波浪或地震荷载下的预应力调谐质量阻尼器设计安装方法

1.本发明涉及风力发电机振动控制技术领域，具体涉及一种波浪或地震荷载下的预应力调谐质量阻尼器设计安装方法。


背景技术：

2.风力发电机通常服役环境相对恶劣，除承受风、浪、地震等环境载荷外，风轮的运行产生的湍流及阵风扰动、尾流、风切变、偏航回转、塔影效应等均可能引发塔筒的共振。而在长期服役过程中，塔筒的小幅振动会导致机舱内设备受损，且与叶片振动耦合将加剧塔筒的疲劳破坏。除此之外，过大的振动将降低风力发电机组性能，导致故障停机而降低发电效率。因此，采用经济合理、安全高效的技术方法来解决塔筒的振动问题迫在眉睫。
3.风荷载等对风力机结构属于直接激励，而波浪、地震荷载等对风力机结构属于间接激励。相关研究表明，直接激励与间接激励下结构的振动特性及振动控制装置的作用激励有所差异。调谐质量阻尼技术作为实现结构振动控制的重要手段，目前已发展成为结构振动控制的主流技术。预应力调谐质量阻尼器作为一种被动式调谐质量阻尼器，因其可以双重调谐自身频率从而减小摆长增加水平反向共振控制力，所以预应力调谐质量阻尼器有望成为未来风机减振领域广泛应用和大力推广研究的有效技术及手段。
4.近年来较多学者和工程人员提出了多种风机减振装置在风荷载等直接激励下参数设计方法，反而忽略了波浪、地震荷载等间接激励的影响。而风力机多位于峡谷、山区、海洋等灾害频发的区域，所以考虑波浪、地震荷载对风机减振来讲也是至关重要的。
5.因此，为了解决以上问题成为当务之急。


