一种用于风力发电机叶片的减振装置

1.本发明属于风力发电叶片减振技术领域，具体涉及一种用于风力发电机叶片的减振装置。


背景技术：

2.保证风力发电机安全运行是风电行业中的重中之重，随着资源的短缺，新能源的需求日益紧迫，风力发电机在全国多地大范围投入使用，不同环境下的风载荷也导致了各种各样的振动问题，其中危害比较明显的是叶片振动，叶片振颤的交变应力会使叶片产生疲劳裂纹，从而导致叶片的受损。世界风能协会统计数据显示，自70年代至今，世界风力机事故总数为1093件，其中由叶片损害导致的事故有220件，占20.1％。由此可见，风力发电机叶片的抑颤技术是现在大型风力发电机设计亟待解决的问题之一。
3.大型风力发电机是一个复杂的流-固耦合系统，细而长的叶片具有无穷多个弯曲和扭转振动模态，随机流动的空气作用在叶片上，除了产生空气动力带动风轮旋转，还会使风力发电机产生气动弹性问题，包括静态发散现象、颤振问题、风轮与塔架耦合稳定性问题等。其中，风力发电机叶片颤振是不稳定的自激振动，当叶片在流场作用下产生变形或运动，而叶片的变形或运动反过来又影响流场，从而改变流体在叶片表面上的载荷大小和分布，叶片在气动力、重力和离心力作用下“挥舞”，即叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动，容易导致风力发电机停机瘫痪甚至塔筒倒塌，叶片断裂的实例屡见不鲜。风力发电机叶片“挥舞”极大程度上损害了风力发电机的使用寿命，破坏了风力发电机的安全运行，严重阻碍了新能源的发展进程。
4.目前针对风力发电机叶片的主流减振手段，依然是内置基于被动调谐减振的tmd模块，tmd控制的原理是给系统附加一个质量块，通过质量块向前滑动时产生的反向惯性力维持风力发电机平衡，同时质量块能够吸收风力发电机结构的动能，减缓叶片振动幅值。理论上，当质量块结构频率与外界风荷载频率一致时，能够做到叶片不振，振动全部被质量块吸收。但其中存在的问题是，要实现更好的吸振效果，质量块质量要大，一方面成本高，另一方面叶片承载能力有上限，而且该吸振器只有在结构频率与荷载频率一致时效果优异，一旦环境载荷发生改变或者频率区别较大，吸振器的效果将非常有限。并且该吸振器效果完全依靠于固有频率，当固有频率与风载荷频率一致时，载荷传向叶片的振动会完全被质量块吸收，称之为反共振效果，此时叶片不振，质量块猛烈振动，但随之而来的问题是此时的被动吸振器也容易损毁。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于风力发电机叶片的减振装置，使得风力发电机叶片振动的动能能够转化为其它能量形式耗散，从而解决上述背景技术提出的风力发电机叶片振动引起叶片损坏的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
7.第一方面，本发明提供了一种用于风力发电机叶片的减振装置，包括第一封装盒，所述第一封装盒设置于风力发电机的叶片上，所述第一封装盒的两端设置有第三磁铁；所述第一封装盒中部设有减振机构；所述减振机构的两侧连接有弹簧；
8.所述减振机构包括质量块和第二封装盒；所述质量块设于第二封装盒内，所述第二封装盒和所述质量块之间滑动连接；所述质量块的两侧连接有磁铁组件；所述磁铁组件与第三磁铁通过弹簧连接，并且磁铁组件与第三磁铁相互排斥。
9.进一步地，磁铁组件包括第一磁铁和第二磁铁；所述第一磁铁与所述质量块连接；所述第一磁铁通过连接杆与第二磁铁连接，所述第一磁铁和第二磁铁的磁极相斥并能够产生与连接杆垂直的磁感线；所述第二磁铁与第三磁铁通过弹簧连接，第二磁铁与第三磁铁相互排斥。
10.进一步地，所述第二磁铁的端部设有用于防止第二磁铁滑落的锁帽。
11.进一步地，所述弹簧的一端与锁帽连接，另一端连接于第三磁铁上。
