本发明涉及一种用于风力发电机组的塔筒的阻尼器及风力发电机组的塔筒。
背景技术：
对于风力发电机组的塔筒而言，根据涡激振动的产生原理，风吹过塔筒时在塔筒后端产生反对称排列的涡街，当涡从塔筒表面脱落时，会影响到塔筒表面压力的变化，压力的变化对塔筒产生一个激励，无量纲数斯特劳哈尔数st(strouhalnumber)是在流体力学中讨论物理相似与模化时引入的相似准则，对于诸如塔筒的圆柱绕流，st＝fd/v，这里，f是漩涡分离频率，d是特征长度(即，塔筒外直径)，v是流体速度(即，风速)。当风速从低速向高速增加时，塔筒会依次经历其的一阶振动、二阶振动。
目前，对于风力发电机组的塔筒的振动抑制主要体现在对其一阶振动抑制上，比较广泛使用的抑制装置为调谐质量阻尼器(tmd)，例如，可将摆式tmd设置在塔筒的顶部，这种情况下，摆式tmd的摆长为10m左右，在设计和安装过程中，需要考虑到tmd的质量块的运输、限位功能等问题，导致其设计、运输和安装成本较高。对于一阶振动如果使用液体阻尼器作为阻尼装置，根据阻尼器的要求，其液体晃动频率接近塔架一阶频率(约为0.1hz-0.2hz)。按照这样设计出的阻尼器直径(或边长)会在10m左右。鉴于陆地运输条件塔筒直径一般为4.5m，因此这样的阻尼器无法安装在塔筒中，从而无法应用液体阻尼器来抑制一阶振动。
当塔筒振动的表现形式主要体现为二阶振动时，其频率高于一阶振动，如果应用摆式tmd，其设计摆长仅为200mm左右，然而，针对如此短的摆长无法设计出可靠的tmd。因此，会采用摆式弹簧式混合的tmd，但是随着引入更多的结构形式，会使tmd的设计、制造变复杂，从而对成本、可靠性等方面产生不利的影响。
因为二阶振动对应的风速大、频率高、振动能量大，因此其危险性也较大，对于工作人员安全、风力发电机组载荷等都有威胁，特别是高柔塔风力发电机组在大风环境下时，可能产生持续的二阶扭腰振动，这样的振动对机组疲劳载荷以及机组安全性都存在很大的负面影响。
因此，需要一种能够应用于风力发电机组的塔筒的抑制二阶振动且便于制造、节约成本、安装简单的阻尼器。
技术实现要素：
为了解决作用在风力发电机组的塔筒上的二阶振动对塔筒带来的负面影响等问题，本发明提供一种能够应用于风力发电机组的塔筒的抑制二阶振动且便于制造、节约成本、安装简单的阻尼器。
本发明的一方面提供一种用于风力发电机组的塔筒的阻尼器，所述阻尼器包括壳体，所述壳体中容纳有液体，以通过液体的惯性力或晃动来抑制所述风力发电机组的塔筒的二阶振动。
优选地，所述阻尼器还可包括阻尼增强装置，所述阻尼增强装置设置可在所述壳体中，以增大阻尼力。
优选地，所述阻尼增强装置可包括形成有开口的至少一个阻尼板，所述至少一个阻尼板可设置在所述壳体的内壁上且位于所述液体的液面之下。
优选地，所述阻尼增强装置可包括中空的筒体，所述筒体可与所述壳体共同形成环状腔体，所述液体可设置在所述环状腔体内。
优选地，所述阻尼增强装置可包括竖直地设置在所述壳体中的分隔板，所述分隔板可将所述壳体的内部空间分隔成多个空间。
优选地，所述阻尼增强装置可包括至少一个阻尼网，所述至少一个阻尼网可固定在所述壳体的内壁上且位于所述液体的液面之下。
优选地，所述阻尼器还可包括设置在所述壳体的侧壁上的液位计，以通过所述液位计确定所述液体的液面位置。
优选地，所述阻尼器还可包括减震装置，所述减震装置可设置在所述壳体的底部，以减小所述壳体的震动。
