CN111492151A - 用于使结构中的振动减幅的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使结构中的振动减幅的装置，所述装置包括第一元件(2)和第二元件(4)，所述第一元件围绕旋转轴线(3)可旋转地安装，所述第二元件围绕所述旋转轴线(3)可旋转地安装，相对于所述旋转轴线界定所述第一元件的圆部分(10)的半径(R1)小于相对于所述旋转轴线界定所述第二元件的圆部分(16)的半径(r2)，所述第一元件被称为内部元件，并且所述第二元件被称为外部元件。

Description

用于使结构中的振动减幅的装置
技术领域
本发明涉及一种用于使结构中的振动减幅的装置。
通常，如建筑结构等结构会遭遇振动，所述振动可以影响所述结构的可用性、耐久性或稳定性。
具体来说，风力涡轮机塔架是由于风吹在风力涡轮机塔架的长塔架上，而且还由于叶片的运动以及由发电机和与风能转换成电能相关的其它机械和电气组件产生的寄生振动而不得不经受许多振动的结构。
背景技术
从EP 2 100 054中可知，借助于包括围绕旋转轴线可旋转地安装和驱动的第一元件以及围绕另一条旋转轴线可旋转地安装和驱动的第二元件的装置可以使这些不期望的振动减幅。
然而，即使通过此装置极大地减少了振动，也会产生其它振动，这是由于所述装置引入的不期望的力矩引起的。从EP 2 100 054中还可知，通过将两个可旋转地安装的元件中的一个元件分离成两个部分并且将所述两个部分沿着旋转轴线布置在另一个可旋转地安装的元件的两侧，可以避免这些不期望的力矩和寄生振动。然而，此改进的布置使所述装置更加繁琐和笨重，并且使机械设计更加复杂。
本发明旨在解决上述问题。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于使结构中的振动减幅的装置，所述装置包括第一元件和第二元件，所述第一元件围绕旋转轴线可旋转地安装，所述第二元件围绕所述旋转轴线可旋转地安装，相对于所述旋转轴线界定所述第一元件的圆部分的半径小于相对于所述旋转轴线界定所述第二元件的圆部分的半径，所述第一元件被称为内部元件，并且所述第二元件被称为外部元件。
借助于所述要求保护的装置，所述内部元件和所述外部元件的相应质心安置在同一平面中(所述平面正交于旋转轴线)，这消除了寄生屈曲力矩并且极大地减小了由所述装置占据的体积。
根据本发明的另一方面，所述内部元件和所述外部元件围绕所述旋转轴线以相反的方向旋转。
根据本发明的另一方面，所述内部元件和所述外部元件被配置成使得垂直于所述旋转轴线的至少一平面与所述内部元件的所述质心和所述外部元件的所述质心两者相交。
根据本发明的另一方面，所述第一元件和所述第二元件被安置成使得第一距离乘以所述第一元件的质量的乘积与第二距离乘以所述第二元件的质量的乘积相同。
根据本发明的另一方面，所述第一元件和所述第二元件被安置成使得所述第一元件的转动惯量与所述第二元件的转动惯量大致一致。
根据本发明的另一方面，所述第一元件具有使得被称为第一厚度的给定厚度的横截面由被称为第一角扇区的角扇区和被称为第一高度的给定高度界定的总体形状。
根据本发明的另一方面，所述第二元件具有使得被称为第二厚度的给定厚度的横截面由被称为第二角扇区的角扇区和被称为第二高度的给定高度界定的总体形状。
根据本发明的另一方面，所述装置被配置成使得所述第一元件和所述第二元件围绕所述旋转轴线彼此独立地旋转。
根据本发明的另一方面，所述装置包括控制器，所述控制器用于优选地通过一个或多个驱动机构来控制所述第一元件和所述第二元件的旋转。
根据本发明的另一方面，所述控制器被配置成确定所述内部元件和所述外部元件的旋转的旋转速度和相位。
本发明还涉及一种结构，其被配置成经受振动并且配备有至少一个先前所描述的装置。
根据本发明的另一方面，所述结构是风力涡轮机塔架。
