风电机组用防涡激共振阻尼器的制作方法

本实用新型涉及一种用于风电机组吊装和运行时的阻尼设备，尤其是一种用于消除风机塔筒在吊装过程中因风载荷作用，产生的涡激和塔筒的共振的阻尼器。

背景技术：

涡激(也称涡激-vortex)。其形成原理为：流速较高的流体，在穿过圆柱物体时在圆柱体后面形成漩涡；当雷诺数达到一定量级，漩涡即呈现不对称分布；当漩涡反对称交叉排列，并且涡激间距h与相邻涡激的距离L之比L/h＝2.806时，涡激是稳定的，即所谓卡门涡激。当涡激稳定后，漩涡按照一定频率从圆柱体后脱落，漩涡每脱落一次，其周围压力相应变化一次，压力变化产生力的变化；因此，稳定的涡激能引起周期性的横向力和纵向力，从而使圆柱体发生周期性震动。

当圆柱体在流体中的自振频率与涡激产生的横向力频率吻合时，而系统内部阻尼又非常低，圆柱体就会发生剧烈共振；导致结构损伤，最终危及整个工程的安全。

典型的，传统圆柱形构件，如超高风电塔筒在吊装以及运行时即会有此现象。随着风机塔筒高度越来越高，塔筒自身频率越来越低，更易形成涡激共振。

塔筒吊装时，塔筒如果发生涡激现象，则会出现塔筒大幅晃动，上层塔筒或者机舱无法和下层塔筒对接，延误安装工期和安装精度。

风电机组运行时，叶片运转破坏风力场，不会有涡激；但一旦停机，如果叶片处于若干位置(不能破坏局部风力场)，也有可能继续发生涡激现象；如果继续发生涡激现象，系统则会有较大振幅，从而降低整体机组寿命，危机工程项目安全。此时需要引入永久防涡激共振系统。

涡激共振的本质在于频率，即机组或塔筒本身固有频率和涡激频率一致，会发生共振现象，这种现象加剧振幅。因此，消除涡激共振，关键在于破坏风场或改变系统的频率。本案例中需要风机系统频率，方式主要有：增加系统质量，降低系统刚度，引入阻尼防止共振这三种方式。

一般地，对于风塔吊装时候有涡激共振现象，只要风塔高度不是太高(不高于120m)风塔频率在0.2HZ以上，在装载好机舱(100吨左右，通过改变系统重量从而改变系统频率)之后，即可阻止系统运行中的涡激共振；因此，此时(风塔不高)的涡激共振防止，需重点在防止塔筒吊装对接时候的涡激共振，即可。一般可采用，拉线法、贴临时扰流条/扰流片法等。拉线法即，采用临时缆风绳，将塔筒拉住，固定住，本质上改变了系统的共振频率，约束了振幅，晃动减小，使得塔筒或机舱可以顺利对中、安装。但拉线法操作困难，需要塔筒预留锚点，拉线需要地面汽车辅助牵拉，需要预留道路等，实际操作过程中不具备普遍性。扰流条/片法本质上为改变固定风力场，使风场不再稳定，风力场不能形成稳定涡激，无法形成涡激共振。但扰流条法会造成塔筒外观非常难看，影响风机整体美观；且，扰流条/扰流片为塑料或发泡橡胶制品，在风机20年使用寿命周期内，会有剥落失效的不确定性，给风机全寿命周期平稳运行带来隐患。

特别地，对于特殊风塔，高度超过120m或者风塔本身频率较低情况，即便在装好机舱和叶片后，在风机停机时，整机依然存在涡激共振的可能性。此时便需要安装永久阻尼设备。

常用设备及解决策略主要有：弹簧-重物阻尼器法A；灌水法B；重物悬垂法C(参照图1a,1b,1c)。弹簧-阻尼器法A，本质上引入重物的重量和弹簧的阻尼，依靠重物的惯性，实现阻尼改变共振频率。但弹簧-重物法，所占空间太大，对弹簧质量要求较高，全生命周期过程中需要经常检修，且附带滑轮-导轨等机构，费用昂贵。灌水法B(图1b)为在机舱及塔筒内部放置容器，容器内部装满可自由流动的液体(一般考虑成本最低的水)，依靠水的惯性和重力产生阻尼，改变系统频率。这种安装方法的缺点在于水的罐装非常麻烦，灌装量太大且占据很大部分内部空间，而且需要专门抽水设备；且内部容器务必要做好防腐，严防液体对钢结构的腐蚀。重物悬垂法C(图1c)较为常见，一般为顶部悬垂一根钢缆绳，缆绳上为有一定重量的重物；塔筒摆动时，重物以另外频率做钟摆式摆动，提供阻尼，从而破坏固有频率。这种安装方法的缺点在于重物的安装非常不方便，且，重物的摆动幅度一旦不可控，对周围空间内的设备和人员造成伤害。

综上，上边提到的几种方法在经济成本上、操作便捷性上、可靠性上、外部美观性上、耐久性上也均有欠缺。因此，需提供一种系统原理简单，结构清晰，使用较低的成本，即解决了风电吊装、运行过程中的涡激共振现象；大大节省了安装时间，延长了风电机组使用寿命；用较低的成本创造了较大的经济效益；且，原料简单易得，大大节省了塔筒内部有效空间，对塔筒外观没有影响。

