采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔

摘要

本发明公开了采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔，属于风力发电以及结构抗震抗风领域。包括大型叶片、小型叶片、陀螺仪减振装置、风轮连接装置、桨片旋转装置、塔架、悬臂调谐减振装置、输出能源用电缆、限位墙、陀螺外支撑轴、陀螺转子、陀螺内支撑轴、环形框筒、万向滚动球铰、调谐质量块、悬挑架、悬臂段、传动系统、变速箱等。该风力发电机塔提供多个方向的桨片，增加了风力发电机的受力面积，在风向不稳定的时候，同时吸收来自各个方向的风能并转化为电能，能够提高风力使用效率。减振装置相结合更加有效的提高风力发电机在风荷载作用下以及地震动作用下抗震能力，使得该风力发电机塔能够更加安全、长久的进行风力发电作业。

权利要求

1.采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔，其特征在于：塔架(6)顶部连接风轮连接装置(4)，三个大型叶片(1)通过桨片旋转装置(5)连接到一起构成一个大型风轮，三个小型叶片(2)通过桨片旋转装置(5)连接到一起构成一个小型风轮，大型风轮和小型风轮采集水平正交方向的能量；风轮连接装置(4)顶部放置陀螺仪减振装置(3)，五个陀螺仪构成陀螺仪减振装置(3)，在飓风或地震动力作用下，位于轴心的陀螺转子(14)旋转，将产生向心力、惯性、抗力，使陀螺转子(14)的旋转轴指向固定的方向，降低结构在风荷载和地震作用下的动力响应；在塔架(6)内壁安置悬臂调谐减振装置(7)，悬臂调谐减振装置(7)通过悬挑架(19)与塔架(6)的内壁相连，该悬挑架(19)伸出两根悬臂段(20)，在两端连接调谐质量块(18)，形成一个局部的刚度与质量相结合的调谐质量阻尼器，使得装置的水平周期与发电机塔的水平向第一周期一致，达到调谐减振。

2.根据权利要求1所述的采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔，其特征在于：大型叶片(1)长度与塔架(6)高度之比为1:2～1:3；小型叶片(2)长度与塔架(6)高度之比为1:4～1:5；风轮通过风轮连接装置(4)对称连接到一起；大型风轮为主要风能转换装置，小型风轮为辅助风能转换装置；大型风轮与小型风轮的尺寸比例为1.3:1～1.6:1，使得大型风轮与小型风轮不出现互相碰撞的情况；大型叶片(1)长度与大型风轮悬臂长度比例为1.2:1～1.5:1，小型叶片(2)与小型风轮悬臂长度比例为1.2:1～1.5:1。

3.根据权利要求1所述的采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔，其特征在于：风轮连接装置(4)与风轮悬臂连接的部位每个部位都包含一个传动系统(21)、一个变速箱(22)、一个发电机(23)，传动系统(21)通过变速箱(22)与发电机(23)连接，发电机(23)产生的电能通过输出能源用电缆(8)输送给电网将电能传输出去；风轮连接装置(4)中间放置一个变压器(24)；风轮连接装置(4)的宽度与风轮悬臂宽度比例为1.1:1～1.3:1。

4.根据权利要求1所述的采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔，其特征在于：悬挑架(19)伸出两根悬臂段(20)，在两端连接调谐质量块(18)，每根悬臂段的长度为0.5m～1.5m，每个调谐质量块(18)的质量为结构总质量的0.05％‑0.5％，且悬臂段的刚度需使悬臂调谐减振装置的水平振动周期与同方向结构周期一致或接近；在塔架内同一水平面上均匀布置四个悬臂调谐减振装置(7)；且至少在三处不同塔架的高度布置悬臂调谐减振装置(7)。