根据本发明的另一方面，所述结构包括两个先前所描述的装置，所述装置中的每个装置安置在所述塔架的内部。
本发明还涉及一种已经描述的装置的用途，其中所述控制器基于所述结构中的所述振动的实时连续测量来确定所述内部元件和所述外部元件的旋转的旋转速度和相位，以产生使所述结构的所述振动减幅的控制力。
附图说明
本发明的其它方面和优点将从本发明的具体实施例的以下详细描述和附图中变得显而易见，在所述附图中：
-图1展示了根据本发明的用于使结构中的振动减幅的装置的透视图；
-图2展示了图1的装置的两个元件的详细视图；
-图3展示了图1的装置的横向平面的示意图；
-图4展示了图1的装置的纵向平面的示意图；
-图5展示了配备有两个图1的装置的风力涡轮机塔架；并且
-图6展示了图5的塔架的内部的横截面视图。
具体实施方式
用于使结构中的振动减幅的装置
如从图1到4可以看出，用于使结构中的振动减幅的装置1包括第一元件2和第二元件4，所述两个元件都围绕旋转轴线3可旋转地安装，并且围绕所述旋转轴线3彼此独立地驱动。
第一元件2与旋转轴线3之间的距离(被称为第一距离，以d1表示)小于第二元件4与旋转轴线3之间的距离(被称为第二距离，并且以d2表示)。
距离d1可以被定义为旋转轴线3与内部元件2的质心之间的距离，如下文详细描述。
距离d2可以被定义为旋转轴线3与外部元件4的质心之间的距离，如下文详细描述。
在下面的描述中，第一元件2被称为内部元件2，并且第二元件4被称为外部元件4。
如从图1可以看出，内部元件2和外部元件4被配置成使得垂直于旋转轴线3的至少一平面P与内部元件2和外部元件4两者相交。
此配置确保了内部元件2安置在由外部元件4的旋转运动限定的虚拟圆柱体积19内，从而减小装置1占据的体积。
有利地，第一距离d1乘以内部元件2的质量m1的乘积p1与第二距离d2乘以外部元件4的质量m2的乘积p2相同或大致一致(如下文将详细描述)：
p1＝m1d1≈m2d2＝p2 (1)。
每个元件2、4的质量-距离乘积p1、p2决定了可实现的控制力幅度，并且因此决定了相关联的元件2和4的减幅效果。
在优选的操作模式中，所述两个质量块的角速度相等，并且所述两个质量块的旋转方向相反。
内部元件2的质量-距离乘积p1等于外部元件4的质量-距离乘积p2使动态力平衡，并且因此使定向简谐控制力可实现，使得配备有装置1的结构中的振动可以被有效地减少。后者是通过使用确保装置1在优选操作模式下进行操作的适当的控制算法来实现的。
有利地，内部元件2的转动惯量J1与外部元件4的转动惯量J2大致一致(如下文将详细描述)：
J1≈J2 (2)。
每个元件2、4的转动惯量J1、J2决定了由赋予每个质量块m1、m2的角加速度引起的转矩量值，并且因此决定了由元件2和4的旋转引起的总转矩(力矩)，当所述两个质量块的角加速度相等并且加速度方向相反时，所述总转矩被最小化(平衡)。
如从图1、2和3中可以特别看出，内部元件2具有由被称为第一厚度并且以t1表示的给定厚度的横截面和被称为第一高度的给定高度h1界定的总体形状，所述横截面包括在被称为第一角扇区a1的角扇区中。
换句话说，内部元件2的截面由两个同心圆(第一圆12和第二圆13)的两个部分10、11界定。
第一圆12具有以R1表示的半径，所述半径大于第二圆13的半径r1。
R1与r1之间的差值给出了厚度t1的值。
部分10是第一圆12的包含在第一角扇区a1中的部分。
部分11是第二圆13的包含在第一角扇区a1中的部分。
类似地，外部元件4具有由被称为第二厚度的给定厚度t2的截面和被称为第二高度的给定高度h2界定的总体形状，所述截面包括在被称为第二角扇区的角扇区a2中。
外部元件4的截面由两个同心圆(第一圆17和第二圆18)的两个部分15、16界定。
第一圆17具有以R2表示的半径，所述半径大于第二圆18的半径r2。