技术实现要素：

本实用新型是要提供一种风电机组用防涡激共振阻尼器，该阻尼器原理简单，结构清晰，使用较低的成本，即解决了风电吊装、运行过程中的涡激共振现象；又可大大节省安装时间，延长风电机组使用寿命。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种风电机组用防涡激共振阻尼器，包括塔筒内壁、运动槽、球体，所述运动槽焊接固定在塔筒内壁上形成一个闭封圈环形结构，闭封圈环形结构内布有多个可在运动槽内自由运动的球体。

进一步，所述球体为钢球、铝球、铜球、铁球、石球中的一种；

进一步，所述球体表面包覆橡胶。

进一步，所述球体直径在10cm-20cm之间，数量在10-30个。

进一步，所述运动槽为Ω形导向槽、四边形导向槽、圆形导向槽、梯形导向槽、三角形导向槽中的一种。

本实用新型的有效益效果在于：

本实用新型提供了一种用于消除风电机组在吊装和运行过程中的涡激共振现象的解决方案。与传统的“拉绳式”相比，系统无需现场安装，且消除涡激现象效果显著；与传统的“扰流条”式相比，系统简洁，容易实现，对塔筒外观不造成任何影响；与传统的“内部悬挂重物”式相比，系统简洁，所用重物为封闭在运动槽内的钢球；阻尼系统不会对周围的人、设备等造成影响；封闭结构，也不用考虑钢球的坠落；与传统的“水箱”式相比，系统所用介质不会对塔筒造成腐蚀，且所占空间大大缩小。

本实用新型调整方便，适用于不同功率和频率的各种风电塔架；调节仅需要加减钢球即可；整个系统的安装工作在车间即可完成，现场直接吊装完成，无需现场二次安装；

另外，风力发电时叶片相对于塔筒顶部产生轴向推力，此推力造成塔筒顶部形变；当发电停止时，塔筒回复到正常状态；此过程为一类似钟摆运动；新系统所引入阻尼的存在加剧了钟摆运动的衰减；因此本实用新型的连带有效益处为：减少了风机停机时塔筒和机舱的摆动次数和幅度，进一步提高机组使用寿命。

综上，本实用新型原理简单，结构清晰，使用较低的成本，即解决了风电吊装、运行过程中的涡激共振现象；大大节省了安装时间，延长了风电机组使用寿命。用较低的成本创造了较大的经济效益；且原料简单易得，大大节省了塔筒内部有效空间，对塔筒外观没有影响。

附图说明

图1为现有的防止涡激共振结构及方法示意图；

其中：(a)弹簧-重物，(b)灌水，(c)重物悬垂；

图2为本实用新型的风电机组用防涡激共振阻尼器结构立体剖视图；

图3为本实用新型的风电机组用防涡激共振阻尼器结构横向剖视图；

图4为本实用新型的风电机组用防涡激共振阻尼器中的圈环形运动槽截面形状示意图；

其中：(a)方槽，(b)圆槽，(c)梯形或三角槽。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图2，3所示，一种风电机组用防涡激共振阻尼器，包括塔筒内壁1、运动槽3、球体2。运动槽3焊接固定在塔筒内壁1上形成一个闭封圈环形结构，闭封圈环形结构内布有多个可在运动槽3内自由运动的球体2。

初始状态球体2均布于运动槽3，球体2可以在运动槽3内自由运动；实际吊装安装状态，由于塔筒无法做到真正意义上的完全水平，球体2处于聚集到地点的状态；

球体2可以是钢球、铝球、铜球、铁球、石球等任何材质的球体；也可以是多种材料的混合球体，如：球球2表面包覆橡胶等；球体2为根据不同塔筒的规格和频率，数量和直径略有不同；一般直径在10cm-20cm之间，数量在10-30个；并可根据实际需要以及数值仿真结果，酌量加减。

如图4所示，运动槽3可以是Ω形导向槽，四边形导向槽3-1(图4a)，也可以是圆形导向槽3-2(图4b)，也可以是梯形或三角形导向槽3-3(图4c)等；其应当包含所有具有导向作用，可以支撑球体运动，且可以在球体运动时改变球体运动状态的所有导向轨道(槽)；

球体2可以在封闭的运动槽3内自由运动；球体2运动时间上的迟滞，球体2空间上的曲线运动，球体2与球体2之间力的相互作用对钢球运动状态的改变；综合作用下形成阻尼，本质上改变系统本身的固有频率，最终实现消除涡激的目的。采用改变风塔涡激的方式为改变系统的本构频率；改变系统本构频率的方式为增加系统重量和增加系统阻尼。增加系统阻尼依靠钢球和塔筒运动上的迟滞和运动空间上的方向不一致，以及钢球间相互碰撞作用造成的运动状态改变；其为以上三种综合因素共同作用的结果。

本实用新型的风电机组用防涡激共振阻尼器内部为一圈环形封闭轨道(运动槽)，焊接于塔筒内壁，运动槽内装有有一定质量的若干钢球，钢球可在运动槽内自由滚动。钢球在塔筒的吊装和运行过程中塔筒运动带动钢球运动，但由于惯性和重力作用，钢球的运动相对于塔筒运动时间上滞后；钢球运动轨迹为沿运动槽的环形，塔筒在风载和涡激共振的作用下运动轨迹为迎风向的纵向和横向；运动方向上的不同，运动时间上的滞后，使钢球起到阻尼作用；阻尼的存在，改变了塔筒的共振频率，从而减小甚至消灭塔筒共振摆动幅度；确保塔筒安装时对心方便，运行过程中减少机头摆动幅度，延长机组设备使用寿命。