说明书

采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔

技术领域

[0001] 本发明涉及一种针对风力发电机塔采用多维减振装置的多风轮多向集能式的结构，属于风力发电以及结构抗震抗风领域。

背景技术

[0002] 随着经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，对各种资源和能源的需求也在日益增多。其中电能对人类日常生活起着必不可少的作用。而目前使用效率和转换率最高
的是通过燃烧煤、天然气等非可再生资源，这些资源虽然使用较为成熟，但数量日益减少，
因此寻求其他方式获得电能是当今重要的工程问题。随着科技的进步，人们开始不断研究
和开发各种可再生资源来进行电能转换，其中风能的特点是清洁环保和可再生，且其分布
范围十分广泛，发展风力发电还可以改善环境、抑制沙漠化、降低沙尘暴带来的影响。目前
传统风能的利用方式是通过风力发电机塔将风能转化为电能。风力发电机塔一般安装在风
能资源丰富的地区，多为平均风速高、风能密度高的平原、海岸等远离市区的偏远地区。目
前主流的风力发电机为单桨片构造，但是许多地区的自然风方向多变，风力大小不定，含单
桨片的风力发电机的风能利用效率较低，不利于风能的有效采集，因此提高风能利用率是
亟需开展的一项工作。针对这个问题，本发明提出一种采用多维减振装置的多风轮多向集
能式风力发电机塔。该风力发电机塔提供多个方向的桨片，增加了风力发电机的受力面积，
可以在风向不稳定的时候，同时吸收来自各个方向的风能，并将其转化为电能，相比于单桨
片结构，能够大大提高风力使用的效率。

[0003] 此外，风力发电机塔是一种高度较高、横截面相对较小、横向荷载起主要作用的细长构筑物，属于高耸结构，其水平刚度偏小，对风荷载和地震作用敏感，易产生较大水平变
形，严重时可能出现破坏甚至倒塌，其抗振性能和安全性亟需提高。有关风力发电机塔结构
动力特性及减振控制的研究日益受到重视。目前适用于高耸结构减振控制的装置主要包
括：粘滞阻尼器、调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器和调谐弹簧阻尼器等。这些减振装置机
理明确，经过优化分析和正规制作及安装可以达到较好的减振效果。然而，高耸结构振动的
最优控制位置通常在顶部，但该位置偏柔且内部空间有限，导致质量和体积需求均较大的
传统调谐阻尼器在实际应用中受到制约。针对上述问题，有必要提出新型减振装置，以其他
方式有效降低高耸结构的动力反应。陀螺仪是一种基于角动量守恒理论设计出来的用来传
感与维持方向的装置，具有提供向心力和使结构保持原有重心的能力。本发明建议采用陀
螺仪减振装置作为减振装置。陀螺仪主要由陀螺转子、框架和附件等组成，在飓风或地震等
动力作用下，位于轴心的陀螺转子以极高速度旋转，将产生向心力、惯性、抗力，使陀螺转子
的旋转轴指向固定的方向，该性质被称为定轴性。这种特性可以有效的降低结构在风荷载
和地震作用下的动力响应。并且陀螺仪减振装置质量小，空间占有率小，适合风力发电机这
种高耸结构。

[0004] 针对风力发电机塔此类内部空间有限的高耸结构，本发明还提出分布式悬臂调谐减振装置，其不需要占用较大空间的弹簧，而仅通过悬臂段和调谐质量块垂直于需要控制
变形的方向并布置于塔内壁，形成具有适当刚度和调谐质量的调谐质量阻尼器，并由于体
积较小，可以安装多个装置实现分布式布置。

[0005] 按照上述发明思路，将螺旋仪减振装置置于风力发电机塔的顶部，将悬臂调谐减振装置置于风力发电机塔的内壁。两种减振装置相结合可以更加有效的提高风力发电机在
风荷载作用下以及地震动作用下抗震能力。

发明内容

[0006] 为提高风力发电机风能利用率的问题以及风力发电机塔的抗震性能，本发明设计了一种采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔，该风力发电机塔能够有效地
提高风能利用率，并能够显著的降低整体结构的动力响应，增强结构的抗震性能。本发明是
一种适用于风力较大地区，具有多风轮多风向旋转且具有抗振减振功能的风力发电机塔，
其功能在于可以同时收集和转化四个方向的风能，能够最大效率地利用所处环境的风力进
行发电。利用陀螺仪转子在变频电机下高速旋转的机理作为平衡阻尼器来控制该风力发电
机塔在风荷载和地震作用下的水平变形，并利用悬臂调谐减振装置显著消耗水平方向的风
荷载或地震作用的能量，从而减小风力发电机塔本身的动力响应。

