[发明专利]调谐质量阻尼器减振控制装置

说明书

技术领域

本发明属于减振控制领域，涉及一种调谐质量阻尼器减振控制装置，可用于各种需要减振的高耸结构。

背景技术

风力发电机组是将风的动能转化为电能的系统，分为定桨距失速控制型风力发电机组和变桨控制型风力发电机组。对于定桨距失速控制型风力发电机组，如果风电场的环境温度低于-20℃，风速超过额定点以后，在风力发电机组正常运行的过程中，叶片会发生无规律的、不可预测的瞬间摆振现象，即，发生叶片在旋转平面内的振动(edgewise vibration)。这种振动有时会发散，导致风力发电机组振动迅速增加，造成风力发电机组停机，影响风力发电机组的正常发电。同时，这种振动对叶片也是有害的，它会导致叶片后缘结构失效，产生裂纹，在叶片最大弦长位置产生横向裂纹，严重威胁叶片结构安全。

叶片产生振动的首要原因是叶片失速运行时的气动力导致叶片失速后气动阻尼变为负值。而通常气动阻尼与叶片翼型的静态、动态空气动力特性、叶片的布局(叶片的几何分布)、叶片的结构特性(结构阻尼)等有关。叶片产生振动的次要原因是，在低温时复合材料叶片的结构阻尼下降，最后导致总的阻尼下降。

因此，为了在不改变现有失速型叶片的结构下减轻由于外部激励所引起的振动，可以考虑在在风力发电机组的机舱内设置结构振动控制。

所谓结构振动控制，是指在需要减振的结构某个部位设置一些控制装置，当结构振动时，被动或主动地施加一组控制力或改变结构的动力特性，减小结构振动反应，以满足主体结构能承受的振动要求。根据是否需要外部能量输入，结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制、智能控制、混合控制五类。由于被动控制不需要能量输入，原理和结构都比较简单，实现起来比较容易，适用性、可靠性较好，因此在土木工程、桥梁建筑以及高耸结构中广泛应用。

调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)减振控制装置是包括弹簧、阻尼器和质量块的振动系统，通常支撑或悬挂在结构上。TMD减振控制装置对需要减振的结构进行振动控制的原理是：通过将TMD减振控制装置的振动频率调整到与需要减振的主体结构频率接近或一致，当结构在外部激励作用下产生振动时，带动TMD减振控制装置一起振动，TMD减振控制装置相对运动产生的惯性力反作用到该结构上，调谐这个惯性力，使其对结构的振动产生控制作用，从而达到减小结构振动反应的目的。

但是，现有的TMD减振控制装置存在以下缺点：1、对结构的控制仅在窄频率域内有效，对频率调谐和阻尼比的波动十分敏感；2、TMD减振控制装置通常包括阻尼器，其结构复杂，加工困难，成本较高；3、如果使用液体阻尼器，还容易发生液体渗漏。

调液质量阻尼器(Tuned Liquid Damper，TLD)减振控制装置在结构振动控制中的应用始于二十世纪80年代。它所用的质量是液体质量，它是一种结构被动控制装置。TLD减振控制装置的减振原理是：将TLD减振控制装置安装在需要减振的结构上，当结构受荷载作用产生振动时，TLD减振控制装置中的液体发生振荡；液体振荡产生的动水压力作用于刚性容器壁并传播到结构上，从而对结构运动产生影响。这个作用是惯性力和耗能作用的组合，利用其阻尼的耗能作用和惯性吸振作用，达到减小结构反应的目的。TLD减振控制装置早期被用在航天和航海技术中(参见Toshiyuki N.et al.Study on a vibration Damper System Using Hydro Dynamic Response of offshore Sloshing Summaries of Technical Papers of Annual Meeting Architecture Institute of Japan，1988，563～570)。20世纪90年代，李宏男等开始了地震作用下的TLD减振控制装置对高层建筑及高耸结构的振动控制研究，同时进行了模型实验，取得了有意义的研究成果(李宏男，贾影，“利用TLD减小高柔结构多振型地震反应的研究”[J].《地震工程与工程振动》，2000，20(2)：122～128)。第一个TLD减振控制装置用于实际建筑是于1995年在位于日本长崎机场的钢结构中，设计安装了25个TLD减振控制装置。对结构进行自由振动实验结果表明：结构的阻尼系数比安装TLD减振控制装置前增大了近5倍，达到4.7％；当在20m/s的风载作用下，结构的响应可减少35％～50％。TLD减振控制装置在日本有着广泛的应用，最著名的是日本长崎机场指挥塔和日本横滨导航塔。