CN113062649B - 一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法，按照以下步骤进行：S1、计算得到风力机塔架结构的参数；S2、根据得到的风力机塔架结构的参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的参数；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架上。采用本发明提供的一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法，能够结合风力机塔架结构的参数适应性地确定预应力调谐质量阻尼器的各项参数，为工程设计提供理论基础，便于预应力调谐质量阻尼器的选型、安装和使用推广。

Description

一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，具体涉及一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法。

背景技术

为提高发电效率及适应低风速地区风电机组运行要求，风机正向大兆瓦方向发展，其塔架结构逐步变高、变柔导致风机自振频率降低，已逐步接近风、浪等外界荷载频率，从而易引发风机塔架共振。过大振动不但降低塔架自身疲劳寿命，且对发电机组性能有较大影响，将减少风机整体寿命及降低发电效率。因此，风机向大兆瓦方向发展就必须解决塔架过大振动问题。

近年来较多学者和工程人员针对风机提出了多种被动减振技术及装置的理论概念设计，主要分为调谐液体阻尼器(Tuned liquid damper，简称TLD)和调谐质量阻尼器(Tuned mass damper，简称TMD)两种。

其中，调谐液体阻尼器是一种典型有效的被动结构减振控制装置，其减振控制的原理是将水箱固定在被控结构上，通过水箱中的液体晃动对容器内壁两侧产生的动压力差形成减振力。然而，调谐液体阻尼器应用于风机塔架最大的瓶颈是，其水箱中不规则的流体波动导致控制力难以准确计算，因此该装置的理论有待进一步完善。

调谐质量阻尼器将质量块自身的振动频率调整至风机塔架振动的主要频率附近，通过调谐质量阻尼器与风机塔架间的相互作用实现能量从风机塔架到质量阻尼器的转移，从而达到转移目的。而调谐质量阻尼器分为支撑式TMD和悬吊式TMD，支撑式TMD一般需要布置于风机的顶部，但是风机顶部机舱空间有限，不利于布置。因此在风机塔架内部布置悬吊式TMD应运而生，但是悬吊式TMD只能通过摆长调节其频率，由于塔架内部的空间极为有限，悬吊式TMD的摆动角度非常小，而小摆角下提供控制力则十分有限，导致减震效果不理想。

因此，为了解决以上问题，发明人团队设计了一种全新的预应力调谐质量阻尼器(PS-TMD)，但是目前预应力调谐质量阻尼器的设计和安装受多重因素的影响，往往需要建立复杂的有限元模型，工作量较大，不便于实际应用。解决以上问题成为当务之急。

发明内容

为解决以上的技术问题，本发明提供了一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法。

其技术方案如下：

一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法，按照以下步骤进行：

S1、计算得到风力机塔架结构的参数；

S2、根据得到的风力机塔架结构的参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的参数；

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架上；

其中，所述风力机塔架结构包括塔架以及安装在塔架顶部的机舱，叶片可转动地安装在机舱上，所述塔架由若干段通过法兰盘依次连接的塔筒组成；

其特征在于，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阻尼器，各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的内壁之间；

所述步骤S1中，风力机塔架结构的参数包括塔架的第一阶振动的形状函数

以及风力机塔架结构的广义质量m_s和广义刚度k_s；

所述步骤S2中，预应力调谐质量阻尼器的参数包括预应力调谐质量阻尼器的质量m_d、预应力调谐质量阻尼器的悬挂高度h’、预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d、预应力拉索的预应力值f以及每个阻尼器的粘滞阻尼系数c_d。

采用以上预应力调谐质量阻尼器，预应力调谐质量阻尼器通过在塔顶和靠近的法兰盘之间的预应力拉索来悬挂质量块，质量块与塔筒壁通过若干等分圆周的阻尼器相连接，进而利用质量块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自身的频率，在服役环境下，当塔架顶部水平振幅较小时，减振质量块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，减振质量块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；采用以上方法，能够结合风力机塔架结构的参数适应性地确定预应力调谐质量阻尼器的各项参数，为工程设计提供理论基础，便于预应力调谐质量阻尼器的选型、安装和使用推广。

