一种自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索的制作方法

1.本实用新型属于高耸柔性塔桅结构减振技术领域，具体涉及一种自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索。


背景技术：

2.风力发电机塔筒、输电线塔、测风塔等高耸柔性塔桅结构在强风作用下可能因漩涡激励、脉动风、风叶飞舞、风叶对塔筒周期性遮挡、传动轴的偏心转动等引发结构的大幅振动，导致结构基础开裂、结构疲劳破坏等事故发生。
3.为了获取更大的风能转化功率，降低发电成本，实现在低风速的东部发达城市周边发电，风机塔筒的高度不断增长，塔筒大幅、多模态振动已成为塔筒高度增长最大的障碍。现有风机塔筒减振主要采用调谐减振，调谐减振的原理是在塔筒内通过弹簧和阻尼器连接一质量块，通过合理设计质量块的质量、弹簧刚度和阻尼器参数，使形成调谐质量阻尼器(tmd)，如图1所示。图1中，m为质量块的质量，k为弹簧刚度，c为阻尼器阻尼，m为主结构的质量，k1为主结构刚度，c1为主结构阻尼，f为结构所受到的风、流体等激励荷载的动力部分，f0为外激励的幅值，ω为外激励的频率，t为时间。
4.当塔筒发生大幅振动时，利用共振原理，即tmd的频率与塔筒振动频率一致，使tmd发生大幅振动，利用tmd的惯性力平衡外加激励，从而抑制结构的振动。tmd的减振原理决定了其仅能对塔筒的单阶频率进行减振，当tmd本身的频率与结构振动频率偏离时，tmd的振幅迅速减小，导致其减振效果迅速下降。同时，随着结构振动频率的减小，惯性力迅速减小，可能难以平衡外加激励。高耸的塔筒不但具有极低的基频，同时会发生多阶频率的振动。
5.采用耗能阻尼器(包括各种流体阻尼器、摩擦阻尼器、橡胶阻尼器、金属阻尼器、电涡流阻尼器等耗能元件)减振的方式，由于阻尼器本身尺寸小，仅能安装在塔筒基础处，而塔筒振动主要表现为悬臂梁式振动，塔筒下部振动很小，波峰处于塔筒中、上段，仅能安装于塔筒临近基础位置的耗能阻尼器的效果无法发挥，因而目前耗能阻尼器无法抑制高耸塔桅结构的风致振动。
6.专利号为zl201920120503.0的专利“陆上风力发电机塔筒减振阻尼索”，利用塔筒风致振动时与地面的振动位移，驱动耗能阻尼器消耗塔筒振动能量，从而抑制风机塔筒的振动。陆上风力发电机塔筒减振阻尼索结构如图2、图3所示。阻尼索一般沿塔筒按120
°
圆心角安装三套，抑制塔筒任意方向的振动。(其中，图2、图3中数字序号所表示的部件请参见该专利文件网上公开文本，且与本说明书附图中所标数字序号无关)。
7.陆上风力发电机塔筒减振阻尼索，需要利用塔筒风致振动时与地面的振动位移，驱动耗能阻尼器消耗塔筒振动能量。该方法需要在塔筒周围埋设锚固装置，占用周围土地，同时也大幅增加了施工量，成本高。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于提供一种不需要占用周围土地、并且利用自身结构进行锚固的自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索。本实用新型利用塔筒风致振动时与地面的振动位移，驱动耗能阻尼器消耗塔筒振动能量，既减少了工程量，又大幅降低了成本。
9.本实用新型的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：
10.该自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索，它包括沿圆周方向均匀铰接于风力发电机的风机塔筒同一横截面圆周面上的数个向外平伸的支架；位于支架之上的风机塔筒同一横截面圆周面上相对应位置固连有与支架相同数量的拉索，每根拉索由第一段拉索、第二段拉索和第三段拉索组成；第一段拉索的上端与所述支架之上的风机塔筒固连、下端连接支架的外端部，第二段拉索的上端连接支架的外端部、下端连接上横梁，第三段拉索的上端连接下横梁、下端与风机塔筒的根部或风机基础相连；所述上横梁、下横梁之间并联安装复位弹簧和阻尼器。
