每個葉片上具有寬波段減震裝置的風力渦輪機的製作方法

2023-06-21 01:40:51

專利名稱：每個葉片上具有寬波段減震裝置的風力渦輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及在每個葉片上具有減震裝置的風カ渦輪機，特別涉及在每個葉片上具有寬波段減震裝置的風カ渦輪機。
背景技術：
風カ渦輪機是將機械能轉換為電能的裝置。典型的風カ渦輪機包括裝配在塔上的發電機艙，包圍著驅動機構，用於將轉子的旋轉發送到發電機，還包括其他元件，例如偏航驅動器，用於導向風カ渦輪機，若干致動器、傳感器和制動器。轉子支撐從其徑向延伸的多個葉片，用於捕獲的風的動能並且引起驅動機構旋轉運動。轉子葉片具有空氣動力學的形狀，使得當風吹過葉片表面時，生成升力引起軸的旋轉，該軸直接連接或通過聯動結構連接至位於發動機艙內部的發電機。由風カ渦輪機產生的能量的數量依賴於轉子葉片掃過的表面，該表面接收來自風的動作並且結果增加葉片的長度通常導致風力渦輪機功率輸出的增 カロ。控制葉片使其在正常階段保持在自動旋轉狀態，並且葉片的姿態依賴於風的強度。増加葉片尺寸在空氣彈性變形響應方面存在缺陷，因為總的趨勢是結構性減震隨著葉片長度降低。由於該減小，葉片在正常頻率的動態響應與減震比率的倒數成比例地增カロ，並且還依賴於與渦流發散頻率的接近。圖2示出了該結構的典型的振幅-相關頻率的圖，其中強調了在共振頻率Ftl的振幅Atl,以及在頻率F1的最大振幅ん。由此從結構完整性和/或成本優化的觀點看在葉片中包括ー些額外的減震是方便的，從而使得可以減小動態負載。當組合空氣動力學條件和結構特性時，特別有意思的是葉片總減震減小(空氣動力學機上加上結構上的)，並且甚至可能進入用於相關本徵模的負空氣動力學減震值區域。當葉片中的相關螺旋槳處於失速情況(其中上升斜率為負)吋，這可能發生。該情況可能對於正常生產過程中的失速調節風カ渦輪機發生，但是也可能對於可變齒距風力渦輪機在閒置或具有高的進入角的空轉狀態中發生。多個專利文檔公開了用於風カ渦輪機葉片的減震裝置，例如W095/21327、WO02/08114、WO 99/32789 和 US 6,626.642。這些減震裝置的通常缺點在於它們沒有被設計為考慮如下情況對於給定的風力渦輪機模型，由於容差存在葉片的結構或空氣動力學屬性的顯著變化，這涉及效率的顯著變化。本發明致カ於尋找這些缺陷的解決方案。

發明內容
本發明的目的在於提供具有有效減震器裝置的風カ渦輪機葉片，而不管由於容差葉片的結構或空氣動力學屬性變化。本發明的另ー個目的在於提供具有減震器裝置的風カ渦輪機葉片，其允許負載減小和/或擴展葉片可以承受的風況而不具有關於結構完整性的較高風險。本發明的另ー個目的在於提供具有減震器裝置風カ渦輪機葉片，其允許減輕葉片重量。這些和其他目的通過ー種風カ渦輪機實現，所述風カ渦輪機包括ー個或多個葉片，每個葉片包含減震裝置，所述減震裝置包括在葉片的主共振頻率Ωο上調諧的第一減震元件，以及在頻率Ω 1，Ω 2, . . . Qk上調諧的K個額外的減震元件,使得在葉片振動的情況下，在以Ωο的百分比X在葉片的主共振頻率Ωο之上和之下延伸的波段內，葉片振動的振幅A以處於葉片的主共振頻率Ω ο的振幅Ao的百分比Y減小，所述頻率Ω1，Ω2，... Qk包括在所述波段內。在本發明的實施例中，所述減震裝置位於扭轉是0°的葉片部分中，以衰減擺振方向振動；或者位於具有預定扭轉的葉片部分中，以衰減擺振方向和揮舞方向振動；或者位於第二擺振方向振動模態形狀的位置上的葉片部分中，以必須激勵混合振動模式。由此實現能夠經受不同振動模式的用於風カ渦輪機的有效減震裝置。、
