CN111549925A - 一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风电结构减振的复合式液体‑颗粒调谐阻尼装置，包括外壳、内壳、粘滞液体和颗粒球。内壳安装到外壳内，内壳内设置有若干颗粒球。内壳与外壳之间注有粘滞液体。可根据风电塔的实际情况确定装置的安装形式、位置及数量，塔筒振动时，粘滞液体产生反向的惯性作用，水头损失、液体与外壁之间相互作用消耗塔筒的能量，发挥调谐液体阻尼系统的作用，淹入粘滞液体的内壳压缩了液体运动的空间，提高了调谐液体阻尼系统的阻尼，增强了控制能力；同时内壳中颗粒球通过滚动、摩擦、碰撞耗能减振，起到了滚动式调谐质量阻尼系统的效能；两系统相互依托、相互配合，具有响应频带宽、反应敏感的优点，在各个方向均有较好的减振效果。

Description

一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置

技术领域

本发明涉及土木工程结构振动控制领域，具体涉及一种在风电结构中使用的阻尼装置。

背景技术

随着国家经济繁荣、科技发展，能源已成为当今社会进步的重要基础。我国国力突飞猛进的背后，是能源的大量开采与利用，这导致了严重的环境问题。因此，开发绿色、环保的新能源成为了国家解决环境资源问题的重要途径。我国风能资源丰富、对环境影响低且产能较高，因此风力发电成为了能源开发利用的新兴趋势。

风电机是一种高耸结构，时刻面临严峻的荷载环境。其中横向荷载尤其是风荷载会使结构产生严重的振动问题，从而导致结构的疲劳损伤甚至破坏。因此，风电结构的振动控制成为了急需解决的问题。调谐质量阻尼器在控制结构振动方面的有效性已在很多文献中证实，但是其减振频带窄、占据空间大等缺点使其难以成为风电结构减振的理想方案。而调谐液柱阻尼器具有构造简单、经济性、对振动敏感的优点，但也同时存在空间利用方面的问题。因此，研制一种新型高效的阻尼器十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼器。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置，包括外壳、内壳、粘滞液体、颗粒球和封板。

所述外壳为竖直设置的圆柱体结构，外壳的内部中空，外壳的上端封闭，下端敞口。所述封板与外壳的下端敞口密闭连接。

所述内壳安装到外壳内，内壳为竖直设置的圆柱体结构，内壳的内部中空，内壳的上端敞口，下端封闭。所述内壳的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有若干颗粒球。

所述内壳的上端连接到外壳的顶板上，下端与封板存在间隙。所述内壳的外壁与外壳的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体，内壳的下端浸泡在粘滞液体内，粘滞液体的液面与外壳的顶板存在间隙。

进一步，所述内壳的底部为向下凹陷的球形曲面。

本发明的有益效果在于：

1.本发明装置适用于陆上风电塔架以及海上风电塔架的振动控制，适用范围广；

2.本发明装置的安装方式及布置形式灵活：可根据风电结构内部空间选择不同形式，如落地式或悬挂式，可沿塔筒高度方向在塔筒内平台上依次布置，布置间距、数量由实际控制需求确定；也在同一水平高度沿塔筒圆截面一周均匀安置若干个，或是同一水平高度进行单一安置；

3.塔筒振动时，本发明装置中的粘滞液体会产生反向的惯性作用，通过水头损失、粘滞液体与外壳之间相互作用消耗塔筒的能量，形成调谐液体阻尼系统，淹入粘滞液体的内壳压缩了粘滞液体运动的空间，提高了该调谐液体阻尼系统的阻尼，增强了控制能力；同时，内壳中的颗粒球通过滚动、摩擦、碰撞耗能减振，形成滚动式调谐质量阻尼系统；

4.本发明的调谐液体阻尼系统可根据粘滞液体的深度、外壳尺寸、内壳尺寸调节频率，滚动式调谐质量阻尼系统可通过改变内壳底部的球形曲面的曲率及颗粒球半径调节频率，并根据工程需求调整颗粒球数量、粗糙程度和摩擦系数；

5.本发明装置响应频带宽、反应敏感具有出色的减振效果，避免了调谐质量阻尼器减振频带窄、响应迟缓的缺点。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为本发明装置以落地式安装在陆上风电塔架的塔筒内的示意图；