[0007] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

[0008] 采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔，主要包括：大型叶片(1)、小型叶片(2)、陀螺仪减振装置(3)、风轮连接装置(4)、桨片旋转装置(5)、塔架(6)、悬臂调
谐减振装置(7)、输出能源用电缆(8)、陀螺仪减振装置电机(9)、陀螺外框架(10)、陀螺内框
架(11)、限位墙(12)、陀螺外支撑轴(13)、陀螺转子(14)、陀螺内支撑轴(15)、环形框筒
(16)、万向滚动球铰(17)、调谐质量块(18)、悬挑架(19)、悬臂段(20)、传动系统(21)、变速
箱(22)、发电机(23)、变压器(24)。塔架(6)顶部连接风轮连接装置(4)，三个大型叶片(1)通
过桨片旋转装置(5)连接到一起构成一个大型风轮，三个小型叶片(2)通过桨片旋转装置
(5)连接到一起构成一个小型风轮，各风轮分别采集水平正交方向的能量。风轮连接装置
(4) 顶部放置陀螺仪减振装置(3)，采用五个陀螺仪构成陀螺仪减振装置 (3)，在飓风或地
震等动力作用下，位于轴心的陀螺转子(14)以极高速度旋转，将产生向心力、惯性、抗力，使
陀螺转子的旋转轴指向固定的方向，可以有效的降低结构在风荷载和地震作用下的动力响
应。在塔架(6)内壁安置悬臂调谐减振装置(7)，由悬挑架(19)与塔内壁相连，该悬挑架伸出
两根悬臂段(20)，在两端连接调谐质量块 (18)，形成一个局部的刚度与质量相结合的调谐
质量阻尼器，使得装置的水平周期与发电机塔的水平向第一周期一致，达到调谐减振的目
的。

[0009] 采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔中的风轮连接装置(4)，其大型叶片(1)长度与塔架(6)高度之比为1:2～1:3。小型叶片(2)长度与塔架(6)高度之比为
1:4～1:5。风轮通过风轮连接装置(4)对称连接到一起。其中大型风轮为主要风能转换装
置，小型风轮为辅助风能转换装置。其中大型风轮(1)与小型风轮(2) 的尺寸比例为1.3:1
～1.6:1，使得大型风轮与小型风轮不出现互相碰撞的情况。大型叶片(1)长度与大型风轮
悬臂长度比例为1.2:1～1.5:1，小型叶片(2)与小型风轮悬臂长度比例为1.2:1～1.5:1。

[0010] 风轮连接装置(4)与风轮悬臂连接的部位每个部位都包含一个传动系统(21)、一个变速箱(22)、一个发电机(23)，发电机(23) 最终产生的电能通过输出能源用电缆(8)输
送给电网将电能传输出去。风轮连接装置(4)中间放置一个大型的变压器(24)。风轮连接装
置(4)的宽度与风轮悬臂宽度比例为1.1:1～1.3:1。

[0011] 采用五个陀螺仪构成陀螺仪减振装置(3)，陀螺仪减振装置(3) 放置于风轮连接装置(4)顶部，其包括可绕水平轴转动的陀螺外框架(10)、能够绕与前述水平轴相正交的水
平轴转动的陀螺内框架(11)、固定在限位墙(12)上的陀螺外支撑轴(13)、依靠电力旋转的
陀螺转子(14)、陀螺内支撑轴(15)、能够在水平面上转动的环形框筒(16)、安装在环形框筒
(16)底部的万向滚动球铰(17)、固定在结构主体上的限位墙(12)以及提供电力的电机(9)
等。

[0012] 陀螺转子的直径为0.5m～1m之间环形框筒(16)与固定在结构或环形框筒限位墙(12)的距离为0.01m～0.1m，限位墙(12)的高度为环形框筒(16)高度的0.65倍以上。确保环
形框筒在振动中不发生严重的倾覆或滑移。

[0013] 陀螺仪的运行能源是由风力发电机塔采集的风能转为的电能来提供的。当风速超过5米/秒时启动陀螺仪，陀螺仪的转速范围为2000 转/秒～3000转/秒。

[0014] 悬臂调谐减振装置(7)由悬挑架(19)与塔内壁相连，该悬挑架伸出两根悬臂段(20)，在两端连接调谐质量块(18)，每根悬臂段的长度为0.5m～1.5m，每个调谐质量块(18)
的质量为结构总质量的 0.05％‑0.5％，且悬臂段的刚度需使悬臂调谐减振装置的水平振
动周期与同方向结构周期一致或接近。在塔内同一水平面上可均匀布置至少 4个悬臂调谐
减振装置(7)。且至少在3处不同塔高布置悬臂调谐减振装置(7)。

