面上限位传感器92，充气回路重新激活。液面高度下限位置设置有液面下限位传感器93，当液面下降触发液面下限位传感器93时，控制系统6排气回路失效，仅可执行充气回路，待液面位置高于液面下限位传感器93，排气回路重新激活。液面上限位传感器92和液面下限位传感器93可以通过有线或者无线的方式与控制系统6保持通讯。液面上限位传感器92位于阻尼腔4高度的60％-70％位置，液面下限位传感器93位于阻尼腔4高度的30％-40％位置。在塔架进行设计时，需要充分考虑塔架固有频率和风轮转速激振频率等塔架主要的振动频率，通过仿真或实验方式，获取这些主要振动频率对应的阻尼液3面高度，指导阻尼腔4高度尺寸的设计，保证液体阻尼的抑振效果。
综上所述，本发明中阻尼结构与塔架一体化设计和制造，在塔架制造和安装过程中同时完成阻尼支撑结构的安装，无需后续增加阻尼器固定装置和设备，提高了塔架的经济性和可靠性。采用控制系统实现阻尼液液面高度调节，减轻人力劳动，提高效率。采用控制系统可根据塔架的实际振动情况，精确的调整液体阻尼的频率，达到最佳的抑振效果。无需手动调节阻尼液高度，减小阻尼调节偏差带来的风险。具有宽广的抑振频率范围，可满足塔架不同振动频率的抑振要求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其特征在于，包括：塔架结构、设置于所述塔架结构内部的内层支撑壳结构、气泵及控制系统；所述内层支撑壳结构的顶端和底端分别与所述塔架结构内壁连接，以在内层支撑壳结构的顶端和底端之间形成封闭的阻尼腔；所述阻尼腔内注有阻尼液；所述阻尼腔内的底部设有多个与所述气泵相连的充气囊，所述阻尼腔的顶部设有排气孔；所述塔架结构上设有用于测量塔架结构振动加速度的加速度采集系统；所述控制系统分别与加速度采集系统和气泵相连，用于根据加速度采集系统测量的加速度控制气泵调节充气囊的体积以改变阻尼腔内的阻尼液高度。
2.如权利要求1所述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其特征在于，所述塔架结构为圆台形结构；所述内层支撑壳结构包括圆台形的连接结构、设置于连接结构顶端并与塔架结构内壁连接的顶板，以及设置于连接结构底端并与塔架结构内壁连接的底板。
3.如权利要求2所述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其特征在于，所述阻尼腔的高度为塔架结构高度的10％-30％；阻尼腔底端所在位置为塔架结构高度的50％-60％；连接结构的直径为其所在塔架结构处的直径的70％-80％。
4.如权利要求1所述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其特征在于，所述阻尼腔为环形结构，其内沿周向设有多个阻尼增强结构。
5.如权利要求4所述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其特征在于，所述阻尼增强结构包括沿所述阻尼腔径向相对设置的外挡板及内挡板；所述外挡板与所述塔架结构内壁相连接；所述内挡板与所述内层支撑壳结构连接；所述外挡板与所述内挡板之间形成供阻尼液流动的流道。
6.如权利要求4所述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其特征在于，所述阻尼增强结构为镂空的板状结构，所述板状结构分别与塔架结构内壁和内层支撑壳结构连接。
7.如权利要求1所述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其特征在于，所述充气囊外罩有具有若干通孔结构的支撑框架，用于限制充气囊的晃动幅度和变形幅度。
8.如权利要求7所述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其特征在于，所述支撑框架的高度低于充气囊未充气时阻尼液的高度。
9.如权利要求1所述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其特征在于，所述阻尼腔内设有液面上限位传感器和液面下限位传感器；所述控制系统分别与液面上限位传感器和液面下限位传感器相连，用于在阻尼液液面升高触发液面上限位传感器时向气泵发出对充气囊进行排气的排气信号，以及在阻尼液液面下降触发液面下限位传感器时向气泵发出对充气囊进行充气的充气信号。
10.如权利要求9所述的可自动调节阻尼属性的风力发电机组塔架，其特征在于，液面上限位传感器位于阻尼腔高度60％-70％的位置；液面下限位传感器位于阻尼腔高度30％-40％的位置。
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