R2与r2之间的差值给出了厚度t2的值。
部分15是第一圆17的包含在第二角扇区a2中的部分。
部分16是第二圆18的包含在第二角扇区a2中的部分。
如从图3可以看出，圆12、13、17、18是同心的。
如从图3可以看出，相对于旋转轴线界定内部元件2的圆部分10的半径R1小于相对于旋转轴线界定外部元件4的圆部分16的半径r2。
如从图4可以看出，内部元件2和外部元件4被安置成使得高度h1的方向和高度h2的方向平行于旋转轴线3延伸。
如从图4可以看出，高度h1优选地小于高度h2，使得内部元件2可以在由外部元件4和梁44、45界定的体积内围绕轴线3旋转：
Figure BDA0002543271900000051
并且有利地
Figure BDA0002543271900000052
内部元件2和外部元件4被安装成相对于垂直于旋转轴线3并且穿过中心点O的平面对称。
有利地，平面P穿过中心点O。
如从图3可以看出，内部元件2的以A1表示的截面积定义如下：
Figure BDA0002543271900000053
并且外部元件4的以A2表示的截面积定义如下：
Figure BDA0002543271900000054
内部元件2的质量m1可以被表示为：
m1＝A1h1ρ (7)，
其中ρ是内部元件2的材料的密度。
外部元件4的质量m2可以被表示为：
m2＝A2h2ρ (8)，
其中ρ是外部元件4的材料的密度。
假设材料密度恒定，旋转轴线3与内部元件2的质心之间的距离d1为：
Figure BDA0002543271900000055
同样地，旋转轴线3与外部元件4的质心之间的距离d2为：
Figure BDA0002543271900000056
假设材料密度恒定，与围绕旋转轴线3旋转的内部元件2(质量m1)相关联的转动惯量J1为：
Figure BDA0002543271900000057
同样地，与围绕旋转轴线3旋转的外部元件4(质量m2)相关联的转动惯量J2为：
Figure BDA0002543271900000058
装置1被配置成使得针对给定总质量最大化减幅性能。这是通过最大化总质量-距离乘积与总质量的比率(RMR)来实现的：
Figure BDA0002543271900000059
考虑了两个其它约束条件。
第一个约束条件是乘积p1与p2大致一致，这确保了在装置1的优选操作模式下，即，当质量块m1和质量块m2以相同的旋转速度但以相反的方向旋转时，产生定向简谐控制力。
比率p2/p1优选地处于具体的偏差范围内：
Figure BDA0002543271900000061
第二个约束条件是内部元件2的转动惯量J1与外部元件4的转动惯量J2大致一致，这确保了在加速过程期间引起的力矩被最小化。
比率J2/J1优选地处于具体的偏差范围内：
Figure BDA0002543271900000062
具有上述两个约束条件的等式13可以得出关于角扇区比率α2/α1、厚度比率t2/t1和高度比率h2/h1的条件。
如从图1可以看出，装置1还包括上部框架30和下部框架31。
上部框架30和下部框架31通过连续轴321和中断中空轴322彼此连接。此外，上部框架和下部框架刚性地连接到振动将被减幅的结构。
轴321的轴线和中空轴322的轴线与旋转轴线3重合。中空轴322由上部部分和下部部分组成，所述上部部分仅充当第二元件4的支撑件，所述下部部分另外地传递驱动第二元件4所需的力矩。轴321穿过中空轴322的两个部分，并且由所述两个部分侧向引导。
在优选实施例中，每个框架30、31包括三个杆33的单元，所述杆径向延伸(两个相邻的杆形成120°的角度)并且刚性地连接到振动将被减幅的结构(未示出)。
装置1还包括径向延伸的第一上部梁34和第一下部梁35。
第一上部梁34和第一下部梁35将内部元件2连接到轴321。