12.进一步地，所述连接杆、锁帽与质量块同为高密度合金。
13.进一步地，所述第二封装盒材质为铜。
14.进一步地，所述第二封装盒的外壁上安装有温度传感器。
15.进一步地，所述弹簧两端连接有加热装置，所述温度传感器连接于控制器的输入端，所述加热装置连接至控制器的输出端。
16.另一方面，本发明还提供了一种风力发电机，包括叶片和所述的减振装置，所述减振装置安装于所述叶片上，所述减振装置垂直于叶片旋转平面。
17.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：在本发明中，第一封装盒设置于风力发电机的叶片上，第一封装盒的两端设置有第三磁铁；所述第一封装盒中部设有减振机构；所述减振机构的两侧连接有弹簧；所述减振机构包括质量块和第二封装盒，所述质量块设于第二封装盒内，所述第二封装盒和所述质量块之间滑动连接；所述质量块的两侧连接有磁铁组件；所述磁铁组件与第三磁铁通过弹簧连接，并且磁铁组件与第三磁铁相互排斥，当所述叶片振动时，所述质量块带动磁铁组件沿所述第二封装盒往复运动并产生电流用于叶片减振；所述叶片在振动的过程中，根据楞次定律可知所述质量块吸收叶片动能沿所述第二封装盒左右移动，导致第二封装盒内的磁通量的不断变化，产生一个始终与质量块运动方向相反的安培力，阻止质量块位移并产生电流，加快叶片能量耗散，起到一个阻尼力的作用，从而进一步提升了叶片的减振效率，减少了叶片破损和断裂。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的减振机构与叶片连接关系图；
19.图2是本发明实施例提供的用于风力发电机叶片的减振装置结构示意图；
20.图3是本发明实施例提供的用于风力发电机叶片的减振装置结构示意图；
21.图4是本发明实施例提供的减振机构结构示意图；
22.图5是本发明实施提供的减振机构磁场示意图；
23.图中：1-叶片；2-第一封装盒；3-减振机构；31-第二封装盒；32-质量块；33-第一磁铁；34-连接杆；35-第二磁铁；36-锁帽；4-第三磁铁；5-弹簧；6-温度传感器。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.实施例1
29.第一方面，本发明实施例提供了一种用于风力发电机叶片的减振装置，如图1至图3所示，一种用于风力发电机叶片的减振装置，包括第一封装盒2，所述第一封装盒2设置于风力发电机的叶片1上，所述第一封装盒2的两端设置有第三磁铁4，所述第一封装盒2呈圆筒状，所述第一封装盒2中部设有减振机构3，所述减振机构3的两侧连接有弹簧5，所述减振机构3通过弹簧5与第三磁铁4连接。
30.如图4所示，所述减振机构3包括质量块32和第二封装盒31，所述第二封装盒31设置于所述第一封装盒2内，所述质量块32的两侧连接有磁铁组件；所述磁铁组件与第三磁铁4通过弹簧5连接，并且磁铁组件与第三磁铁4相互排斥，所述弹簧5的一端与锁帽36连接，另一端连接于第三磁铁4上；所述磁铁组件包括第一磁铁33和第二磁铁35；所述第一磁铁33与所述质量块32连接；所述第一磁铁33通过连接杆34与第二磁铁35连接，所述第一磁铁33和第二磁铁35的磁极相斥并能够产生与连接杆34垂直的磁感线；所述第二磁铁35与第三磁铁4通过弹簧5连接，第二磁铁35与第三磁铁4相互排斥。
31.本实施例中，所述第二封装盒31设置为铜管，因为铜管具有优异的导电导热性能，所述质量块32沿第二封装盒31运动过程中耗散的能量转化成了沿着第二封装盒31内壁生成的电涡流，电涡流在环路中运转成热量耗散出去，当叶片1在严寒天气运转时，所述第二封装盒31产生的热量用于去除叶片1上的融雪；所述第二封装盒31的外壁上安装有温度传感器6，所述温度传感器6用于监测第二封装盒31的温度。