技术实现要素：

6.为解决以上的技术问题，本发明提供了一种波浪或地震荷载下的预应力调谐质量阻尼器设计安装方法。
7.其技术方案如下：
8.一种波浪或地震荷载下的预应力调谐质量阻尼器设计安装方法，按照以下步骤进行：
9.s1、获取风力发电机的材料参数、几何参数，并根据风力发电机的材料参数和几何参数计算得到风力机塔筒结构的动力参数；
10.s2、根据风力发电机的材料参数和几何参数以及风力机塔筒结构的动力参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的参数；
11.s3、选取对应的预应力调谐质量阻尼器，并将预应力调谐质量阻尼器安装到风力机塔筒上；
12.其中，所述风力发电机包括塔筒以及安装在塔筒顶部的机舱，叶片可转动地安装在机舱上，所述塔筒由若干段通过法兰盘依次连接的塔筒段组成；
13.所述预应力调谐质量阻尼器包括通过预应力拉索挂接在塔顶和离塔顶最近的法
兰盘之间的质量块，沿所述质量块的周向设置有若干粘滞阻尼器，各粘滞阻尼器的两端分别弹性地支撑在质量块的外壁和对应塔筒段的内壁之间；
14.其要点在于，所述步骤s2包括：
15.s21、根据风力发电机的几何参数，确定预应力调谐质量阻尼器的初始设计参数；
16.s22、根据风力机塔筒结构的动力参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的质量控制调谐参数、刚度控制调谐参数和阻尼控制调谐参数，并结合风力机塔筒结构的动力参数和预应力调谐质量阻尼器的初始设计参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的预应力设计参数；
17.s23、根据预应力调谐质量阻尼器的质量控制调谐参数、刚度控制调谐参数和阻尼控制调谐参数，计算得到风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后的最优频率比以及预应力调谐质量阻尼器的两个分支共振点频率比和动力系数幅值；
18.s24、根据风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后的最优频率比以及预应力调谐质量阻尼器的两个分支共振点频率比和刚度控制调谐参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器中的粘滞阻尼器的阻尼器系数。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果：
20.采用以上技术方案的波浪或地震荷载下的预应力调谐质量阻尼器设计安装方法，基于风力发电机的参数，经过一些列计算得到预应力调谐质量阻尼器的参数，再根据参数选取对应的预应力调谐质量阻尼器安装到风力机塔筒上，从而能够突破陆地超高风力机塔筒因波浪、地震振动易引发风电机组疲劳破坏、塔筒安全难以保障的难题，实现对风力机塔筒振动合理有效、经济实用、安全可靠的控制。
附图说明
21.图1为安装有预应力调谐质量阻尼器的风力发电机的结构示意图；
22.图2为风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后承受波浪或地震荷载的动力学模型示意图。
具体实施方式
23.以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
24.如图1和图2所示，一种波浪或地震荷载下的预应力调谐质量阻尼器设计安装方法，按照以下步骤进行：
25.s1、获取风力发电机的材料参数、几何参数，并根据风力发电机的材料参数和几何参数计算得到风力机塔筒结构的动力参数。
26.具体地说，步骤s1中，风力机塔筒结构的动力参数包括塔筒的广义质量 ms和广义刚度ks，广义质量ms的单位为kg，广义刚度ks的单位为n/m，广义质量ms和广义刚度ks按照下式进行计算：
27.28.式(1)中，z表示塔筒高度方向的坐标，m(z)表示塔筒的分布质量，m(z) 的单位为kg/m，m表示机舱和叶片的质量，m的单位为kg，表示塔筒的振型，h表示塔筒的总高度，h的单位为m，e表示风力发电机的材料的弹性模型，i(z)表示塔筒截面的惯性矩，ei(z)表示塔筒截面的弯曲刚度，表示塔顶的振型值。
29.其中，风力发电机包括塔筒1以及安装在塔筒顶部的机舱2，叶片3可转动地安装在机舱2上，塔筒1由若干段通过法兰盘5依次连接的塔筒段1a组成。预应力调谐质量阻尼器4包括通过预应力拉索4a挂接在塔顶(即：机舱 2)和离塔顶最近的法兰盘5之间的质量块4b，沿质量块4b的周向设置有若干粘滞阻尼器4c，各粘滞阻尼器4c的两端分别弹性地支撑在质量块4b的外壁和对应塔筒段1a的内壁之间。
30.质量块3与塔筒段1a之间通过若干等分圆周的粘滞阻尼器4c相连接，进而利用质量块3产生的惯性力来耗散能量，通过预应力与悬挂高度来双重调谐质量块3自身的频率，在服役环境下，当塔筒1顶部水平振幅较小时，质量块3在惯性力作用下将迅速产生相应水平振动，在预应力索作用下，质量块3运动产生的惯性力将反作用于结构本身，从而产生减振效果。
31.进一步地，粘滞阻尼器4c均优选采用粘滞液体阻尼器，粘滞液体阻尼器为被动减振阻尼器，内部充满粘滞阻尼液体，为耗能型阻尼器件，不仅具有体积小、无初始刚度、可震后重复使用、减振效果稳定等优点，适用于地震、台风、机械振动等工况的减振需求，而且能够提供稳定可靠的附加阻尼，而且能够起到导向和限位作用，还可作为复合减振元件避免大摆角产生的频率失调问题，实现大幅振动下的环形质量块的双重调谐功能。
32.s2、根据风力发电机的材料参数和几何参数以及风力机塔筒结构的动力参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的参数。
33.具体地说，步骤s2包括：
34.s21、根据风力发电机的几何参数，确定预应力调谐质量阻尼器的初始设计参数。
35.步骤s21中，预应力调谐质量阻尼器的初始设计参数包括预应力调谐质量阻尼器的质量md(单位为kg)和预应力调谐质量阻尼器的悬挂高度h
l
(单位为m)，其分别表示为：
[0036][0037]
式(2)中，hf表示塔顶和离塔顶最近的法兰盘之间的距离，单位为m。
[0038]