第一上部梁34的末端36固定到轴321，而第一上部梁34的另一个末端37固定到内部元件2的上部部分38。
类似地，第一下部梁35的末端39固定到轴321，而第一下部梁35的另一个末端40固定到内部元件2的下部部分41。
优选地，第一上部梁34的长度等于第一下部梁35的长度。
优选地，第一上部梁34比第二下部梁35厚。
其思想是主要通过第一上部梁34传输用于驱动第一元件2的力矩，以最小化轴321的扭转变形。
装置1还包括径向延伸的第二上部梁44和第二下部梁45。
第二上部梁44将外部元件4连接到中空轴322的上部部分。第二下部梁45将外部元件4连接到中空轴322的下部部分。
第二上部梁44的末端46固定到中空轴322，而第二上部梁44的另一个末端47固定到外部元件4的上部部分48。
类似地，第二下部梁45的末端49固定到中空轴322，而第二下部梁45的另一个末端50固定到外部元件4的下部部分51。
优选地，第二上部梁44的长度等于第二下部梁45的长度。
优选地，第二上部梁44比第二下部梁45薄。
第一上部梁34比第一下部梁35厚并且第二上部梁44比第二下部梁45薄允许利用第一上部梁34驱动第一元件2并且利用第二下部梁45驱动第二元件4，从而最小化轴321、322中的旋转变形和梁中的弯曲变形。
梁34、35、44和45有利地具有中空正方形或圆形轮廓。
如从图4可以看出，轴321在顶部和底部处并且相对于中空轴322受到限定，其意思是轴321和上部梁和下部梁以及与其连接的内部元件可以围绕轴线3旋转，但是不具有另外的自由度。同样地，中空轴322的两个部分在顶部和底部处并且相对于轴321受到限定，其意思是中空轴322和上部梁和下部梁以及与其连接的外部元件可以围绕轴线3独立地(即，独立于轴321)旋转，但是不具有另外的自由度。因此第一元件2和第二元件4可以围绕轴线3彼此独立地旋转。
如在图4中还可以看出，轴321和中空轴322由一个或多个驱动机构M独立地驱动。驱动机构M由控制器(未示出)控制。因此，第一元件2和第二元件4的旋转由控制器控制。有利地，所述一个或多个驱动机构包括一个或多个电动机和/或一个或多个传动装置。有利地，所述一个或多个传动装置包括一个或多个皮带传动装置。
如原则上从EP 2 100 054中可知，基于利用如加速度计等传感器实行的结构中的振动的实时连续测量，并且使用适当的控制算法，控制器确定内部元件2和外部元件4的旋转的旋转速度和相位。
实时连续测量和适当的算法也用于计算垂直于轴线3的主要振动的方向。
在优选的操作模式下，在垂直于轴线3的方向上产生简谐控制力，此方向与垂直于轴线3的主要振动的方向对齐，使得减幅效果最大。与EP 2 100 054相比，可以在不产生不期望的力矩和寄生振动的情况下使控制力定向于垂直于轴线3的任何方向。
风力涡轮机塔架
风力涡轮机塔架60被配置成收纳机舱61，转子叶片62安装在所述机舱上。
风力涡轮机塔架60包括至少一个装置1。
所述一个或多个装置1优选地安置在塔架60内的出现大侧向振动的位置处。为了使第一振动模式减幅，一个或多个装置1优选地安置在塔架60的上部部分63中。为了使第二或更高的振动模式减幅，一个或多个装置1优选地安置在塔架60内的中间位置中。
如图6所示，风力涡轮机塔架60优选地包括位于塔架60内相同或不同位置处的至少两个装置1。
所述两个装置1有利地彼此相同。
装置1安装在塔架60中，使得所述装置的旋转轴线3的方向平行于塔架60的纵轴L延伸。
优点
根据本发明的装置有效地使结构中的振动减幅。与EP 2 100 054相比，所述装置避免了寄生振动并且同时极大地减小了由所述装置占据的体积，并且实现了更简单的机械设计。

Claims (14)