在本發明的實施例中，所述額外的減震元件的數目是2。考慮到兩個額外的減震元件是在風力渦輪機葉片中實現滿意的結構的合理數目的元件，另ー方面，這有助於優化處理，用於獲得減震元件的參數模態質量m、模態硬度k和減震係數C。在本發明的實施例中，所述百分比X小於15%，或者甚至小於11%。對應的波段是適合的波段，用於確保寬範圍的葉片在其動態響應中的充分減小，而不管相同型號的葉片的容差變化。在本發明的實施例中，所述百分比Y小於40%，甚至小於21%。考慮到這個界限可以實現適合尺寸的減震元件，並且引起足夠的負載和偏離減小，允許葉片性能的改進。本發明的其他特徵和優點將從示例性而非限制性的實施例的具體描述結合附圖中得到理解。


圖I是風カ渦輪機的示意性截面側視圖。圖2示出結構的典型動態響應。圖3示出具有或不具有在自然頻率調諧的ー個減震器元件的結構的響應。圖4對於圖3加入了具有兩個減震器裝置的結構的響應，該減震器裝置具有多於ー個減震器兀件。圖5示出具有包括K個減震元件的減震裝置的葉片的具體能量圖。圖6不出揮舞和擺振方向。圖7示出根據本發明具有和不具有減震裝置的葉片的頻率響應。圖8示出由於減震係數上升引起的負載減小。
具體實施例方式如圖I所示，典型的風カ渦輪機包括塔3，用幹支撐發動機艙8，發動機艙包裹發電機9，用於將風力渦輪機轉子的旋轉能量轉換電能。風カ渦輪機轉子包括轉子中心5，並且通常具有三個葉片7。轉子中心5直接連接或通過傳動盒連接至風カ渦輪機的發電機9，用於將轉子5產生的轉矩傳送到發電機9，並且增加軸速度，從而實現發電機轉子的適合的旋轉速度。
例如風カ渦輪機的葉片的結構對於激勵的響應是關於圖3的曲線31所示的特徵的振動，在結構自然頻率Qci具有最大振幅，這依賴於結構特性。如果結構具有正確調整為所述自然頻率Ω。的減震元件，系統的響應由圖3中的曲線33示出，在所述自然頻率Qci振幅衰減(該衰減依賴於所述減震元件的減震能力)，但是振幅在接近於Ω。的頻率Q1和02增加。由此，本發明的基本觀點在於增加在接近於自然頻率Ω。的的頻率調諧的更多減震元件，從而減小響應的振幅直到最大值不超過如圖4的曲線41和42所示的頻率範圍，曲線41和42具有分別對應於具有若干元件的減震裝置的最大振幅A1和A2。組合一定數量的減震元件的效果專有地產生每個元件的效果的線性重疊，還產生了在自然頻率Qci周圍的一定頻率範圍內振幅衰減和葉片負載的減小的協作效果。在優化處理中進行用於實現期望頻率範圍內的足夠衰減所需的數量和屬性的確定，即所述減震元件的質量m、硬度k和減震係數c -進行系統的共振頻率的正確調整；-分散所需的能量以實現需要的負載減小。下面是關於能量如何從葉片傳送到減震器以實現葉片震蕩(和負載)減小的理論說明。圖5示出了當葉片具有在所述優化處理中考慮的功率輸入Pb時葉片B和減震元件Dl，D2. . . Dk之間所有可能的相互作用-在葉片Pd,B的分散的功率-在葉片B和減震元件Dl，D2.. . Dk之間的發射功率PB1，PB2, PBk-來自減震元件Dl,D2. · · Dk在葉片B的接收功率P1B, P2B, PkB-在減震元件Dl,D2. · · Dk之間的發射和接收功率P12, Plk, P2k ；P21, Pkl, Pk2-在減震元件Dl，D2.· · Dk的分散那功率=Pdil, Pd,2，Pdjk考慮不同的一般子系統i和j ( i彳)，其中i或j對應於葉片的B，並且I. . . k用於