本发明的另一方面提供一种风力发电机组的塔筒，所述塔筒包括如上所述的用于风力发电机组的塔筒的阻尼器，所述阻尼器可设置在所述塔筒的除了最上部的塔筒段和最下部的塔筒段以外的塔筒段中。
优选地，所述阻尼器可设置在所述塔筒的总高度的40％至80％的高度范围。
优选地，在所述塔筒中可设置有多个所述阻尼器，多个所述阻尼器可沿水平方向布置在所述塔筒的安装平台上或者沿竖直方向堆叠在所述安装平台上。
根据本发明的用于风力发电机组的塔筒的阻尼器及风力发电机组的塔筒，可抑制风力发电机组的塔筒的二阶振动，减小塔筒在大风环境下受到二阶振动的负面影响，提高塔筒的安全性。
此外，根据本发明的用于风力发电机组的塔筒的阻尼器及风力发电机组的塔筒，可安装在风力发电机组的塔筒的除了最上段塔筒和最下段塔筒以外的塔筒段上，能够较好地抑制塔筒的二阶振动。
此外，根据本发明的用于风力发电机组的塔筒的阻尼器及风力发电机组的塔筒，可设置有不同种类的阻尼增强装置，可减小液体的晃动的二阶频率的碎波现象，提高阻尼效果。
此外，根据本发明的用于风力发电机组的塔筒的阻尼器及风力发电机组的塔筒，便于设计和制造，节约生产成本，安装简单。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的阻尼器的立体图。
图2是根据本发明的实施例的阻尼器的分解示意图。
图3是根据本发明的实施例的阻尼器的阻尼增强装置的第一示例的示意图。
图4是根据本发明的实施例的阻尼器的阻尼增强装置的第二示例的示意图。
图5是根据本发明的实施例的阻尼器的阻尼增强装置的第三示例的示意图。
图6是根据本发明的实施例的阻尼器的阻尼增强装置的第四示例的示意图。
图7是表示根据本发明的实施例的阻尼器的安装位置的曲线图。
图8是根据本发明的实施例的阻尼器安装在塔筒的安装平台上的分布示图。
图9是根据本发明的实施例的阻尼器安装在塔筒的安装平台上的另一示例分布示图。
图10是根据本发明的实施例的阻尼器安装在塔筒上的示意图。
附图标号说明：
100：阻尼器，110：壳体，111：螺栓，112：弹簧垫，113：螺母，120：减震装置，130：液位计，141：阻尼板，142：筒体，143：分隔板，144：阻尼网，200：安装平台，l：液体。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述本发明的实施例，在附图中示出了本发明的示例性实施例。为了清楚地示出各部件的内部构造及连接关系，附图中的部分组件(例如，下面将描述的图1至图6中的阻尼器的壳体)示出为透明结构。
下面将参照图1至图6详细描述根据本发明的实施例的用于风力发电机组的塔筒的阻尼器100的具体构造。
根据本发明的实施例的阻尼器100包括壳体110。壳体110中容纳有液体l，以通过液体l的惯性力或晃动来抑制所述风力发电机组的塔筒的二阶振动。具体来说，可通过液体l在静止状态下的惯性力或者通过液体l在晃动状态下产生的力来提供减振作用，从而抑制风力发电机组的塔筒的二阶振动。这里，风力发电机组的塔筒的二阶振动是指具有塔筒中段扭摆且频率一般在1hz-2hz范围这样的特征的振动，其不同于发生在塔筒上段且摇晃频率低于0.3hz的一阶振动。阻尼器100中的液体l可采用诸如乙二醇类、丙二醇类等粘度大于水的粘度的液体，在液体晃动过程中，粘度大的液体不容易产生液面波浪的破碎，从而可减小波浪破碎导致阻尼器效率下降。