11.具体的，所述支架沿风机塔筒上均匀铰接有三个，相对应地拉索安装有三套。
12.具体的，所述支架的形状为三角形，其底边与风机塔筒铰接，其顶角为其外端部，支架能上下转动。
13.与现有技术相比，本实用新型的创新点及有益效果体现如下：
14.(1)通过在塔桅结构上增加横向支架，及从支架外端分别向上、向下与结构间张拉拉索形成阻尼索基本结构；尽最大可能地利用塔桅结构的弯曲振动构造出总体长度大幅变化的阻尼索。
15.(2)利用拉索与复位弹簧的大刚度比，实现当塔桅结构弯曲振动时，复位弹簧发生较大变形，而拉索变形较小。
16.(3)利用复位弹簧的大变形，驱动阻尼器耗能减振。
17.(4)适当的预张力和阻尼器参数，可以保证拉索总处于张紧状态。
18.(5)在塔桅结构上实现阻尼索的锚固，减少锚碇设置所带来的征地、锚碇施工。
附图说明
19.图1是现有技术中调谐质量阻尼器(tmd)的原理结构示意图。
20.图2是现有技术中陆上风力发电机塔筒减振阻尼索的结构示意图。
21.图3是图2中ⅰ处的局部放大图。
22.图4是本实用新型自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索的结构示意图。
23.图5是图4中的a-a剖视图。
24.图6是本实用新型阻尼索的工作原理示意图。
25.图7是图6中ⅱ部分放大图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的描述。
27.参见图4、图5，本实施例的自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索，它包括沿圆周方向均匀铰接于风力发电机1的风机塔筒2同一横截面圆周面上的三个向外平伸的支架6；从图5中可见，支架6的形状为三角形，其底边与风机塔筒2铰接，其顶角为其外端部，支架6能上下转
动。位于支架6之上的风机塔筒2同一横截面圆周面上对应于支架6固连有三根拉索5，每根拉索5由第一段拉索5-1、第二段拉索5-2和第三段拉索5-3组成；第一段拉索5-1的上端与上述支架6之上的风机塔筒2固连、下端连接支架6的外端部，第二段拉索5-2的上端连接支架6的外端部、下端连接上横梁7，第三段拉索5-3的上端连接下横梁8、下端与风机塔筒2的根部或风机基础9相连；上述上横梁7、下横梁8之间并联安装复位弹簧4和阻尼器3。
28.本实用新型的工作原理是：通过张拉施加拉力，使得三段拉索及复位弹簧处于张紧状态。为了描述方便，以图4中右边这套阻尼索为例描述，并且拉索及支架刚度远大于复位弹簧刚度，拉索及支架的伸长与缩短量远小于复位弹簧变形量，以下假定拉索及支架长度不变。
29.参见图6、图7，塔筒发生弯曲振动时，假定塔筒向右弯曲，从图6、图7中的实线变到虚线位，第一段拉索5-1上锚固端b1和支架a1右移并转动，三角形a1b1c1变到三角形a2b2c2，支架右端部从c1变动至c2，其x方向位移c1-c，y方向位移c-c2，将x，y方向位移投影至o-c1上，其投影分别为c1-d和c1-e，其中c-c2先平行移动至c1-c3后再向o-c1投影得到c1-e，可得到拉索从c1-o变到c2-o时，缩短量近似为c1-e与c1-d之差，预张拉的复位弹簧刚度小，变形量大，其缩短量近似为c1-e与c1-d之差，压缩阻尼器，阻尼器耗能。
30.假定塔筒向左弯曲，同样的分析可知，c1-o段主索距离增大，主索本身刚度大，变形量小，复位弹簧被拉伸，其刚度小，变形量大，拉伸阻尼器，阻尼器耗能。
31.以上是本实用新型陆上自锚式柔性塔桅结构减振阻尼索的一个具体实施例，本实用新型亦可应用于水上风机塔筒的减振。本实用新型除上述实施例的实施方式之外，还可以有别的类似方式或等同变换或延展增强方式，因此，可能的改变有：
32.(1)阻尼索采用多套，阻尼索上锚固端安装在不同高度处，下锚固端安装在塔桅结构、基础或地面等不同位置。
33.(2)增加副索，减小主索张力也同样对塔筒有减振效果。
34.(3)采用多根副索方式。
35.(4)支架端部增设滑轮，拉索绕过滑轮。
36.(5)在主索端部增设滑轮改向，便于阻尼器与复位弹簧顺塔筒或其它角度安装。