本发明公开了一种双惯容并联式四阶减振结构，包括两级二阶减振结构，所述两级二阶减振结构分为第一级二阶减振结构和第二级二阶减振结构；第一级二阶减振结构与第二级二阶减振结构均包括弹簧、惯容、阻尼，且均为“弹簧‑阻尼‑惯容”的串联或串并联集成形式；所述第一级二阶减振结构的上下端点分别与第二级二阶减振结构的上下端点连接，形成双惯容并联式四阶减振结构。本发明能够有效提升了风机系统的阻尼比与减振效果。
1.一种双惯容并联式四阶减振结构，其特征在于，包括两级二阶减振结构，所述两级二阶减振结构分为第一级二阶减振结构和第二级二阶减振结构；第一级二阶减振结构与第二级二阶减振结构均包括弹簧、惯容、阻尼，且均为“弹簧‑阻尼‑惯容”的串联或串并联集成形式；所述第一级二阶减振结构的上下端点分别与第二级二阶减振结构的上下端点连接，形成双惯容并联式四阶减振结构；
所述第一级二阶减振结构的弹簧、惯容、阻尼以串联形式连接；
所述第二级二阶减振结构的惯容与阻尼并联连接后与弹簧串联相连；
用于海上风机减振，所述双惯容并联式四阶减振结构平行连接风机的减振装置，风机的减振装置由弹簧ka、阻尼ca、质量块ma组成；所述弹簧ka、阻尼ca平行连接在风机机舱内壁和质量块ma之间；双惯容并联式四阶减振结构的上端点与风机机舱内壁连接，下端点与风机机舱内置减振装置的质量块ma相连。
2.根据权利要求1所述的双惯容并联式四阶减振结构，其特征在于，所述第一级二阶减振结构的弹簧、惯容、阻尼以串联形式相连；
所述第二级二阶减振结构的弹簧与阻尼并联连接后与惯容串联相连。
3.根据权利要求1所述的双惯容并联式四阶减振结构，其特征在于，所述第一级二阶减振结构的弹簧、惯容、阻尼以串联形式连接；
所述第二级二阶减振结构的弹簧、惯容、阻尼以串联形式连接。
4.根据权利要求1所述的双惯容并联式四阶减振结构，其特征在于，所述第一级二阶减振结构的弹簧与阻尼并联连接后与惯容串联相连；
所述第二级二阶减振结构的弹簧与阻尼并联连接后与惯容串联相连。
5.根据权利要求1所述的双惯容并联式四阶减振结构，其特征在于，所述第一级二阶减振结构的惯容与阻尼并联连接后与弹簧串联相连；
所述第二级二阶减振结构的惯容与阻尼并联连接后与弹簧串联相连。
6.根据权利要求1所述的双惯容并联式四阶减振结构，其特征在于，所述第一级二阶减振结构的弹簧与阻尼并联连接后与惯容串联相连；
所述第二级二阶减振结构的惯容与阻尼并联连接后与弹簧串联相连。
7.根据权利要求1‑6任一项所述的双惯容并联式四阶减振结构，其特征在于，所述惯容为机械式惯容器、齿轮齿条式惯容器、滚珠丝杠式惯容器、液压马达式惯容器或机电式惯容器。
8.根据权利要求1‑6任一项所述的双惯容并联式四阶减振结构，其特征在于，所述减振结构中的弹簧为扭杆弹簧、螺旋弹簧或油气弹簧；所述减振结构中的阻尼为液压阻尼器或摩擦式阻尼器。
一种双惯容并联式四阶减振结构
技术领域
[0001] 本发明属于海上风机减振技术领域，特别是一种双惯容并联式四阶减振结构。
背景技术
[0002] 随着海上风力发电机单机功率逐渐增加，机舱、叶轮、漂浮平台质量以及塔筒高度不断增加。由于采用柔性材料的塔筒在高度较高情况下可极大减轻塔筒重量，降低塔筒生
产成本，提升风机的经济适用性，所以柔性塔筒被广泛应用于大型海上风力发电机。然而，
柔性塔筒本身的材料特性决定了海上风机在外部风浪载荷条件下，塔筒振幅和平台俯仰角
增大，影响风力发电机组的可靠性，威胁风力发电机组的整体寿命。因此，海上风机的减振
结构设计成为风电技术领域的一个重要研究内容。
[0003] 目前，用于海上风机减振的装置主要是调谐质量阻尼器(Tuned mass damper,简称TMD)，其减振原理是将质量块自身振动频率调整至风机结构振动的主要频率处，通过TMD
与风机结构间的相互作用实现能量从风机结构到质量块、阻尼器的转移，从而达到减振目