如图2所示，壳体110可具有大体上被密封的形式，例如，形成为密封罐形式，以防止在使用过程中液体l挥发或异物进入，以确保阻尼器100的阻尼效果。在壳体110的顶部可设置有用于注入或输出液体l的开口以及用于密封开口的密封盖和密封圈。密封盖可以是旋拧在开口上的螺纹盲盖，密封圈可增强开口的密封性。壳体110(例如，壳体110的顶部)上还可设置有吊耳，以便于运输和安装。
壳体110可通过焊接、螺栓紧固件、胶水粘接、磁力座吸附、卡合等固定方式安装到安装平台200上。例如，如图2所示，壳体110的底部外壁上可设置有底部法兰，以通过螺栓111、弹簧垫112及螺母113将阻尼器100安装在具有螺栓孔(未示出)的安装平台200上。螺栓111可自下而上穿过安装平台200的螺栓孔、壳体110的法兰孔以及弹簧垫112或者自上而下穿过弹簧垫112、壳体110的法兰孔以及安装平台200的螺栓孔，然后通过螺母113紧固。
此外，尽管图中示出壳体110整体呈圆柱形状，但是其不限于此，例如，也可根据安装场所需要或设计需要形成为六面体或其他多面体形状。
阻尼器100还可包括减震装置120，减震装置120设置在壳体110下面(即，壳体110与安装平台之间)，用于减少不必要的其他振动(例如，白噪声等)对液体l的扰动。减震装置120上也可形成有安装孔，以通过螺栓111等紧固件与壳体110一起安装在安装平台200上。作为示例，减震装置120可以是利用诸如橡胶等材料形成的减震垫板。
此外，阻尼器100还可包括设置在壳体110的侧壁上的液位计130，以通过液位计130确定液体l的液面位置。例如，如图1和图2所示，液位计130可以是从壳体110的侧壁凸起的玻璃液位计，以通过玻璃刻度的标识来观察内部液面的位置。由于阻尼器100的抑制频率与液面高度有关，因此可通过调节液面高度对阻尼器的抑制频率进行调节，实现精准的抑制频率。这样既可以防止设计与实际结果差异较大，并且及时补偿由于长时间运行导致的频率的变化，同时也更加方便了运维人员进行运维。这里，液位计130的刻度可以表示液面高度值，也可以表示经计算后的与例如阻尼器100的抑制频率对应的值等。然而，液位计130的构造不限于此，也可实现为能够监测液面高度的其他任意合适的装置。
根据本发明的阻尼器100还可包括阻尼增强装置，阻尼增强装置设置在壳体110中，以增大阻尼力，优化阻尼效果。图3至图6中示出了阻尼增强装置的各个示例。
如图3所示，根据本发明的第一示例的阻尼增强装置可包括阻尼板141，阻尼板141设置在壳体110的内壁上，并且可沿着壳体110的内壁形成为包括开口的环形形状，阻尼板141位于液体l的液面之下，当液体晃动时，每一次的晃动都会冲击在阻尼板141上，阻尼板141可消耗液体的部分动能，降低液体晃动的振幅，从而可增加液体晃动时的阻尼，提高减振效果。
尽管图3中示出了根据本发明的第一示例的阻尼板141具有中央开口的环形形状，但是其不限于此，而是可形成为能够对晃动的液体产生阻挡以增大阻尼力的任何形状，例如，其也可形成为半圆形形状、辐射形状等，并且开口的形状、数量、形成位置不受具体限制，例如，开口可根据需要形成为如图3所示的圆形、多边形、不规则形状或者它们的组合等的各种形状。此外，优选地，如图3所示，阻尼板141可与液面(或壳体的底面)平行地设置，但是不限于此，其也可相对于液面或壳体的底面倾斜地设置。
此外，不限于图3的示例，可在壳体110内设置两个或更多个阻尼板141以进一步增强阻尼效果。