作为优选，所述步骤S1包括以下步骤：

S11、将现实中的风力机塔架结构简化为风力机塔架结构的等效单自由度体系动力学模型：将风力机塔架机构简化为悬臂梁结构，取风力机塔架结构的塔架底面中心点为坐标系原点，塔架的竖直方向为z轴，风力机的顺风方向为x轴，风力机的横风方向为y轴，位于塔架顶部的机舱和叶片的集中质量为M，塔架的总高为H，塔架的质量密度m(z)，塔架沿z轴方向变化的弯曲刚度EI(z)；

S12、根据步骤S11得到塔架的第一阶振动的形状函数：

式(1)中，t表示时间，t的单位为s，x(z,t)表示z截面在t时刻的位移，x(H,t)表示塔顶在t时刻的位移；

根据材料力学悬臂梁自由端集中荷载下的挠度可知：

式中，P表示集中力，单位为N，EI表示塔架截面的弯曲刚度；

将式(2)代入式(1)可得：

步骤13、计算得到风力机塔架结构的广义质量m_s和广义刚度k_s：

根据广义分布柔性理论，广义质量m_s和广义刚度k_s可表示为：

式(4)中，广义质量m_s的单位是kg，广义刚度k_s的单位是N/m，m(z)表示风力机塔架沿着z轴方向的分布质量，m(z)的单位是kg/m，g表示重力加速度，g的单位是m/s²，

表示塔顶的形状函数值，其值为1。

采用以上方法，明确了风力机塔架结构的参数计算方法。

作为优选，所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S21、计算得到预应力调谐质量阻尼器的质量m_d：

m_d＝am_s (5)

式(5)中，a是中间参数，a的取值范围是1％～3％，质量m_d的单位是kg；

步骤S22、计算得到预应力调谐质量阻尼器的悬挂高度h’：

h′＝bh (6)

式(6)中，b是中间参数，b的取值范围是1/4～1/2，悬挂高度h’表示预应力调谐质量阻尼器的质量块至塔顶的距离，h’的单位是m，h表示离塔顶最近的法兰盘距离塔顶的距离，h的单位是m；

步骤S23、计算得到预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d：

根据结构动力学原理以及风机塔架和预应力调谐质量阻尼器的动力学分析模型，得到体系的运动方程：

式(7)中，c_s表示风力机塔架结构的阻尼系数，对于钢制低阻尼塔架，为了简化计算，通常取c_s＝0，F(t)为外荷载，c_d表示阻尼系数、x_s塔顶位移、x_d质量块的位移、k_d表示阻尼器的侧向刚度；

根据公式(7)及结构动力学原理，加装预应力调谐质量阻尼器后的风机塔架的基本圆频率ω_s可表示为：

式(8)中，ω_s的单位是rad/s；

根据公式(7)及结构动力学原理，预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d可表示为：

式(9)中，ω_d的单位是rad/s；

步骤S24、计算得到预应力拉索的预应力值f：

假设F(t)的形式为正弦荷载，可表示为：

F(t)＝P₀sinωt (10)

式(10)中，P₀表示正弦荷载幅值，ω为荷载频率；

将公式(10)代入公式(7)，求解体系的运动方程，得到体系的动力放大系数η：

式(11)中，β表示荷载频率ω与加装预应力调谐质量阻尼器后的风机塔架的基本圆频率ω_s的比值，μ表示预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d与加装预应力调谐质量阻尼器后的风机塔架的基本圆频率ω_s的比值，α和γ均表示减振参数比，其表达式为：