不同的減震元件，關鍵參數是·子系統分散的功率iめ』=ω IiiEi·子系統i和j之間的互換的功率Pij = ω n ^.Ei- ω n JiEj-·互易關係=Iii η Jj = rij η Ji·每個子系統的功率平衡'Pi = Pi4 + ΣA其中，Pii由外部激勵在每個子系統中感應的功率。在這種情況下，這個參數表示通過空氣動力學負載進入葉片的功率ΡΒ。Pb =其中，Τω是與本徵頻率ω相關的震蕩周期，匕是作用於葉片的空氣動力學力的矢量，並且是模態位移的矢量。Jli是系統i的內部損耗因子。表示當進入功率轉換成葉片或減震裝置中的能量時產生的損耗的百分比。這個因子表示每個子系統中的減震等級，所以其可以表示為Hi =2Yi = 和 Ci-=2 屬^。
Ilij是子系統i和j之間的耦合損耗因子。在互聯的子系統之間傳輸的功率可以被看作與每個子系統(葉片或減震元件)中的能量成比例。數依賴於葉片和減震元件結構特性並且可以分析獲得，或者通過數學計算模型(作為FEM)獲得。η,是子系統i的模態密度，其代表頻率波段単位內子系統i中共振特徵模式的平均數量。通常對於葉片，在感興趣的波段內大約為2(較低頻率模式)，對於減震裝置為I。由此優化以獲得特定葉片的足夠的減震器裝置的參數是葉片和減震元件之間的交互因子和減震元件和它們內部損耗因子之間的交互因子，其直接涉及它們對應的減震因J Y i ο 根據本發明的減震裝置由此包括若干減震元件，根據葉片特性建立減震元件的參數質量m、硬度k和減震係數C，從而減弱主要震動模式。當葉片運動對於特定頻率波段具有相關貢獻並且對於該波段已經正確調整減震器裝置時，部分葉片能量轉換到減震裝置，使得葉片運動衰減。這種情況的發生是因為減震器分散了運動的能量，所以減小了葉片的震蕩振幅。在風カ渦輪機葉片上發生兩個主要震動模式如圖6所示的揮舞方向(flapwise)振動25和擺振方向(edgewise)振動26。在後緣(風到達葉片)至前緣(風離開葉片)方向上保持擺振運動。揮舞方向振動25垂直於擺振方向振動26。該指定牢記整個葉片的主零升線27，而不是在特定部分的輪廓的零升線29 (當進入行程時存在一些輪廓扭轉)。根據本發明的減震裝置在主振動模式(即揮舞和擺振第一振動模式)周圍的寬帶頻率上作用於葉片振動的振幅之上，其具有較高的振幅，用於減小疲勞荷載。關於根據本發明的減震裝置的位置，應當考慮若干標準，例如葉片內的空間限制、根據減震裝置的質量和位置加入到葉片的惰性負載、對于振動模式期望的效果以及由於減震裝置的安裝導致的次要效果。減震裝置的適合位置如下-扭轉(即零升輪廓線29和主零升線27之間的角度)為O。的葉片部分，從而衰減擺振方向振動。-具有預定扭轉的葉片，從而衰減揮舞方向和擺振方向振動，或者僅衰減擺振方向振動，根據每個葉片的需要而不同。-在第二擺振方向振動模態形狀的位置上以避免激勵混合振動模式的葉片部分。該部分通常位於第二第三葉片。在本發明的優選實施例中，減震裝置包括在葉片的主共振頻率Ω。調諧的第一減震元件，和在頻率Ω」 Ω2調諧的2個附加減震元件。接近於主振動頻率具有和不具有根據優選實施例的減震器裝置葉片的響應分別由圖7的曲線53和51表示。由此，減震器裝置允許振幅在期望頻率波段0^0)3減小到預定界限 Amax 之下，其中 Qa=*Ω。和 Qb= Ω,Χ^ΦΩ。優選地所述百分比Χ%小於15%，甚至小於11%，這樣定義的波段覆蓋了足以應對製造偏差的頻率波段，並對減震裝置給出足夠的餘量以正確地應對不同環境情況。在所述頻段內，應該正確選擇額外的減震元件的頻率Q1, Ω2，以實現上述協作效果，g卩，用作寬帶減震器裝置而不是三個單獨的減震元件之和。優選地，在葉片的主共振頻率Ω。，不具有任何減震元件，預定界限Amax小于振幅A。的40%，或者甚至25%。一方面，實現振動振幅的減小避免了葉片的結構危險，另一方面，允許葉片應對更高的負載。這是基於如下事實因為葉片是柔性元件，負載總是具有令人不安的穩定元件(與其他參數中的風速相關)，並且動態元件(例如來自強風)直接與總減震(結構和空氣動力學的)相關。