图3为若干个本发明装置在塔筒的同一内平台上的均匀分布图；

图4为本发明装置以落地式安装在陆上风电塔架的机舱内的示意图；

图5为连接环、钢丝绳与本发明装置的连接示意图；

图6为本发明装置以悬挂式安装到陆上风电塔架的机舱内的示意图；

图7为本发明装置以悬挂式安装到陆上风电塔架的塔筒顶部的示意图；

图8为本发明装置以悬挂式安装到陆上风电塔架的塔筒内的示意图；

图9为本发明装置以落地式安装在海上风电塔架的塔筒内的示意图。

图中：外壳1、内壳2、粘滞液体3、颗粒球4、封板5、连接环6、钢丝绳7、塔筒8、内平台801和机舱9。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开了一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置，包括外壳1、内壳2、粘滞液体3、颗粒球4和封板5。

参见图1，所述外壳1为竖直设置的圆柱体结构，外壳1的内部中空，外壳1的上端封闭，下端敞口。所述封板5与外壳1的下端敞口密闭连接。

所述内壳2安装到外壳1内，内壳2为竖直设置的圆柱体结构，内壳2的内部中空，内壳2的上端敞口，下端封闭，内壳2的底部为向下凹陷的球形曲面。所述内壳2的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有若干颗粒球4。

所述颗粒球4可根据具体工程需求选择不同材质、不同密度的颗粒球，如钢球、铅球、橡胶球等。颗粒球4的半径、粗糙程度由实际的控制、耗能需求确定。

参见图1，所述内壳2的上端连接到外壳1的顶板上，下端与封板5存在间隙。所述内壳2的外壁与外壳1的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体3，内壳2的下端浸泡在粘滞液体3内，粘滞液体3的液面与外壳1的顶板存在间隙。

参见图2，本实施例公开的阻尼装置以落地式安装在陆上风电塔架上，该风电塔架包括塔筒8和机舱9，塔筒8的下端固定在陆地上，上端设置有机舱9，机舱9的一端设置有风电叶片。所述塔筒8内设置有若干内平台801，内平台801沿塔筒8的高度方向等间距布置。每个所述内平台801的上表面设置有一个或若干个阻尼装置，每个内平台801上的阻尼装置数量由实际工程需求确定。参见图3，当每个所述内平台801上设置有若干个阻尼装置时，若干个阻尼装置绕内平台801的中点呈环形布置，若干个阻尼装置之间的间距相等。

一旦所述塔筒8振动，粘滞液体3会产生反向的惯性作用，产生水头损失，粘滞液体3与外壳1相互作用，粘滞液体3与内壳2相互作用，从而消耗塔筒8的能量，形成调谐液体阻尼系统产生作用，淹入粘滞液体3的内壳2压缩了粘滞液体3的运动空间，提高了该调谐液体阻尼系统的阻尼，增强了控制能力。同时，内壳2中的若干颗粒球4通过滚动、摩擦、碰撞耗能减振，形成滚动式调谐质量阻尼系统产生作用。所述塔筒8振动时，调谐液体阻尼系统以及滚动式调谐质量阻尼系统均无方向限制，随塔筒8的振动随时改变方向。

本实施例的调谐液体阻尼系统可根据所述粘滞液体3的深度、外壳1尺寸、内壳2尺寸调节频率，滚动式调谐质量阻尼系统可通过调整内壳2底部的球形曲面的曲率以及颗粒球4半径调节频率，并根据工程需求调整颗粒球4的数量、粗糙程度和摩擦系数。

本实施例公开的阻尼装置的设计步骤如下：

1.根据所述塔筒8的实际空间情况确定阻尼装置安装位置并选择阻尼装置形式。

2.测量计算所述塔筒8的结构自振频率。

3.按照结构自振频率确定滚动式调谐质量阻尼系统中所述颗粒球4的质量，以及内壳2的深度、底部的曲率，外壳1的深度，粘滞液体3的质量等。

4.根据阻尼装置的质量确定所需数量并安排布置形式。

实施例2：

本实施例公开了一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置，包括外壳1、内壳2、粘滞液体3、颗粒球4和封板5。

参见图1，所述外壳1为竖直设置的圆柱体结构，外壳1的内部中空，外壳1的上端封闭，下端敞口。所述封板5与外壳1的下端敞口密闭连接。

所述内壳2安装到外壳1内，内壳2为竖直设置的圆柱体结构，内壳2的内部中空，内壳2的上端敞口，下端封闭，内壳2的底部为向下凹陷的球形曲面。所述内壳2的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有若干颗粒球4。