结合现有调谐液体阻尼器的理论以及结构动力学原理，最优频率比μ_opt的表示式如下：

由于μ_opt＝ω_d/ω_s，故：

将公式(8)和(9)代入公式(14)，获得预应力调谐质量阻尼器的预应力f为：

式(15)中，预应力f的单位是N；

步骤25、计算得到每个阻尼器的粘滞阻尼系数c_d：

结合现有调谐液体阻尼器的理论以及公式(11)，获得如下表达式：

式(16)中，η和β分别表示动力放大系数和阻尼比，β_M和β_N为分支点频率比，其表达式为：

式(17)中，μ表示频率比，γ、α均表示调谐参数比；

根据公式(16)和(17)可得：

式(18)中，ζ＝c_d/(m_dω_s)，通过求解公式(18)可得：

式(19)中，每个阻尼器的粘滞阻尼系数c_d的单位是N/m/s。

采用以上方法，明确了预应力调谐质量阻尼器的各项参数的计算方法，能够结合风力机塔架结构的参数适应性地确定预应力调谐质量阻尼器的各项参数。

作为优选，所述阻尼器均为粘滞阻尼器。采用以上结构，粘滞阻尼器不仅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。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法，预应力调谐质量阻尼器通过在塔顶和靠近的法兰盘之间的预应力拉索来悬挂质量块，质量块与塔筒壁若干等分圆周的阻尼器相连接，进而利用质量块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自身的频率，在服役环境下，当塔架顶部水平振幅较小时，减振质量块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，减振质量块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；并且，能够结合风力机塔架结构的参数适应性地确定预应力调谐质量阻尼器的各项参数，为工程设计提供理论基础，便于预应力调谐质量阻尼器的选型、安装和使用推广。

附图说明

图1为风力机塔架的结构示意图；

图2为预应力调谐质量阻尼器与机舱和法兰盘的安装结构示意图；

图3为将实际的风力机塔架结构键位为等效单自由度体系结构的示意图；

图4为风力机塔架和预应力调谐质量阻尼器的动力学分析模型。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法，风力机塔架结构包括塔架1以及安装在塔架顶部的机舱2，叶片6可转动地安装在机舱2上，塔架1由若干段通过法兰盘1b依次连接的塔筒1a组成。预应力调谐质量阻尼器包括通过预应力拉索5挂接在塔顶(即机舱2)和离塔顶最近的法兰盘之间1b的质量块3，沿质量块3的周向设置有若干阻尼器4，各阻尼器4的两端分别弹性地支撑在质量块3的外壁和对应塔筒1a的内壁之间。

质量块3与塔筒1a壁通过若干等分圆周的阻尼器4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，当塔架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。

进一步地，阻尼器4均优选采用粘滞阻尼器，粘滞阻尼器不仅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。

请参见图1-图4，预应力调谐质量阻尼器安装方法按照以下步骤进行：

S1、计算得到风力机塔架结构的参数。

具体地说，步骤S1包括以下步骤：

S11、将现实中的风力机塔架结构简化为风力机塔架结构的等效单自由度体系动力学模型：将风力机塔架机构简化为悬臂梁结构，取风力机塔架结构的塔架1底面中心点为坐标系原点，塔架1的竖直方向为z轴，风力机的顺风方向为x轴，风力机的横风方向为y轴(横风方向沿水平方向垂直于顺风方向，故y轴在水平面上垂直于x轴)，位于塔架1顶部的机舱2和叶片6的集中质量为M，塔架1的总高为H，塔架1的质量密度m(z)，塔架1沿z轴方向变化的弯曲刚度EI(z)。

S12、根据步骤S11得到塔架1的第一阶振动的形状函数：

式(1)中，t表示时间，t的单位为s，x(z,t)表示z截面在t时刻的位移，x(H,t)表示塔顶在t时刻的位移；

根据材料力学悬臂梁自由端集中荷载下的挠度可知：

式中，P表示集中力，单位为N，EI表示塔架截面的弯曲刚度；

将式(2)代入式(1)可得：

步骤13、计算得到风力机塔架结构的广义质量m_s和广义刚度k_s：

根据广义分布柔性理论，广义质量m_s和广义刚度k_s可表示为：

式(4)中，广义质量m_s的单位是kg，广义刚度k_s的单位是N/m，m(z)表示风力机塔架沿着z轴方向的分布质量，m(z)的单位是kg/m，g表示重力加速度，g的单位是m/s²，

表示塔顶的形状函数值，其值为1。

S2、根据得到的风力机塔架结构的参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的参数。

具体地说，步骤S2包括以下步骤：

步骤S21、计算得到预应力调谐质量阻尼器的质量m_d：

m_d＝am_s (5)

式(5)中，a是中间参数，a的取值范围是1％～3％，需要指出的是，a的取值范围是基于实验得出的，质量m_d的单位是kg；

步骤S22、计算得到预应力调谐质量阻尼器的悬挂高度h’：

h′＝bh (6)