如果增加了減震，可以減小動態負載，這允許增加令人不安的穩定負載(可允許的最大風速)而不超過葉片上的總負載。可選地，僅增加保持定尺寸的風況的減震允許如前所述優化葉片結構(重量和成本)。根據本發明的減震裝置的效果不僅是在某些頻率減小葉片偏離。還減輕葉片上的負載，所以增加減震器是清楚的改進。圖8示出了對於不同仿真S葉片上的負載L的減小，與不具有減震裝置的葉片的情況61相比，情況63、65和67增加減震係數。關於具有在頻率Ω。、Ω」 Ω2調諧的三個減震元件的減震裝置的優選實施例的上述定量信息已經在具體的參數研究中獲得，並且通過實驗測試被驗證。根據本發明的減震裝置是適合的減震裝置，用於在正常操作過程中停轉(stall)調節的風カ渦輪機，並且當停止或空轉狀態下以高進入角停轉調節的和槳距(Pitch)調節的風カ渦輪機。儘管結合優選實施例充分描述了本發明，顯而易見在本發明的範圍內可以引入改進，本發明的範圍不受這些實施例的限制，而是有所附權利要求的內容限定。權利要求
1.一種風力渦輪機，包括一個或多個葉片，其特徵在於， 每個葉片包含減震裝置，所述減震裝置包括在葉片的主共振頻率Qo上調諧的第一減震元件，以及在頻率Ql, 02, . . . Qk上調諧的K個額外減震元件,使得在葉片振動的情況下，在以Qo的百分比X在葉片的主共振頻率Qo之上和之下延伸的波段內，葉片振動的振幅A以葉片主共振頻率Qo下的振幅Ao的百分比Y減小，所述頻率Ql，Q2,... Qk包括在所述波段內。
2.根據權利要求I所述的風力渦輪機，其中，所述減震裝置位於扭轉是0°的葉片部分中，以衰減擺振方向振動。
3.根據權利要求I所述的風力渦輪機，其中，所述減震裝置位於具有預定扭轉的葉片部分中，以裳減擺振方向和揮舞方向振動。
4.根據權利要求I所述的風力渦輪機，其中，所述減震裝置位於第二擺振方向振動模態形狀的位置上的葉片部分中，以必須激勵混合振動模式。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的風力渦輪機，其中，所述額外減震元件的數目是2。
6.根據權利要求5所述的風力渦輪機，其中，所述百分比X小於15%。
7.根據權利要求6所述的風力渦輪機，其中，所述百分比X小於11%。
8.根據權利要求5-7中任一項所述的風力渦輪機，其中，所述百分比Y小於40%。
9.根據權利要求8所述的風力渦輪機，其中，所述百分比Y小於25%。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的風力渦輪機，其中，其調節系統是停轉調節系統。
11.根據權利要求1-9中任一項所述的風力渦輪機，其中，其調節系統是槳距調節系統。
全文摘要
風力渦輪機包括一個或多個葉片，每個葉片包含減震裝置，減震裝置包括在葉片的主共振頻率Ωo上調諧的第一減震元件，以及在頻率Ω1，Ω2，...Ωk上調諧的K個額外的減震元件，使得在葉片振動的情況下，在以Ωo的百分比X在葉片的主共振頻率Ωo之上和之下延伸的波段內，葉片振動的振幅A以處於葉片的主共振頻率Ωo的振幅Ao的百分比Y減小，頻率Ω1，Ω2，...Ωk包括在所述波段內。
文檔編號F16F15/10GK102734079SQ201210094138
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優先權日2011年3月29日
發明者亞歷杭德羅·賽斯·莫雷尼奧, 哈維爾·卡索·普列託, 埃特·桑切特·埃斯佩拉塔, 胡安·卡洛斯·加西亞·安杜哈爾, 赫蘇斯·洛佩茲·迭斯 申請人:歌美颯創新技術公司