的。而惯容器概念的提出使机械系统与电路系统的相似理论更加完备，从而为减振结构突
破传统“弹簧‑阻尼”减振系统构型奠定基础，为减振机械结构的发展提供了新的思路。惯容
是具有两个可自由相对运动的端点，作用于两端点的力与两端点相对加速度成正比的机械
元件。基于惯容元件提出的“惯容‑弹簧‑阻尼”减振新结构网络，打破了经典“弹簧‑阻尼”结
构网络对减振性能进一步提升的制约瓶颈，使得用于风力发电机减振的机械结构不再仅仅
局限于TMD装置或其相近形式。
[0004] 传统的TMD装置局限于弹簧、阻尼与质量块此类简单的组合形式，对于风机减振效果有较大限制，且其自身体积、质量块质量过大，从而过多占用机舱内部空间，对风机结构
存在一定负担。而含有惯容器的减振装置与传统TMD装置相比具有更优的减振效果，且能有
效减小减振装置线性行程，从而减小装置体积。且惯容元件自身的质量增效可使减振装置
中质量块质量减小。目前，含有惯容的减振装置已成功应用于车辆悬架系统中，取得了优良
的减振效果。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种双惯容并联式四阶减振结构，以提升了风机系统的阻尼比与减振效果。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0007] 一种双惯容并联式四阶减振结构，包括两级二阶减振结构，所述两级二阶减振结构分为第一级二阶减振结构和第二级二阶减振结构；第一级二阶减振结构与第二级二阶减
振结构均包括弹簧、惯容、阻尼，且均为“弹簧‑阻尼‑惯容”的串联或串并联集成形式；所述
第一级二阶减振结构的上下端点分别与第二级二阶减振结构的上下端点连接，形成双惯容
并联式四阶减振结构。
[0008] 本发明与现有技术相比，其显著优点是：
[0009] (1)本发明一种双惯容并联式四阶减振结构，依据弹簧与惯容的减振、隔振特点，叠加并联两个减振、隔振系统以抑制外部风浪载荷导致的海上风机自身结构振动，并将阻
尼器加入其中，用以耗散减振结构中存储的能量。
[0010] (2)通过优化双惯容并联式四阶减振结构中弹簧刚度、阻尼系数和惯容量，海上风力发电机减振评价指标中的：塔顶位移与平台俯仰性能，在外部风浪载荷下的时域响应均
有所改善。
附图说明
[0011] 图1为实施例1双惯容并联式四阶减振结构示意图。
[0012] 图2为实施例2双惯容并联式四阶减振结构示意图。
[0013] 图3为实施例3双惯容并联式四阶减振结构示意图。
[0014] 图4为实施例4双惯容并联式四阶减振结构示意图。
[0015] 图5为实施例5双惯容并联式四阶减振结构示意图。
[0016] 图6为实施例6双惯容并联式四阶减振结构示意图。
[0017] 图7为本发明双惯容并联四阶减振结构在风机机舱中安置示意图。
[0018] 图8为实施例7加入本发明减振结构前后的风机平台俯仰时域响应对比图。
[0019] 图9为实施例7加入本发明减振结构前后的风机塔顶位移时域响应对比图。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
[0021] 本发明的一种双惯容并联式四阶减振结构，包括两级二阶减振结构，所述两级二阶减振结构分为第一级二阶减振结构1和第二级二阶减振结构2；第一级二阶减振结构1与
第二级二阶减振结构2均为“弹簧‑阻尼‑惯容”的串联或串并联集成形式；所述第一级二阶
减振结构1的上下端点分别与第二级二阶减振结构2的上下端点连接，形成双惯容并联式四
阶减振结构。
[0022] 实施例1
[0023] 所述第一级二阶减振结构1包括：第一级弹簧k1,第一级惯容b1,第一级阻尼c1；且第一级二阶减振结构1的弹簧k1、惯容b1、阻尼c1以串联形式相连；