式(6)中，b是中间参数，b的取值范围是1/4～1/2，需要指出的是，b的取值范围是根据现场经验得出的，悬挂高度h’表示预应力调谐质量阻尼器的质量块至塔顶的距离，h’的单位是m，h表示离塔顶最近的法兰盘距离塔顶的距离，h的单位是m；

步骤S23、计算得到预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d：

请参见图4，根据结构动力学原理以及风机塔架和预应力调谐质量阻尼器的动力学分析模型，得到体系的运动方程：

式(7)中，c_s表示风力机塔架结构的阻尼系数，对于钢制低阻尼塔架，为了简化计算，通常取c_s＝0，F(t)为外荷载，c_d表示阻尼系数、x_s塔顶位移、x_d质量块的位移、k_d表示阻尼器的侧向刚度；

根据公式(7)及结构动力学原理，加装预应力调谐质量阻尼器后的风机塔架的基本圆频率ω_s可表示为：

式(8)中，ω_s的单位是rad/s；

根据公式(7)及结构动力学原理，预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d可表示为：

式(9)中，ω_d的单位是rad/s；

步骤S24、计算得到预应力拉索的预应力值f：

假设F(t)的形式为正弦荷载，可表示为：

F(t)＝P₀sinωt (10)

式(10)中，P₀表示正弦荷载幅值，ω为荷载频率；

将公式(10)代入公式(7)，求解体系的运动方程，得到体系的动力放大系数η：

式(11)中，β表示荷载频率ω与加装预应力调谐质量阻尼器后的风机塔架的基本圆频率ω_s的比值，μ表示预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d与加装预应力调谐质量阻尼器后的风机塔架的基本圆频率ω_s的比值，α和γ均表示减振参数比，其表达式为：

结合现有调谐液体阻尼器的理论以及结构动力学原理，最优频率比μ_opt的表示式如下：

由于μ_opt＝ω_d/ω_s，故：

将公式(8)和(9)代入公式(14)，获得预应力调谐质量阻尼器的预应力f为：

式(15)中，预应力f的单位是N；

步骤25、计算得到每个阻尼器的粘滞阻尼系数c_d：

结合现有调谐液体阻尼器的理论以及公式(11)，获得如下表达式：

式(16)中，η和β分别表示动力放大系数和阻尼比，β_M和β_N为分支点频率比，其表达式为：

式(17)中，μ表示频率比，γ、α均表示调谐参数比；

根据公式(16)和(17)可得：

式(18)中，ζ＝c_d/(m_dω_s)，通过求解公式(18)可得：

式(19)中，每个阻尼器的粘滞阻尼系数c_d的单位是N/m/s。

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架上。具体地说，在基础风力机塔架结构的参数基础上，确定出预应力调谐质量阻尼器的质量m_d、悬挂高度h’、基本圆频率ω_d、预应力拉索的预应力值f以及每个阻尼器的粘滞阻尼系数c_d，将预应力调谐质量阻尼器安装到风力机塔架上，能够对风力机塔架结构起到极佳的减震效果。

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。

Claims (2)

1.一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法，按照以下步骤进行：

S1、计算得到风力机塔架结构的参数；

S2、根据得到的风力机塔架结构的参数，计算得到预应力调谐质量阻尼器的参数；

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架上；

其中，所述风力机塔架结构包括塔架以及安装在塔架顶部的机舱，叶片可转动地安装在机舱上，所述塔架由若干段通过法兰盘依次连接的塔筒组成；

其特征在于，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阻尼器，各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的内壁之间；

所述步骤S1中，风力机塔架结构的参数包括塔架的第一阶振动的形状函数

以及风力机塔架结构的广义质量m_s和广义刚度k_s；

所述步骤S2中，预应力调谐质量阻尼器的参数包括预应力调谐质量阻尼器的质量m_d、预应力调谐质量阻尼器的悬挂高度h’、预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d、预应力拉索的预应力值f以及每个阻尼器的粘滞阻尼系数c_d；

所述步骤S1包括以下步骤：

S11、将现实中的风力机塔架结构简化为风力机塔架结构的等效单自由度体系动力学模型：将风力机塔架机构简化为悬臂梁结构，取风力机塔架结构的塔架底面中心点为坐标系原点，塔架的竖直方向为z轴，风力机的顺风方向为x轴，风力机的横风方向为y轴，位于塔架顶部的机舱和叶片的集中质量为M，塔架的总高为H，塔架的质量密度m(z)，塔架沿z轴方向变化的弯曲刚度EI(z)；