32.所述弹簧5为sma弹簧，其材料为形状记忆合金，所述减振装置的固有频率与弹簧5刚度的开方成正比，所述弹簧5两端连接有加热装置；所述温度器连接于控制器的输入端；所述加热装置连接至控制器的输出端；因此当处于叶片1剧烈振动的情况下，控制器可以接收温度传感器6传输的数据，并根据实时的荷载情况，来计算最佳吸振效果对应的弹簧5刚度，然后通过弹簧5两端的加热装置调控形状记忆合金弹簧5的环境温度，进而调节弹簧5刚度，从而使得振动吸收效果达到最佳。
33.所述质量块32为高密度合金，高密度合金能承载更大的动能，提供一个更大的中
转平台，能为叶片1吸收更多的能量，当所述叶片1振动时，所述质量块32带动第一磁铁33沿所述第二封装盒31往复运动，能够实现磁通量的改变，以产生安培力，所述安培力阻止质量块32位移并产生电流，能够加快叶片1能量耗散，起到一个阻尼力的作用，因为安培力的作用，吸振装置在频率与荷载频率不一致时，也能取到优异的振动控制效果，从而进一步提升了叶片1的减振效率，减少了叶片1破损和断裂。
34.当所述叶片1振动时，所述质量块32带动第一磁铁33沿所述第二封装盒31往复运动，并将叶片1运动产生的动能转化为电能用于叶片1减振；进一步地，所述磁铁组件包括第一磁铁33和第二磁铁35；所述第一磁铁33的一侧为n极，另一侧为s极，本实施例中，所述第一磁铁33的左侧为n极，右侧为s极，所述第一磁铁33和第二磁铁35异极相吸可以加固与质量块32的连接。
35.所所述第一磁铁33与所述质量块32连接；所述第一磁铁33通过连接杆34与第二磁铁35连接，所述连接杆34材质为高密度合金，所述第一磁铁33和第二磁铁35的磁极相斥用于产生磁感线，所述磁感线与连接杆34垂直；所述第二磁铁35与第三磁铁4通过弹簧5连接，第二磁铁35与第三磁铁4相互排斥；所述第二磁铁35的端部设有锁帽36，所述锁帽36材质为高密度合金，所述锁帽36用于防止第二磁铁35滑落，从而固定磁极距离以保证磁场强度。
36.如图5所示，本发明实施例通过质量块32把叶片1振动能量进行吸收，然后通过磁场产生的安培力，将振动能量转化成电能热能耗散出去，所述质量块31不断吸收转化能量，维持动态平衡；当质量块32沿第二封装盒31运动时，运动方向刚好与磁感线互相垂直，所述质量块32反复切割磁感线产生质量块32运动方向相反的安培力，所述安培力用于阻止质量块32位移并产生电流用于减少叶片1振动，能极大地降低叶片1振动幅值，减少叶片1振动损伤；所述质量块32从叶片1处吸收的动能将转化为第二封装盒31内的电能，电能最终转化为热能散发出去，在此过程中，所述质量块32又会从叶片1处不断吸收动能，周而复始，将叶片11振动幅值维持在安全范围内。
37.一种用于风力发电机叶片的减振装置原理：本发明实施例通过在第二封装盒31内设置质量块32，当叶片1产生振动时，所述质量块32能够承载大量动能沿所述第二封装盒31往复运动，所述质量块32的两侧连接有第一磁铁33，所述第一磁铁33的两侧通过连接杆34与第二磁铁35连接，所述第一磁铁33和第二磁铁35的磁极相斥会产生轴向磁感线，所述质量块32带动磁铁组件沿所述第二封装盒31往复运动并产生电流用于叶片1减振；所述叶片1在振动的过程中，根据楞次定律可知所述质量块吸收叶片1动能沿所述第二封装盒左右移动，导致第二封装盒31内的磁通量的不断变化，产生一个始终与质量块32运动方向相反的安培力，阻止质量块32位移并产生电流，加快叶片1能量耗散，起到一个阻尼力的作用，因为安培力的作用，即使吸振装置在频率与荷载频率不一致时，也能取到优异的振动控制效果。
38.实施例2
39.第二方面，本发明实施例提供了一种风力发电机，包括叶片和实施例1所述的减振装置；所述减振装置安装于所述叶片1上；所述减振装置垂直于叶片1旋转平面。