[0024] 所述第二级二阶减振结构2包括：第二级弹簧k2,第二级惯容b2,第二级阻尼c2；且所述第二级二阶减振结构2的弹簧k2与阻尼c2并联连接后与惯容b2串联相连。
[0025] 实施例2
[0026] 所述第一级二阶减振结构1包括：第一级弹簧k1,第一级惯容b1,第一级阻尼c1；且第一级二阶减振结构1的弹簧k1、惯容b1、阻尼c1以串联形式连接；
[0027] 所述第二级二阶减振结构2包括：第二级弹簧k2,第二级惯容b2,第二级阻尼c2；且所述第二级二阶减振结构2的弹簧k2、惯容b2、阻尼c2以串联形式连接。
[0028] 实施例3
[0029] 所述第一级二阶减振结构1包括：第一级弹簧k1,第一级惯容b1,第一级阻尼c1；且第一级二阶减振结构1的弹簧k1与阻尼c1并联连接后与惯容b1串联相连；
[0030] 所述第二级二阶减振结构2包括：第二级弹簧k2,第二级惯容b2,第二级阻尼c2；且第二级二阶减振结构2的弹簧k2与阻尼c2并联连接后与惯容b2串联相连。
[0031] 实施例4
[0032] 所述第一级二阶减振结构1包括：第一级弹簧k1,第一级惯容b1,第一级阻尼c1；且第一级二阶减振结构1的惯容b1与阻尼c1并联连接后与弹簧k1串联相连；
[0033] 所述第二级二阶减振结构2包括：第二级弹簧k2,第二级惯容b2,第二级阻尼c2；且第二级二阶减振结构2的惯容b2与阻尼c2并联连接后与弹簧k2串联相连。
[0034] 实施例5
[0035] 所述第一级二阶减振结构1包括：第一级弹簧k1,第一级惯容b1,第一级阻尼c1；且第一级二阶减振结构1的弹簧k1与阻尼c1并联连接后与惯容b1串联相连；
[0036] 所述第二级二阶减振结构2包括：第二级弹簧k2,第二级惯容b2,第二级阻尼c2；且第二级二阶减振结构2的惯容b2与阻尼c2并联连接后与弹簧k2串联相连。
[0037] 实施例6
[0038] 所述第一级二阶减振结构1包括：第一级弹簧k1,第一级惯容b1,第一级阻尼c1；且第一级二阶减振结构1的弹簧k1、惯容b1、阻尼c1以串联形式连接；
[0039] 所述第二级二阶减振结构2包括：第二级弹簧k2,第二级惯容b2,第二级阻尼c2；且第二级二阶减振结构2的惯容b2与阻尼c2并联连接后与弹簧k2串联相连。
[0040] 实施例7
[0041] 图7为海上风机机舱减振装置以及双惯容并联式四阶减振结构安置图。其中，双惯容并联式四阶减振结构平行连接风机的减振装置，风机的减振装置由弹簧ka、阻尼ca、质量
块ma组成；所述弹簧ka、阻尼ca平行连接在风机机舱内壁和质量块ma之间；质量块ma构成，
其中ka＝5000N/m、ca＝9000Ns/m、ma＝20000kg。本发明的实施例1形式的双惯容并联式四
阶减振结构上端点与海上风机机舱内壁相连，下端点与海上风机内置减振装置的质量块ma
相连。
[0042] 通过对弹簧k1和k2、阻尼c1和c2、惯容b1和b2参数的优化，取k1＝12.2KN/m、k2＝46.6KN/m、c1＝411.4Nm/s、c2＝259.8Nm/s、b1＝189.2kg、b2＝5297.7kg。利用风机高仿真
软件FAST与Matlab进行联合仿真，在风速均值为10m/s、波浪波高为2.3m的外部风浪干扰
下，加入本发明减振结构前后的海上风机平台俯仰与塔顶位移时域响应对比图，如图8、图9
所示。从图中可以看出，本发明的双惯容并联式四阶减振结构使得风机平台俯仰、塔顶位移
时域响应波峰处数值减小。说明本发明可有效提升海上风机在外部风浪载荷下的结构振动
性能。
[0043] 上述实施例1‑7中的所述第一级惯容b1与第二级惯容b2可以为机械式惯容器、齿轮齿条式惯容器、滚珠丝杠式惯容器、液压马达式惯容器或机电式惯容器；所述第一级弹簧
k1和第二级弹簧k2可以为扭杆弹簧、螺旋弹簧或油气弹簧；所述第一级阻尼c1和第二级阻
尼c2可以为液压式阻尼器或摩擦式阻尼器。