S12、根据步骤S11得到塔架的第一阶振动的形状函数：

式(1)中，t表示时间，t的单位为s，x(z,t)表示z截面在t时刻的位移，x(H,t)表示塔顶在t时刻的位移；

根据材料力学悬臂梁自由端集中荷载下的挠度可知：

式中，P表示集中力，单位为N，EI表示塔架截面的弯曲刚度；

将式(2)代入式(1)可得：

步骤13、计算得到风力机塔架结构的广义质量m_s和广义刚度k_s：

根据广义分布柔性理论，广义质量m_s和广义刚度k_s可表示为：

式(4)中，广义质量m_s的单位是kg，广义刚度k_s的单位是N/m，m(z)表示风力机塔架沿着z轴方向的分布质量，m(z)的单位是kg/m，g表示重力加速度，g的单位是m/s²，

表示塔顶的形状函数值，其值为1；

所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S21、计算得到预应力调谐质量阻尼器的质量m_d：

m_d＝am_s (5)

式(5)中，a是中间参数，a的取值范围是1％～3％，质量m_d的单位是kg；

步骤S22、计算得到预应力调谐质量阻尼器的悬挂高度h’：

h′＝bh (6)

式(6)中，b是中间参数，b的取值范围是1/4～1/2，悬挂高度h’表示预应力调谐质量阻尼器的质量块至塔顶的距离，h’的单位是m，h表示离塔顶最近的法兰盘距离塔顶的距离，h的单位是m；

步骤S23、计算得到预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d：

根据结构动力学原理以及风机塔架和预应力调谐质量阻尼器的动力学分析模型，得到体系的运动方程：

式(7)中，c_s表示风力机塔架结构的阻尼系数，对于钢制低阻尼塔架，为了简化计算，通常取c_s＝0，F(t)为外荷载，c_d表示阻尼系数、x_s塔顶位移、x_d质量块的位移、k_d表示阻尼器的侧向刚度；

根据公式(7)及结构动力学原理，加装预应力调谐质量阻尼器后的风机塔架的基本圆频率ω_s可表示为：

式(8)中，ω_s的单位是rad/s；

根据公式(7)及结构动力学原理，预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d可表示为：

式(9)中，ω_d的单位是rad/s；

步骤S24、计算得到预应力拉索的预应力值f：

假设F(t)的形式为正弦荷载，可表示为：

F(t)＝P₀sinωt (10)

式(10)中，P₀表示正弦荷载幅值，ω为荷载频率；

将公式(10)代入公式(7)，求解体系的运动方程，得到体系的动力放大系数η：

式(11)中，β表示荷载频率ω与加装预应力调谐质量阻尼器后的风机塔架的基本圆频率ω_s的比值，μ表示预应力调谐质量阻尼器的基本圆频率ω_d与加装预应力调谐质量阻尼器后的风机塔架的基本圆频率ω_s的比值，α和γ均表示减振参数比，其表达式为：

结合现有调谐液体阻尼器的理论以及结构动力学原理，最优频率比μ_opt的表示式如下：

由于μ_opt＝ω_d/ω_s，故：

将公式(8)和(9)代入公式(14)，获得预应力调谐质量阻尼器的预应力f为：

式(15)中，预应力f的单位是N；

步骤25、计算得到每个阻尼器的粘滞阻尼系数c_d：

结合现有调谐液体阻尼器的理论以及公式(11)，获得如下表达式：

式(16)中，η和β分别表示动力放大系数和阻尼比，β_M和β_N为分支点频率比，其表达式为：

式(17)中，μ表示频率比，γ、α均表示调谐参数比；

根据公式(16)和(17)可得：

式(18)中，ζ＝c_d/(m_dω_s)，通过求解公式(18)可得：

式(19)中，每个阻尼器的粘滞阻尼系数c_d的单位是N/m/s。

2.根据权利要求1所述的根据权利要求1中所述的基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法，其特征在于：所述阻尼器均为粘滞阻尼器。

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