参见图1，所述内壳2的上端连接到外壳1的顶板上，下端与封板5存在间隙。所述内壳2的外壁与外壳1的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体3，内壳2的下端浸泡在粘滞液体3内，粘滞液体3的液面与外壳1的顶板存在间隙。

参见图4，本实施例公开的阻尼装置以落地式安装在陆上风电塔架上，该风电塔架包括塔筒8和机舱9，塔筒8的下端固定在陆地上，上端设置有机舱9，机舱9的一端设置有风电叶片。所述机舱9内腔的底部设置有阻尼装置。

一旦所述风电塔架振动，粘滞液体3会产生反向的惯性作用，产生水头损失，粘滞液体3与外壳1相互作用，粘滞液体3与内壳2相互作用，从而消耗风电塔架的能量，形成调谐液体阻尼系统产生作用，淹入粘滞液体3的内壳2压缩了粘滞液体3的运动空间，提高了该调谐液体阻尼系统的阻尼，增强了控制能力。同时，内壳2中的若干颗粒球4通过滚动、摩擦、碰撞耗能减振，形成滚动式调谐质量阻尼系统产生作用。所述风电塔架振动时，调谐液体阻尼系统以及滚动式调谐质量阻尼系统均无方向限制，随风电塔架的振动随时改变方向。

本实施例的调谐液体阻尼系统可根据所述粘滞液体3的深度、外壳1尺寸、内壳2尺寸调节频率，滚动式调谐质量阻尼系统可通过调整内壳2底部的球形曲面的曲率以及颗粒球4半径调节频率，并根据工程需求调整颗粒球4的数量、粗糙程度和摩擦系数。

实施例3：

本实施例公开了一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置，包括外壳1、内壳2、粘滞液体3、颗粒球4和封板5。

参见图1或5，所述外壳1为竖直设置的圆柱体结构，外壳1的内部中空，外壳1的上端封闭，下端敞口。所述封板5与外壳1的下端敞口密闭连接。

所述内壳2安装到外壳1内，内壳2为竖直设置的圆柱体结构，内壳2的内部中空，内壳2的上端敞口，下端封闭，内壳2的底部为向下凹陷的球形曲面。所述内壳2的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有若干颗粒球4。

参见图1或5，所述内壳2的上端连接到外壳1的顶板上，下端与封板5存在间隙。所述内壳2的外壁与外壳1的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体3，内壳2的下端浸泡在粘滞液体3内，粘滞液体3的液面与外壳1的顶板存在间隙。

参见图5，所述外壳1的上表面连接有若干连接环6，每个连接环6均连接有钢丝绳7。

参见图6，本实施例公开的阻尼装置以悬挂式安装在陆上风电塔架上，该风电塔架包括塔筒8和机舱9，塔筒8的下端固定在陆地上，上端设置有机舱9，机舱9的一端设置有风电叶片。若干所述钢丝绳7的上端连接到机舱9内腔的顶部。

一旦所述风电塔架振动，粘滞液体3会产生反向的惯性作用，产生水头损失，粘滞液体3与外壳1相互作用，粘滞液体3与内壳2相互作用，从而消耗风电塔架的能量，形成调谐液体阻尼系统产生作用，淹入粘滞液体3的内壳2压缩了粘滞液体3的运动空间，提高了该调谐液体阻尼系统的阻尼，增强了控制能力。同时，内壳2中的若干颗粒球4通过滚动、摩擦、碰撞耗能减振，形成滚动式调谐质量阻尼系统产生作用。所述风电塔架振动时，调谐液体阻尼系统以及滚动式调谐质量阻尼系统均无方向限制，随风电塔架的振动随时改变方向。

本实施例的调谐液体阻尼系统可根据所述粘滞液体3的深度、外壳1尺寸、内壳2尺寸调节频率，滚动式调谐质量阻尼系统可通过调整内壳2底部的球形曲面的曲率以及颗粒球4半径调节频率，并根据工程需求调整颗粒球4的数量、粗糙程度和摩擦系数。

实施例4：

本实施例公开了一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置，包括外壳1、内壳2、粘滞液体3、颗粒球4和封板5。

