專利名稱：帶有內(nèi)裝減振器的風力渦輪轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有內(nèi)裝減振器的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片，所述的減振器包括一個大致為U形的盛有液體的空腔，該U形空腔的底部面對著葉片尖部。
在風力渦輪工作過程中，轉(zhuǎn)子葉片受到很大的力，并持續(xù)地被激振而產(chǎn)生會導致增大負載和可能發(fā)生疲勞斷裂的自然振動。葉片在工作中沿兩個主要振動方向振動，即沿前、后緣方向的振動(在通過葉片的前緣和后緣的平面內(nèi)的振動)和沿折翼方向的振動(在垂直于葉片的前緣和后緣的平面內(nèi)的振動)。這兩種基本的振動類型不僅十分重要，因為它們本身可造成葉片的斷裂，而且它們會轉(zhuǎn)換成并影響到風力渦輪本身的振動模式。
風力渦輪葉片常常受到正的氣動減振的影響，但有些類型的葉片卻受到負的氣動減振的影響，在這種情況下，特別重要的是，提供一種帶有減振裝置以減小葉片振動的葉片。
背景技術(shù)：
先前已經(jīng)推出各種用于減小葉片振動尤其是沿前、后緣方向的振動的減振裝置。
WO 95/21327公開了一種用于減緩風力渦輪葉片的振動的裝置，它具有一個可移動的配重體、一個彈簧和一個減振器。
WO 99/32789公開了一種風力渦輪葉片，在葉片的外端部安裝一組容器以減緩沿葉片前后緣方向的振動，上述的容器內(nèi)部分地裝有一種液體，這種減振器稱為液體調(diào)諧減振器。
WO 00/06898公開了一種帶有內(nèi)裝減振器的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其減振器具有一個盛有液體的U形空腔，該空腔的底部安裝成對著葉片的尖部。沿葉片前后緣方向發(fā)生的振動引起U形空腔內(nèi)的液體發(fā)生擺動，并在U形空腔的分支內(nèi)向上移動，這樣由于液體對空腔內(nèi)壁的摩擦而消耗了能量，從而使葉片減振。
帶有上述減振裝置的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片是一種雙質(zhì)量系統(tǒng)，其中，利用液體的質(zhì)量來減緩葉片的振動，在設(shè)計液體系統(tǒng)時，必須考慮許多在實踐中如何影響該系統(tǒng)的工作的參數(shù)，下面列出其中特別重要的參數(shù)a)U形空腔的幾何形狀；b)液體的物理特性；c)液體的量；d)葉片的轉(zhuǎn)動速度；e)葉片的沿前、后緣方向振動的自然頻率；f)葉片的振幅。
采用合適地設(shè)計的系統(tǒng)，可以十分有效地減緩沿葉片前、后緣方向的振動。如果上述參數(shù)中的一個或多個發(fā)生變化，就不能得到最佳的減振效果。于是發(fā)現(xiàn)，上述系統(tǒng)的減振能力強烈地取決于U形空腔內(nèi)盛有的液體量。
上述減振裝置是一種封閉的裝置，就是說，液體被封閉在U形空腔內(nèi)而不與環(huán)境接觸。但是，隨著時間的推移，可能發(fā)生通過空腔壁的擴散，因為，葉片的壽命約為20年。因此，在這期間，液體的量會發(fā)生變化。這就是上述減振裝置的主要缺點，因為其減振效果變差了。
本發(fā)明的簡要說明本發(fā)明的目的是改進上述的減振器以使其減振效果不那么強烈地依賴于U形空腔內(nèi)的液體量。
按照本發(fā)明，大致為U形的空腔的兩個支管沿離開葉尖的方向逐漸變細。因此，減振器對于液體的量不大敏感，就是說，與公知的液體減振器相比，其減振效果不完全取決于液體量的變化(而在公知減振器中，U形空腔的支管分別具有均勻的橫截面。其理由在下面說明。
如上所述，上述減振系統(tǒng)是一種雙質(zhì)量系統(tǒng)，其中，可移動的質(zhì)量包括葉片的質(zhì)量和U形空腔內(nèi)彼此相對移動的液體的質(zhì)量。為了獲得有效的減振，液體的自然頻率應大致相當于葉片的沿前、后緣方向振動的自然頻率。采用橫截面均勻的U形空腔可保證液體的自然頻率不取決于振幅，但以相同的方式取決于液體的量，因為彈跳質(zhì)量系統(tǒng)取決于振動質(zhì)量的大小。因此，在采用橫截面均勻的U形空腔的情況下，當液體的量減少時液體的自然頻率減小。采用帶有向上變細的分支的U形空腔時，在窄小區(qū)內(nèi)液柱長度的增加比具有均勻截面區(qū)的管內(nèi)更快。因此，在液體上的壓力也增加。從而使液體流動緩慢，并比完全是柱形空腔的情況更快地進入沿相反方向的運動。液體減振器的自然頻率隨液體的振幅而增加，因為液體更高地移入帶錐度的區(qū)域，從而形成兩個液柱之間水平面的更大差異。