40.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于风力发电机叶片的减振装置，其特征在于，包括第一封装盒(2)，所述第一封装盒(2)设置于风力发电机的叶片(1)上，所述第一封装盒(2)的两端设置有第三磁铁(4)；所述第一封装盒(2)中部设有减振机构(3)；所述减振机构(3)的两侧连接有弹簧(5)；所述减振机构(3)包括质量块(32)和第二封装盒(31)；所述质量块(32)设于第二封装盒(31)内，所述第二封装盒(31)和所述质量块(32)之间滑动连接；所述质量块(32)的两侧连接有磁铁组件；所述磁铁组件与第三磁铁(4)通过弹簧(5)连接，并且磁铁组件与第三磁铁(4)相互排斥。2.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机叶片的减振装置，其特征在于，磁铁组件包括第一磁铁(33)和第二磁铁(35)；所述第一磁铁(33)与所述质量块(32)连接；所述第一磁铁(33)通过连接杆(34)与第二磁铁(35)连接，所述第一磁铁(33)和第二磁铁(35)的磁极相斥并能够产生与连接杆(34)垂直的磁感线；所述第二磁铁(35)与第三磁铁(4)通过弹簧(5)连接，第二磁铁(35)与第三磁铁(4)相互排斥。3.根据权利要求2所述的一种用于风力发电机叶片的减振装置，其特征在于，所述第二磁铁(35)的端部设有用于防止第二磁铁(35)滑落的锁帽(36)。4.根据权利要求3所述的一种用于风力发电机叶片的减振装置，其特征在于，所述弹簧(5)的一端与锁帽(36)连接，另一端连接于第三磁铁(4)上。5.根据权利要求3所述的一种用于风力发电机叶片的减振装置，其特征在于，所述连接杆(34)、锁帽(36)与质量块(32)同为高密度合金。6.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机叶片的减振装置，其特征在于，所述第二封装盒(31)材质为铜。7.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机叶片的减振装置，其特征在于，所述所述弹簧(5)为sma弹簧，其材料为形状记忆合金。8.根据权利要求7所述的一种用于风力发电机叶片的减振装置，其特征在于，所述第二封装盒(31)的外壁上安装有温度传感器(6)。9.根据权利要求8所述的一种用于风力发电机叶片的减振装置，其特征在于，所述弹簧(5)两端连接有加热装置，所述温度传感器(6)连接于控制器的输入端，所述加热装置连接至控制器的输出端。10.一种风力发电机，包括叶片和权利要求1至9任一项所述的减振装置，所述减振装置安装于所述叶片(1)上，所述减振装置垂直于叶片(1)旋转平面。

技术总结
本发明公开了一种用于风力发电机叶片的减振装置，包括第一封装盒，第一封装盒设置叶片上，所述第一封装盒的两端设置有第三磁铁；所述第一封装盒中部设有减振机构；所述减振机构包括质量块和第二封装盒；所述第二封装盒和所述质量块之间滑动连接；所述质量块的两侧连接有磁铁组件；所述磁铁组件与第三磁铁通过弹簧连接，并且磁铁组件与第三磁铁相互排斥；叶片在振动的过程中，根据楞次定律可知所述质量块吸收叶片动能沿所述第二封装盒左右移动，导致第二封装盒内的磁通量的不断变化，产生与质量块运动方向相反的安培力，阻止质量块位移并产生电流，能够加快叶片能量耗散，从而进一步提升叶片的减振效果，减少了叶片破损和断裂。减少了叶片破损和断裂。减少了叶片破损和断裂。


技术研发人员：郭兴文 张伟 张玖林 蔡新 汪亚洲 王浩 王梦亭 谢姣洁 任磊
受保护的技术使用者：河海大学苏州研究院
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/12