如图4所示，根据本发明的第二示例的阻尼增强装置可包括中空的筒体142，筒体142的外壁与壳体110的内壁共同限定一个环状腔体，液体l可容纳在该环状腔体内。筒体142可如图4所示地形成为与壳体110相应的圆筒形状，并设置在壳体110的中央位置，但是筒体142也可形成为与壳体110不同的形状，例如，筒体142可具有多棱柱、多棱锥等形状，并且可根据需要与壳体110偏心设置。
由于筒体142的内部中空，因此可减少需要的总液体质量。同时，因为在液体晃动过程中，整个阻尼器100的中部质量起到非常小的惯性力作用，而外部质量对阻尼效果的贡献最大，所以即使筒体142呈中空状态而使阻尼器100的总质量减小，仍可实现较好的阻尼效果。此外，因为液体被限制在环形腔体内，所以液体的晃动方向也受到限制，从而可以减小液体晃动的二阶频率等碎波现象。
如图5所示，根据本发明的第三示例的阻尼增强装置可包括竖直地设置在壳体110中的分隔板143，分隔板143将壳体110分隔成多个空间，各个空间之间彼此可不连通，以将液体l分隔在不同空间中，使得液体被限制在相对小的空间内，以减小高阶的液体晃动，增加阻尼。作为示例，图5所示的分隔板143可形成为四分结构，但是分隔板143的构造不限于此，其也可以形成为二分结构、三分结构、五分结构等各种形式，并且分隔成的多个空间可以是不等分的。
如图6所示，根据本发明的第四示例的阻尼增强装置可包括阻尼网144，阻尼网144具有网状结构，并固定在壳体110的内壁上且位于液体l的液面之下。液体l在晃动时会流经阻尼网144，阻尼网144与液体l产生内摩擦，消耗液体的动能，从而优化阻尼器效果。阻尼网144的数量不受限制，可根据设计需要设置至少一个阻尼网144。此外，优选地，如图6所示，阻尼网144所在的平面可与液面(或壳体的底面)平行，但是不限于此，其也可相对于液面或壳体的底面倾斜。
上面描述的阻尼板141、筒体142、分隔板143和阻尼网144优选地由不易与阻尼器中的液体l发生反应的材料形成，例如，可利用不锈钢材料形成，以提高阻尼器的使用寿命。
此外，上面描述的阻尼板141、筒体142、分隔板143和阻尼网144可与壳体110可拆卸或不可拆卸地连接，例如，其可与壳体110一体地形成或通过焊接、粘接等方式安装在壳体110的内壁上，也可以通过铆接、卡合等方式安装。
此外，阻尼增强装置也可包括上面描述的阻尼板141、筒体142、分隔板143和阻尼网144中的任意两者或更多者的组合，例如，可在壳体110中同时设置阻尼板141和阻尼网144，或者可在设置有筒体142的情况下在环形腔体中设置阻尼网144等，或者可在设置有分隔板143的情况下在至少一个分隔空间中设置阻尼板141和/或阻尼网144。
此外，根据本发明的阻尼器100对于二阶振动的抑制主要通过将液体的力传递给塔筒来实现。在设计用于二阶振动频率的阻尼器100时，阻尼器100的设计频率与阻尼增强装置的种类、阻尼器100的直径大小和液面高度中的每一个变量都有关系，并且，阻尼器100的直径大小与液面高度比值关系到阻尼效率，并且也影响到液体的质量，从而影响阻尼器的效果，因此，需要对阻尼器100的直径大小、液面高度、阻尼增强装置的种类等进行设计，进而提高阻尼器100抑制二阶振动的效果。例如：对于圆柱形的阻尼器100，在二阶振动频率为1.2hz左右的特征时，阻尼器的直径大致为0.5m-0.8m，阻尼器100内的液面高度一般为阻尼器的直径的0.3倍到0.5倍。此外，在设计液面高度时需要考虑到二阶振动频率与液面敏感度的关系。敏感度目标值为0.02hz/5mm时效果较佳。