U形空腔的兩個分支的一個有利的實施例可保證液體的自然頻率在一個寬的液體量范圍內(nèi)大致恒定，就是說，該自然頻率不會強烈地取決于U形空腔內(nèi)的液體量。換句話說，在增加液體量時液體的自然頻的降低(由于質(zhì)量增大)被液體升高到U形空腔分支的窄小區(qū)所造成的頻率的提高所抵消了。
按照一個實施例，上述的空腔可具有一個大致為U形的下區(qū)段和兩個與該下區(qū)段連通的截頭錐形上區(qū)段。因此得到了從一個橫截面積向另一個橫截面積的圓滑過渡，并在一個寬的液體量的范圍內(nèi)具有十分相近的減振效果。
按照一個實施例，上述截頭錐形上區(qū)段的長度至少為U形空腔總長度的一半。業(yè)已發(fā)現(xiàn)上述尺寸提供了對液體量之敏感性的特別平衡的均勻性，因此在一個寬的液體量的范圍內(nèi)具有相同的減振效果。
按照一個優(yōu)選實施例，上述截頭錐形上區(qū)段的容積至少為U形空腔總?cè)莘e的40％，在實踐中已證實這積容積特別有利。
截頭錐形上區(qū)段之上端的橫截面積對下端的橫截面積之比可以是1.67～3.33，優(yōu)選值為2.00～2.86，最好為2.20～2.30。
按照一個有利的實施例，U形下區(qū)段的容積可以約為3～8升，最好約為5～7升。
在一個特別有利的實施例中，截頭錐形上區(qū)段的兩個上端通過一個空腔彼此連通，從而防止由封閉在每個分支的液柱上方的空氣造成的氣體彈跳效應。
按照一個實施例，上述減振器可以是一個安裝在風力渦輪葉片內(nèi)的獨立的管體。
上述的管體最好采用旋轉(zhuǎn)模壓工藝用塑料制成。
按照一個實施例，上述兩個分支向外傾斜。因此，可以以一個一個疊置的方式設(shè)置多個獨立的減振器，這個特征對于在葉片沿其前、后緣方向的自然頻率偏離額定頻率而變化的情況下獲得有效減振是特別有利的。每個減振器的自然頻率可由下式導出
f=12π·2αL]]>式中a為加速效應，L為液柱(從表面至表面)的長度。
每個減振器的位置距風力渦輪輪轂的距離不同，因此彼此的自然頻率是不同的。
在U形空腔中的液體可以是鹽水，也可以含有乙二醇(最好是甘醇)，加入量應能使液體的凝固點低于-30℃。
附圖簡述下面參考由附圖示出的各種實施例更詳細地說明本發(fā)明，附圖中，

圖1是減振器的一個實施例的側(cè)視圖；圖2是安裝在風力渦輪葉片尖部的減振器的側(cè)視圖；圖3是按照另一個實施例的安裝在風力渦輪葉片的尖部的3個減振器的側(cè)視圖；和圖4～10示出在不同的沿葉片前、后緣方向的振動的振幅下以對數(shù)減量表示的減振值與液體量的關(guān)系曲線。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式圖1所示的減振器1具有一個大致為U形的部分地盛裝了一種液體的管體，在該減振器的靠近葉片的底部有一個短的沿水平方向延伸的圓形區(qū)段5，該區(qū)段的兩端與一個四分之一圓區(qū)段4相連接，該區(qū)段4又與垂直延伸的圓柱區(qū)段3相連接。每個區(qū)段3的上部通到一個垂直延伸的截頭錐形區(qū)段2內(nèi)。整個U形管2、3、4、5部分地盛裝一種液體，圖中的標號10表示出上述的液面。當葉片沿雙向箭頭P的方向振動/擺動時，U形管內(nèi)的液體10也以與這種振動/擺動相同的速率移動，因此交替地在U形管的右支管和左支管內(nèi)向上移動。
圖2簡單示出上述U形管減振器如何安裝在風力渦輪葉片6的自由端(僅部分地可看到)。在U形管的上端，由通道7將其兩支管互相連接，以防止封閉在每個支管的液柱上方的空氣引起的彈跳效應。雙向箭頭P標明葉片的沿前-后緣方向振動的振動方向，從而也標明減振器的振動方向。
圖3是類似于圖2所示的葉片6的尖部的視圖。但是，按本發(fā)明的另一個實施例該葉片尖部裝有3個減振器1，每個減振器1與圖1或2所示的減振器相當，但其U形管的兩個支管是向上傾斜的。因此，幾個減振器可以一個接一個地疊放在一起。在本實施例中，每個減振器1的橫向空腔7的延伸允許另外的減振器1設(shè)置在其U形管的支管之間。每個減振器至轉(zhuǎn)子輪轂的距離與其他的減振器的不同，因此，各減振器的自然振動頻率也不同。于是，可在風力渦輪葉片的較寬的振動頻率范圍內(nèi)獲得有效的減振。這在葉片的沿前后緣方向振動的自然頻率可隨葉片制造容差、工作溫度、轉(zhuǎn)速和壽命而變化的情況下是特別有利的。
圖4～10示出以對數(shù)減量表示的減振值與U形管中液體量的關(guān)系的計算機模擬曲線。
葉片振幅的對數(shù)減量δ由下列計算δ＝ln(αn/αn+1)式中αn表示第一次擺動的振幅，αn+1為隨后一次擺動的振幅。