参见图1或5，所述外壳1为竖直设置的圆柱体结构，外壳1的内部中空，外壳1的上端封闭，下端敞口。所述封板5与外壳1的下端敞口密闭连接。

所述内壳2安装到外壳1内，内壳2为竖直设置的圆柱体结构，内壳2的内部中空，内壳2的上端敞口，下端封闭，内壳2的底部为向下凹陷的球形曲面。所述内壳2的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有若干颗粒球4。

参见图1或5，所述内壳2的上端连接到外壳1的顶板上，下端与封板5存在间隙。所述内壳2的外壁与外壳1的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体3，内壳2的下端浸泡在粘滞液体3内，粘滞液体3的液面与外壳1的顶板存在间隙。

参见图5，所述外壳1的上表面连接有若干连接环6，每个连接环6均连接有钢丝绳7。

参见图7，本实施例公开的阻尼装置以悬挂式安装在陆上风电塔架上，该风电塔架包括塔筒8和机舱9，塔筒8的下端固定在陆地上，上端设置有机舱9，机舱9的一端设置有风电叶片。若干所述钢丝绳7的上端连接到机舱9外壁的下表面，阻尼装置悬挂于塔筒8的上端。

一旦所述风电塔架振动，粘滞液体3会产生反向的惯性作用，产生水头损失，粘滞液体3与外壳1相互作用，粘滞液体3与内壳2相互作用，从而消耗风电塔架的能量，形成调谐液体阻尼系统产生作用，淹入粘滞液体3的内壳2压缩了粘滞液体3的运动空间，提高了该调谐液体阻尼系统的阻尼，增强了控制能力。同时，内壳2中的若干颗粒球4通过滚动、摩擦、碰撞耗能减振，形成滚动式调谐质量阻尼系统产生作用。所述风电塔架振动时，调谐液体阻尼系统以及滚动式调谐质量阻尼系统均无方向限制，随风电塔架的振动随时改变方向。

本实施例的调谐液体阻尼系统可根据所述粘滞液体3的深度、外壳1尺寸、内壳2尺寸调节频率，滚动式调谐质量阻尼系统可通过调整内壳2底部的球形曲面的曲率以及颗粒球4半径调节频率，并根据工程需求调整颗粒球4的数量、粗糙程度和摩擦系数。

实施例5：

本实施例公开了一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置，包括外壳1、内壳2、粘滞液体3、颗粒球4和封板5。

参见图1或5，所述外壳1为竖直设置的圆柱体结构，外壳1的内部中空，外壳1的上端封闭，下端敞口。所述封板5与外壳1的下端敞口密闭连接。

所述内壳2安装到外壳1内，内壳2为竖直设置的圆柱体结构，内壳2的内部中空，内壳2的上端敞口，下端封闭，内壳2的底部为向下凹陷的球形曲面。所述内壳2的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有若干颗粒球4。

参见图1或5，所述内壳2的上端连接到外壳1的顶板上，下端与封板5存在间隙。所述内壳2的外壁与外壳1的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体3，内壳2的下端浸泡在粘滞液体3内，粘滞液体3的液面与外壳1的顶板存在间隙。

参见图5，所述外壳1的上表面连接有若干连接环6，每个连接环6均连接有钢丝绳7。

参见图8，本实施例公开的阻尼装置以悬挂式安装在陆上风电塔架上，该风电塔架包括塔筒8和机舱9，塔筒8的下端固定在陆地上，上端设置有机舱9，机舱9的一端设置有风电叶片。所述塔筒8内设置有若干内平台801，内平台801沿塔筒8的高度方向等间距布置。每个所述内平台801的下表面设置有一个或若干个阻尼装置，每个内平台801的阻尼装置数量由实际工程需求确定。当每个所述内平台801设置有若干个阻尼装置时，若干个阻尼装置绕内平台801的中点呈环形布置，若干个阻尼装置之间的间距相等。

参见图8，若干所述钢丝绳7的上端连接到内平台801的下表面。

一旦所述风电塔架振动，粘滞液体3会产生反向的惯性作用，产生水头损失，粘滞液体3与外壳1相互作用，粘滞液体3与内壳2相互作用，从而消耗风电塔架的能量，形成调谐液体阻尼系统产生作用，淹入粘滞液体3的内壳2压缩了粘滞液体3的运动空间，提高了该调谐液体阻尼系统的阻尼，增强了控制能力。同时，内壳2中的若干颗粒球4通过滚动、摩擦、碰撞耗能减振，形成滚动式调谐质量阻尼系统产生作用。所述风电塔架振动时，调谐液体阻尼系统以及滚动式调谐质量阻尼系统均无方向限制，随风电塔架的振动随时改变方向。