[0015] 本发明的功能如下：

[0016] 多风轮设计可以在风向不明确的时候更加高效的收集风能，其中大型风轮与小型风轮分别对称布置，且大型风轮与小型风轮不发生碰撞现象。大型风轮为主要风能转换装
置，小型风轮为辅助风能转换装置。每一个风轮可驱动一个发电机，可以充分的将风能转化
为电能。多个风轮可以分别收集东、西、南、北多个风向的风力，大大增加风力发电机的风力
受力面积，同时大型风轮尺寸大受风面积更大，小型风轮尺寸小，因此转速能够大大提升，
能够减小风力较小带来的影响。二者互补，不受任何风向限制，多个风轮结合在一起可以更
好地将各个方向的风能收集转化为电能。

[0017] 陀螺仪减振装置采用五陀螺仪设计，位于轴心的陀螺转子以极高速度旋转，将产生向心力，使陀螺转子的旋转轴指向固定的方向，使得风力发电机塔保持平衡不失稳。阻尼
器中的陀螺装置为二自由度陀螺仪，即具有外框架(10)和内框架(11)两个框架，使陀螺转
子具有两个转动自由度。对于二自由度陀螺，当陀螺转子以高速绕其自转轴旋转时，绕陀螺
外框架轴(或内框架轴)承受因主体结构发生相对转动而产生的冲击力矩时，陀螺仪的转子
轴的方位没有明显的改变，转子轴只作微小振荡，这就陀螺的稳定现象。二自由度陀螺仪具
有产生抵抗干扰力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方位不变的特性，即陀螺仪的定轴
性或稳定性。因此，当陀螺的转速足够大时，利用陀螺的定轴性可以控制结构绕竖向轴的弯
曲变形即水平位移，从而避免结构发生破坏。

[0018] 在扭转方向，由于安有万向滚动球铰的环形框筒可以绕结构竖向轴转动，从而形成与结构扭转运动相反的转动惯性矩而耗散结构动能，也可以适当地减少结构的扭转位
移。

[0019] 同时陀螺仪减振装置质量小，空间占有率小，可以设置在风力发电机顶部，适合风力发电机塔这种高耸结构。

[0020] 除陀螺仪减振装置外，又增加悬臂调谐减振装置，该装置由悬挑架与塔内壁相连，该悬挑架伸出两根悬臂段，悬臂段有刚度，在两端连接质量块，形成一个局部的刚度与质量
相结合的调谐质量阻尼器，使得装置的水平周期与塔的第一周期一致，达到调谐减振的目
的。在塔内同一水平面上均匀布置4个，且至少在三处不同塔高布置，可以有效地对水平方
向进行减振。两种减振装置相结合，可以充分的降低风力发电机塔整体的动力响应，增强风
力发电机的抗震性能。

[0021] 与现有技术，本发明优点如下：

[0022] 1)本发明中增加风轮数量，增大风力发电机塔的受风面积，可以更大程度的增加风能利用率，使得各个方向的风都能够被风力发电机吸收转化为电能，不受风向限制。每一
个风轮都连接一台发电机，使得风能转换为电能的效率大大提高。同时多风轮的设计增加
了风力发电机塔的整体平衡性。

[0023] 2)本发明中采用陀螺仪减振装置，该装置是一项新型的减振技术，质量小，空间占用范围小，对于风力发电机塔这类高耸结构，振动一般以第一阶振型为主，最优控制位置通
常在顶部，但该位置偏柔且内空间有限，需要使用质量小且空间占有率小的减振装置，陀螺
仪减振装置是最理想的装置。通过陀螺仪在内置电机的带动下极高速旋转，产生向心力，使
得风力发电机塔能够保持平衡不失稳，减小塔架的水平位移与扭转位移，增加了风力发电
机塔的安全性。

[0024] 3)本发明中不仅采取陀螺仪减振装置，还增加悬挑减振装置，悬臂段两端的质量块与悬臂段的刚度相结合形成调谐质量阻尼器，使得装置的水平周期与塔的第一周期一
致，达到调谐减振的目的，多截面均匀布置可以更加有效的降低由于风荷载和地震作用对
塔架的水平振动影响。

附图说明

[0025] 图1为本发明采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔的三维效果图。

[0026] 图2为本发明采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔的正截面示意图。

[0027] 图3为本发明采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔的侧截面示意图。

[0028] 图4为本发明采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔的陀螺仪减振装置的正立体图。