下列參數(shù)用于計算機模擬兩個分支之間的距離0.5m四分之一圓區(qū)段4的彎曲半徑 0.2m垂直延伸的圓柱區(qū)段3的長度 0.3m截頭錐形區(qū)段2的長度 0.7m水平區(qū)段5、四分之一圓區(qū)段4和垂直延伸的圓區(qū)段3的橫截面積 0.005m2液體的密度1067kg/m3葉片的等效振動質(zhì)量365kg葉片的長度23.1m葉片的轉(zhuǎn)動速度22.5轉(zhuǎn)/分鐘葉片固有的減振值 0葉片的沿前后緣方向的自然頻率 2.22Hz圖4示出在普通的區(qū)段2為圓形管(即橫截面均勻)的減振器中以對數(shù)減量表示的減振值與液體量(以升為單位)的關(guān)系曲線，其中曲線A是葉片振幅為5cm的曲線，曲線B、C和D分別是葉片振幅為10cm、15cm和20cm的曲線。如圖所示，當U形管中盛裝大約6.7升的液體時，可得到最大的減振值。從圖中也可看出，不管振幅大小如何，6.7升都是最合適的液體量。但是，當振幅最小時，減振值最大。在液體量約為5.2升而減振值為-1(如曲線A所示)時，這并不表示減振值為負值，而僅僅是所用計算機軟件給出的數(shù)值-1，這時它不能計算出減振值。對振動振幅為5cm的曲線A的研究表明，減振值從6.7升時的13％左右分別在約6.3升和7.2升時減小至5％左右，這就意味著，在液體量為6.7±0.5升時至少獲得5％的減振值。
圖5～10的曲線與圖4所示曲線相當，但是，所用的U形管具有帶不同錐度的截頭錐形區(qū)段。
下表示出用于每種模擬計算的截頭錐形區(qū)段2上端的橫截面積

圖5表明在液體量為7升左右時葉片振幅為5cm得到最大減振值(曲線A)，液體量為7.5升時振幅為10cm得到減振值(曲線B)，液體量約為7.5升時振幅為15cm得到最大減振值(曲線C)，液體量約為8升時振幅為20cm得到最大減振值(曲線D)。圖5的模擬曲線的較窄范圍表明，最合適的液體量隨葉片的振幅而變化。
在示出其上區(qū)段2比圖5所示上區(qū)段稍帶錐度的減振器的減振性能的圖6中，可看出一種有趣的現(xiàn)象。示出葉片振幅為5cm的減振值的曲線A與圖5所示的曲線A沒有明顯差別。但是，其他振幅為10、15和20cm的減振曲線有顯著變化。這些曲線較為平坦，故表明在較寬范圍的液體量值下都可得到高的減振值。
在截頭錐形區(qū)段2上端的橫截面積為0.00225m2的圖7中，上述的現(xiàn)象更為明顯，振幅為5cm(曲線A)的也一樣。因此，很顯然，在液體量的總的范圍7～10升內(nèi)均可得到高效的減振。
在圖8的模擬曲線中，截頭錐形區(qū)段2的錐度比圖7更大，從圖中可看出，每條不同振幅的曲線皆存在兩個最大值之間的最小值。如果截頭錐形區(qū)段的錐度再大一些(如圖10所示)，這種趨勢更明顯。尤其是在圖10所示的曲線表明，在液體量約為10.5升時，所有減振值實際上為零。
從圖5～10可明顯看出，采用尺寸合適的截頭錐形區(qū)段2可以在較寬的液體量值的范圍內(nèi)獲得高效的減振。
作為一個基礎(chǔ)，業(yè)已證實，對于葉片長度約為25.5m且其沿前、后緣方向振動的額定自然頻率約為2.22Hz的轉(zhuǎn)子葉片來說，能盛裝在停機狀態(tài)下的液柱長度約為1.4m的液體的U形減振器是最好的。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，對于長度約60m且其沿前-后緣方向振動的自然頻率約1Hz的轉(zhuǎn)子葉片，其減振器的液柱長度約為3.3m是合適的。
同理，長度約為75m且其沿前-后緣方向振動的自然頻率約為0.5Hz的轉(zhuǎn)子葉片，液柱長度約為5m是合適的。
液體的粘度也影響減振性能。已根據(jù)帶有傾斜支管而其底部沒有水平區(qū)段的減振器的下列參數(shù)進行模擬。
兩個支管之間的夾角 5°U形區(qū)的半徑0.0155m截頭錐形區(qū)段的長度 0.2m管的橫截面積 0.01m2沿管的中心線從U形底部至截頭錐形區(qū)段中點的距離 1.00m液體密度 1067kg/m3葉片長度 23.51m葉片的轉(zhuǎn)動速度 22.5轉(zhuǎn)/分鐘葉片的固有減振值 0葉片的沿前-后緣方向振動的自然頻率 2.22Hz葉片振幅 20cm減振器高度 1.31m減振器的液體 水與乙二醇按1∶1比例的混合物上述模擬試驗是在20℃和-28℃下進行(在20℃，液體的粘度較低，就是說液體較稀，在-28℃液體的粘度較高，就是說液體較稠)。

雖然從上表不能直接看出來，但是，當采用稀的液體時，可得到約6％對數(shù)減量的最大減振值，而當采用稠的液體時，其最大減值的對數(shù)減量約為5.25％。如上表所示，采用稠的液體時，減振值范圍較寬，因此采用5～21升的稠液體量，可得到對數(shù)減量至少1％的減振值。而采用稀的液體，液體量就要超過13.5升。
上述模擬所用的液體是水和乙二醇按1∶1比例的混合物，由于采用較粘稠的液體更有利，故可選用一些類型的油或類似液體。