本实施例的调谐液体阻尼系统可根据所述粘滞液体3的深度、外壳1尺寸、内壳2尺寸调节频率，滚动式调谐质量阻尼系统可通过调整内壳2底部的球形曲面的曲率以及颗粒球4半径调节频率，并根据工程需求调整颗粒球4的数量、粗糙程度和摩擦系数。

实施例6：

本实施例公开了一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置，包括外壳1、内壳2、粘滞液体3、颗粒球4和封板5。

参见图1，所述外壳1为竖直设置的圆柱体结构，外壳1的内部中空，外壳1的上端封闭，下端敞口。所述封板5与外壳1的下端敞口密闭连接。

所述内壳2安装到外壳1内，内壳2为竖直设置的圆柱体结构，内壳2的内部中空，内壳2的上端敞口，下端封闭，内壳2的底部为向下凹陷的球形曲面。所述内壳2的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有若干颗粒球4。

参见图1，所述内壳2的上端连接到外壳1的顶板上，下端与封板5存在间隙。所述内壳2的外壁与外壳1的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体3，内壳2的下端浸泡在粘滞液体3内，粘滞液体3的液面与外壳1的顶板存在间隙。

参见图9，本实施例公开的阻尼装置以落地式安装在海上风电塔架上，该风电塔架包括塔筒8和机舱9，塔筒8的下端固定在海面下，上端设置有机舱9，机舱9的一端设置有风电叶片。所述塔筒8内设置有若干内平台801，内平台801沿塔筒8的高度方向等间距布置。每个所述内平台801的上表面设置有一个或若干个阻尼装置，每个内平台801上的阻尼装置数量由实际工程需求确定。参见图3，当每个所述内平台801上设置有若干个阻尼装置时，若干个阻尼装置绕内平台801的中点呈环形布置，若干个阻尼装置之间的间距相等。

一旦所述塔筒8振动，粘滞液体3会产生反向的惯性作用，产生水头损失，粘滞液体3与外壳1相互作用，粘滞液体3与内壳2相互作用，从而消耗塔筒8的能量，形成调谐液体阻尼系统产生作用，淹入粘滞液体3的内壳2压缩了粘滞液体3的运动空间，提高了该调谐液体阻尼系统的阻尼，增强了控制能力。同时，内壳2中的若干颗粒球4通过滚动、摩擦、碰撞耗能减振，形成滚动式调谐质量阻尼系统产生作用。所述塔筒8振动时，调谐液体阻尼系统以及滚动式调谐质量阻尼系统均无方向限制，随塔筒8的振动随时改变方向。

本实施例的调谐液体阻尼系统可根据所述粘滞液体3的深度、外壳1尺寸、内壳2尺寸调节频率，滚动式调谐质量阻尼系统可通过调整内壳2底部的球形曲面的曲率以及颗粒球4半径调节频率，并根据工程需求调整颗粒球4的数量、粗糙程度和摩擦系数。

Claims (2)

1.一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置，其特征在于：包括所述外壳(1)、内壳(2)、粘滞液体(3)、颗粒球(4)和封板(5)；

所述外壳(1)为竖直设置的圆柱体结构，外壳(1)的内部中空，外壳(1)的上端封闭，下端敞口；所述封板(5)与外壳(1)的下端敞口密闭连接；

所述内壳(2)安装到外壳(1)内，内壳(2)为竖直设置的圆柱体结构，内壳(2)的内部中空，内壳(2)的上端敞口，下端封闭；所述内壳(2)的中空部分记为内腔S，内腔S内设置有若干颗粒球(4)；

所述内壳(2)的上端连接到外壳(1)的顶板上，下端与封板(5)存在间隙；所述内壳(2)的外壁与外壳(1)的内壁之间存在外腔H，外腔H内注有粘滞液体(3)，内壳(2)的下端浸泡在粘滞液体(3)内，粘滞液体(3)的液面与外壳(1)的顶板存在间隙。

2.根据权利要求1所述的一种用于风电结构减振的复合式液体-颗粒调谐阻尼装置，其特征在于：所述内壳(2)的底部为向下凹陷的球形曲面。

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