根据本发明的阻尼器100主要针对频率大致为1hz至2hz的振动的抑制，当作用在风力发电机组的塔筒上的二阶振动频率为1hz至2hz时，可采用本发明的阻尼器对振动进行抑制。
下面将参照图7和图10描述根据本发明的实施例的阻尼器100在风力发电机组的塔筒中的安装位置。
在图7所示的塔筒振形图中，横轴表示塔筒在一定风力作用下的二阶振动归一化幅值，纵轴表示塔筒的高度。阻尼器100安装在塔筒的振动最大的位置附近对塔筒的二阶振动抑制效果最好，因此，为了确保较好的对二阶振动的抑制效果，阻尼器100可优选地安装在塔筒的其振动为最大振动的75％以上的位置。
如图10所示，根据本发明的阻尼器100可设置在塔筒的除了最上部的塔筒段和最下部的塔筒段以外的塔筒段中，例如，设置在如图7所示的塔筒的总高度的40％至80％的高度范围。
根据本发明的阻尼器100的液体晃动频率需要与塔筒的二阶振动频率(即，目标减振的频率)接近，在频率最接近的情况下可提供最大的有效质量(即，液体质量)。因为塔筒的二阶振动频率一般在1hz左右，而对此频率设计的阻尼器100在大小、形式上趋近理想状态，因此非常有利于在风力发电机组内部安装与应用。
根据本发明的实施例，在风力发电机组的塔筒中可设置有多个如上所述的阻尼器100，以进一步叠加减振能力，加强总体阻尼效果。
多个阻尼器100可如图8所示地沿水平方向布置在塔筒的安装平台200上，或者如图9所示地沿竖直方向堆叠在安装平台200上，以减少平台的占用面积。这里，多个阻尼器100可包括彼此相同或不同的阻尼增强装置。
在多个阻尼器100沿竖直方向堆叠在安装平台200上的情况下，除了设置在最上部的阻尼器100外，其他阻尼器100的顶部(未示出)可设置为整体上平坦的形状，而不是如图1至图6中所示的突起形状，以能够顺利地在其上堆叠其他阻尼器100。此外，除了设置在最上部的阻尼器100外，其他阻尼器100的顶部的外壁上可设置有顶部法兰，以通过紧固件与堆叠在其上的阻尼器100的底部法兰彼此固定，然而，彼此堆叠的阻尼器100的连接方式不限于此，也可通过诸如卡合、粘接等其他任意合适的连接方式连接。
尽管图9中示出了三个阻尼器100堆叠为一组且安装平台200上布置有三组阻尼器的形式，但是其布置方式不限于此，可根据实际需要在安装平台200的任意合适的位置处堆叠任意组数的阻尼器，并且每组阻尼器可包括多于或少于三个的阻尼器，并且各组阻尼器所包括的阻尼器的个数可不同。
此外，图8和图9所示的多个阻尼器100的分布方式不限于图中所示的布局，可根据实际需要任意布置多个阻尼器的位置。
根据本发明的用于风力发电机组的塔筒的阻尼器及风力发电机组的塔筒，可抑制风力发电机组的塔筒的二阶振动，减小塔筒在大风环境下受到二阶振动的负面影响，提高塔筒的安全性。
此外，根据本发明的用于风力发电机组的塔筒的阻尼器及风力发电机组的塔筒，可安装在风力发电机组的塔筒的除了最上段塔筒和最下段塔筒以外的塔筒段上，能够较好地抑制塔筒的二阶振动。
此外，根据本发明的用于风力发电机组的塔筒的阻尼器及风力发电机组的塔筒，可设置有不同种类的阻尼增强装置，可减小液体的晃动的二阶频率的碎波现象，提高阻尼效果。
此外，根据本发明的用于风力发电机组的塔筒的阻尼器及风力发电机组的塔筒，便于设计和制造，节约生产成本，安装简单。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。