s22、根据风力机塔筒结构的动力参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的质量控制调谐参数、刚度控制调谐参数和阻尼控制调谐参数，并结合风力机塔筒结构的动力参数和预应力调谐质量阻尼器的初始设计参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的预应力设计参数。
[0039]
步骤s22中，根据风力机塔筒结构的动力参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的质量控制调谐参数：
[0040]
χ＝(ms+md)/msꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0041]
式(3)中，χ表示为预应力调谐质量阻尼器的质量控制调谐参数；
[0042]
结合风力机塔筒结构的动力参数和预应力调谐质量阻尼器的初始设计参数，按照下式计算得到预应力调谐质量阻尼器的预应力设计参数：
[0043][0044]
式(4)中，为安装预应力调谐质量阻尼器位置处塔筒的振型值，k
11
、 k
12
和k
22
为风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后的三个刚度元素，其表达式分别为：
[0045][0046]
式(5)中，g表示重力加速度，f表示预应力调谐质量阻尼器中的预应力拉索的预应力值(单位为n)，该预应力调谐质量阻尼器中的预应力拉索的f 预应力值为预应力调谐质量阻尼器的预应力设计参数；
[0047]
根据风力机塔筒结构的动力参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的刚度控制调谐参数：
[0048][0049]
式(6)中，α、γ、λ、k均为预应力调谐质量阻尼器的刚度控制调谐参数；
[0050]
根据风力机塔筒结构的动力参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的阻尼控制调谐参数：
[0051][0052]
式(7)中，ζ为预应力调谐质量阻尼器的阻尼调谐参数，cd为预应力调谐质量阻尼器中的粘滞阻尼器的阻尼系数，ωs风力机塔筒结构的自振频率(单位为rad/s)。
[0053]
s23、根据预应力调谐质量阻尼器的质量控制调谐参数、刚度控制调谐参数和阻尼控制调谐参数，计算得到风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后的最优频率比以及预应力调谐质量阻尼器的两个分支共振点频率比和动力系数幅值。
[0054]
步骤s23中，根据预应力调谐质量阻尼器的质量控制调谐参数、刚度控制调谐参数和阻尼控制调谐参数，计算得到风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后的最优频率比：
[0055][0056]
式(8)中，μ
opt
表示风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后的最优频率比；
[0057]
根据预应力调谐质量阻尼器的质量控制调谐参数、刚度控制调谐参数和阻尼控制调谐参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的两个分支共振点频率比：
[0058][0059]
式(9)中，β
l
和βr分别表示预应力调谐质量阻尼器的两个分支共振点频率比。还需要指出的是，在风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后，由之前的单自由度体系变为两自由度体系。单自由度系统之前会在其自振频率处共振(称为共振点)，变为两自由度体系后有两个共振点，这两个共振点分别称为分支共振点，两个分支共振点与风力机塔筒结构自振频率之比称为分支共振点频率比。
[0060]
根据预应力调谐质量阻尼器的质量控制调谐参数、刚度控制调谐参数和阻尼控制调谐参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的动力系数幅值：
[0061][0062]
式(10)中，η
max
表示预应力调谐质量阻尼器的动力系数幅值。
[0063]
s24、根据风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后的最优频率比以及预应力调谐质量阻尼器的两个分支共振点频率比和刚度控制调谐参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器中的粘滞阻尼器的阻尼器系数。
[0064]
步骤s24中，根据风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后的最优频率比以及预应力调谐质量阻尼器的两个分支共振点频率比和刚度控制调谐参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器中的粘滞阻尼器的阻尼器系数：
[0065][0066]
式(11)中，c
opt
表示预应力调谐质量阻尼器中的粘滞阻尼器的阻尼器系数。
[0067]
s3、选取对应的预应力调谐质量阻尼器，并将预应力调谐质量阻尼器安装到风力机塔筒上。
[0068]
具体地说，确定出预应力调谐质量阻尼器的质量md、悬挂高度h
l
、塔顶和离塔顶最
近的法兰盘之间的距离hf、质量控制调谐参数χ、刚度控制调谐参数α、刚度控制调谐参数γ、刚度控制调谐参数λ、刚度控制调谐参数k、阻尼调谐参数ζ、预应力拉索的预应力值f、两个分支共振点频率比β
l
和βr、动力系数幅值η
max
、风力机塔筒结构加装预应力调谐质量阻尼器之后的最优频率比μ
opt
、预应力调谐质量阻尼器中的粘滞阻尼器的阻尼器系数c
opt
。根据上述参数选择对应的预应力调谐质量阻尼器，最后将这种预应力调谐质量阻尼器安装到风力机塔筒上，能够对风力机塔筒结构起到极佳的减震效果。
[0069]
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。