[0029] 图5为本发明采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔的陀螺仪减振装置的正视图。

[0030] 图6为本发明采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔的陀螺仪减振装置的俯视图。

[0031] 图7为本发明采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔的悬挑减振装置的正视图。

[0032] 图8为本发明采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔的风力发电机内部剖面图。

[0033] 图中：1－大型叶片、2－小型叶片、3－陀螺仪减振装置、4－风轮连接装置、5－桨片旋转装置、6－塔架、7－悬臂调谐减振装置、8 －输出能源用电缆、9－陀螺仪减振装置电
机、10－陀螺外框架、11 －陀螺内框架、12－限位墙、13－陀螺外支撑轴、14－陀螺转子、15 
－陀螺内支撑轴、16－环形框筒、17－万向滚动球铰、18－调谐质量块、19－悬挑架、20－悬
臂段、21－传动系统、22－变速箱、23－发电机、24－变压器。

具体实施方式

[0034] 实施例1：

[0035] 下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

[0036] 如图1和图2所示，是本发明采用多维减振装置的多风轮多向集能式风力发电机塔的实施例，其主要包括：大型叶片1、小型叶片2、陀螺仪减振装置3、风轮连接装置4、桨片旋
转装置5、塔架6、悬臂调谐减振装置7、输出能源用电缆8。具体实施步骤如下：

[0037] 1)选定塔架高度100m，三个大型叶片与桨片旋转装置构成一个大型风轮，大型风轮直径77m，共设有两个。三个小型叶片与桨片旋转装置构成一个小型风轮，小型风轮直径
39m，共设有两个。

[0038] 2)塔架顶部安装四风轮连接装置，大型、小型风轮分别对称布置，其中大型风轮与小型风轮的尺寸比例为2:1，使得大型风轮与小型风轮不出现互相碰撞的情况。大型叶片长
度与小型风轮悬臂长度比例为1.5:1，大型叶片与小型风轮悬臂长度为1.5:1。

[0039] 3)风轮连接装置与四个风轮悬臂构成机舱，每一个风轮悬臂内部都设有一个传动系统、一个变速箱、一个发电机，在风轮连接装置中央设有大型变压器，同时为设在四个方
向的发电机产生的电进行变压，产生的电能通过输出能源用电缆输送给电网将电能传输出
去。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。四个风轮悬臂分别与四个风轮相连接。构成
一套完整的风力发电机。风轮处的桨片旋转装置可以实现三叶片在风力的作用下进行360
度的转动。该发明比普通风力发电机平均每天多采集37.9％的电能。

[0040] 4)在风轮连接装置上部安装陀螺仪减振装置，如图6所示陀螺仪减振装置由可绕水平轴转动的陀螺外框架、能够绕与前述水平轴相正交的水平轴转动的陀螺内框架、固定
在限位墙上的陀螺外支撑轴依靠电力旋转的陀螺转子、陀螺内支撑轴、能够在水平面上转
动的环形框筒、安装在环形框筒底部的万向滚动球铰、固定在结构主体上的限位墙以及提
供电力的电机等构成。本实例中共有5个陀螺，其中一个位于正中间，其余四个位于四角。陀
螺转子的直径为0.8m，厚度为 0.2m，正常状态下，陀螺转子的旋转轴线保持在竖直方向，且
保证在两正交水平方向都均匀对称布置。电机为整体陀螺装置供电，当风速达到5米/秒时
陀螺仪开始工作，各陀螺转子在运动时以相同的角速度匀速旋转，最大转速为3000转/秒。
所有部件均可以为钢材料或合金材料。

[0041] 5)悬臂调谐减振装置由悬挑架与塔内壁相连，该悬挑架伸出两根悬臂段，悬臂段有刚度，在两端连接质量块，形成一个局部的刚度与质量相结合的调谐质量阻尼器，在塔内
同一水平面上均匀布置四个 (至少四个)，在塔高方向四个水平面(至少三个)上均匀布置，
质量块尺寸为0.8m×0.8m×0.8m。具体安装位置如图2中悬挑减振装置所处的位置。

[0042] 6)陀螺仪减振装置与悬臂调谐减振装置相结合，减振效果显著增加，水平位移减振率达到27.2％。

[0043] 以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。