本發(fā)明不限于上述實施例。例如，可省去水平區(qū)段5，還可省去垂直延伸的圓區(qū)段3。另外，截頭錐形區(qū)段2的上端可與橫截面與其相當?shù)拇怪毖由靾A區(qū)段3相連接。
也可以使U形管的尺寸突然變化。例如，將橫截面均勻的U形區(qū)段在一個突變的過渡點處變成較細的管。在這種情況下就不用截頭錐形區(qū)段。
權(quán)利要求
1.帶有內(nèi)裝減振器(1)的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，上述減振器(1)包括一個大致為U形的盛裝有液體(10)的空腔，該空腔的底部(5)面對著葉片尖部，其特征在于，上述的大致為U形的空腔的兩個分支(2)沿離開葉片尖部的方向逐漸變細。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，其特征在于，上述空腔具有一個大致為U形的下區(qū)段(3，4，5)和兩個與上述下區(qū)段相連通的截頭錐形的上區(qū)段(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的帶有內(nèi)裝減振器(1)的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，其特征在于，上述的截頭錐形上區(qū)段的長度至少構(gòu)成該空腔總長度的一半。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的帶有內(nèi)裝減振器(1)的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，其特征在于，上述的截頭錐形上區(qū)段(2)的容積至少構(gòu)成該空腔總?cè)莘e的約40％。
5.根據(jù)權(quán)利要求2～4中的一項的帶有內(nèi)裝減振器(1)的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，其特征在于，上述的截頭錐形上區(qū)段(2)上端的橫截面積對其下端的橫截面積之比為1.67～3.33，優(yōu)選值為2.00～2.86，最佳值為2.20～2.30。
6.根據(jù)權(quán)利要求2～5中的一項的帶有內(nèi)裝減振器(1)的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，其特征在于，上述的U形管下區(qū)段(3，4，5)的容積的為3～8升，最好約為5～7升。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項的帶有內(nèi)裝減振器(1)的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，其特征在于，上述的截頭錐形上區(qū)段(2)的上端通過空腔(7)互相連通。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的帶有內(nèi)裝減振器(1)的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，其特征在于，上述的減振器是一種安裝在風力渦輪葉片內(nèi)的獨立的管體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的帶有內(nèi)裝減振器(1)的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，其特征在于，上述的管體最好用旋轉(zhuǎn)模制工藝由塑料制成。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的帶有內(nèi)裝減振器(1)的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，其特征在于，上述U形空腔的兩個分支是向外傾斜的。
全文摘要
一種帶有內(nèi)裝減振器(1)的風力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(6)，上述的減振器(1)包括一個大致為U形的盛裝有液體(10)的空腔，該U形空腔的底部(5)對著葉片尖部。它的兩個分支(2)沿離開葉片尖部的方向逐漸變細。
文檔編號F03D11/00GK1513084SQ02811176
公開日2004年7月14日 申請日期2002年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月11日
發(fā)明者I·弗賴登達爾, I 弗賴登達爾 申請人:Lm玻璃纖維制品有限公司