1.一种用于使结构中的振动减幅的装置，所述装置包括第一元件(2)和第二元件(4)，所述第一元件围绕旋转轴线(3)可旋转地安装，所述第二元件围绕所述旋转轴线(3)可旋转地安装，相对于所述旋转轴线(3)界定所述第一元件(2)的圆部分(10)的半径(R1)小于相对于所述旋转轴线(3)界定所述第二元件(4)的圆部分(16)的半径(r2)，所述第一元件(2)被称为内部元件(2)，并且所述第二元件(4)被称为外部元件(4)。
2.根据权利要求1所述的用于使结构中的振动减幅的装置，其特征在于，所述内部元件(2)和所述外部元件(4)围绕所述旋转轴线(3)以相反的方向旋转。
3.根据权利要求1或2所述的用于使结构中的振动减幅的装置，其特征在于，所述内部元件(2)和所述外部元件(4)被配置成使得垂直于所述旋转轴线(3)的至少一平面(P)与所述内部元件(2)的质心和所述外部元件(4)的质心两者相交。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于使结构中的振动减幅的装置，其特征在于，所述第一元件和所述第二元件被安置成使得第一距离(d1)乘以所述第一元件(2)的质量(m1)的乘积(p1)与第二距离(d2)乘以所述第二元件(4)的质量(m2)的乘积大致一致，所述第一距离是所述第一元件(2)的质心与所述旋转轴线(3)之间的距离，并且所述第二距离是所述第二元件(4)的质心与所述旋转轴线(3)之间的距离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于使结构中的振动减幅的装置，其特征在于，所述第一元件和所述第二元件被安置成使得所述第一元件(2)的转动惯量(J1)与所述第二元件(4)的转动惯量(J2)大致一致。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于使结构中的振动减幅的装置，其特征在于，所述第一元件(2)具有使得被称为第一厚度的给定厚度(t1)的横截面由被称为第一角扇区的角扇区(a1)和被称为第一高度的给定高度(h1)界定的总体形状。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于使结构中的振动减幅的装置，其特征在于，所述第二元件(4)具有使得被称为第二厚度的给定厚度(t2)的横截面由被称为第二角扇区的角扇区(a2)和被称为第二高度的给定高度(h2)界定的总体形状。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于使结构中的振动减幅的装置，其特征在于，所述装置被配置成使得所述第一元件(2)和所述第二元件(4)围绕所述旋转轴线(3)彼此独立地旋转。
9.根据前述权利要求中任一项所述的用于使结构中的振动减幅的装置，所述装置包括控制器，所述控制器用于优选地通过一个或多个驱动机构来控制所述第一元件和所述第二元件的旋转。
10.根据权利要求9所述的用于使结构中的振动减幅的装置，其特征在于，所述控制器被配置成确定所述内部元件(2)和所述外部元件(4)的旋转的旋转速度和相位。
11.一种结构，其被配置成经受振动并且配备有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的装置。
12.根据权利要求12所述的结构，其特征在于，所述结构是风力涡轮机塔架(60)。
13.根据权利要求12所述的结构，其包括两个根据权利要求1至8中任一项所述的装置(1)，每个所述装置安置在所述塔架(10)的内部。
14.一种根据权利要求11所述的装置的用途，其特征在于，所述控制器基于所述结构中的振动的实时连续测量来确定内部元件(2)和外部元件(4)的旋转的旋转速度和相位，以产生使所述结构的振动减幅的控制力。
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