Гироскопический динамический гаситель колебаний лопасти ветроэнергетической установки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ(71) Заявитель Горностай Александр Владимирович(72) Авторы Горностай Александр ВладимировичРолик Юрий Анатольевич(73) Патентообладатель Горностай Александр Владимирович(57) Гироскопический динамический гаситель колебаний лопасти ветроэнергетической установки, содержащий стержень с инерционной массой, шарнирную опору стержня, связанные с последним демпфер и упругие элементы, устанавливаемые на консоли, отличающийся тем, что инерционная масса выполнена в виде двухстепенного гироскопа,внешняя рама которого жестко соединена со стержнем, а кожух жестко закреплен на полуосях, шарнирно установленных на внешней рамке, причем полуоси соединены с внешней рамкой посредством пружин. Гироскопический динамический гаситель колебаний относится к средствам гашения колебаний вращающихся длинномерных консолей, например лопастей ветроэнергетической установки (ВЭУ), возникающих при работе ВЭУ в зонах с большими среднегодовыми скоростями ветра, а также в сейсмически опасных зонах. 96572013.10.30 Известен динамический гаситель, содержащий инерционную массу, жестко соединенную со стержнем, который посредством шарнирной опоры, демпферов и упругих элементов соединен с защищаемой конструкцией 1. Недостатком данного устройства является невозможность его использования для вращающихся консолей. Кроме того, это устройство будет эффективно гасить колебания лишь в том случае, если допустимые амплитуды смещений инерционной массы относительно конструкции будут велики, что требует больших внутренних объемов. Если же гаситель размешается в ограниченном внутреннем объеме защищаемой от колебаний конструкции (лопасти ВЭУ), то для предотвращения ударов гасителя об элементы конструкции в процессе его эксплуатации необходимо значительно увеличить парциальные декременты колебаний по сравнению с оптимальными значениями, что существенно снижает эффективность работы таких гасителей. Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является динамический гаситель колебаний, содержащий стержень с инерционной массой, шарнирную опору стержня, связанные с последним демпфер и упругие элементы, устанавливаемые на защищаемой конструкции 2 - прототип. Это устройство могло бы быть использовано для гашения колебаний вращающихся консолей, если бы не крайне низкая эффективность его работы, которая зависит при нахождении внутри консоли от допускаемых смещений массы относительно внутреннего пространства консоли. В частности, его применение для консолей типа лопастей ВЭУ и других конструкций с малыми внутренними объемами оказывается невозможным. Кроме того, если использовать это устройство в конструкциях с большим внутренним объемом, где можно будет получить большие амплитуды колебаний гасителя, то возникает другой негативный эффект при больших амплитудах колебаний гасителя начинают проявляться нелинейные эффекты в упругих элементах и демпферах, что приводит к изменению частотной настройки гасителя и уменьшению его эффективности. Задача, которую решает данная полезная модель - повышение эффективности гашения колебаний вращающихся длинномерных консолей. Поставленная задача достигается тем, что в динамическом гасителе колебаний, содержащем стержень с инерционной массой, шарнирную опору стержня, связанные с последним демпфер и упругие элементы, устанавливаемые на консоли, согласно полезной модели, инерционная масса выполнена в виде двухстепенного гироскопа, внешняя рама которого жестко соединена со стержнем, а кожух жестко закреплен на полуосях, шарнирно установленных на внешней рамке, причем полуоси соединены с внешней рамкой посредством пружин. На фигуре показана схема предлагаемого устройства. Гироскопический динамический гаситель содержит стержень 1, шарнирную опору 2,демпфер 3, упругий элемент 4, инерционную массу в виде двухстепенного гироскопа,включающего ротор 5, кожух 6, жестко закрепленный на полуосях 7 и 8. Полуоси 7 и 8 шарнирно установлены на внешней рамке 9, что позволяет ротору 5 с кожухом 6 свободно вращаться относительно рамки 9 (оси прецессии 0), причем- угол поворота гироскопа относительно рамки 9. Полуоси 7 и 8 связаны с рамкой 9 посредством пружин 10 и 11 соответственно. Гаситель установлен внутри консоли 12, которая вращается вокруг оси 0-0 с угловой скоростью . Гироскопический динамический гаситель работает следующим образом. Ротор 5 гироскопа приводится во вращение и обладает кинетическим моментом . При упругих колебаниях консоли 12 за счет инерции массы ротора 5 с кожухом 6 стержень 1 колеблется относительно оси - ( - угол поворота), при этом гироскоп совершает поступательное движение вдоль оси 0 и вращается вокруг оси 0 Х с угловой скоро стью. Такое вращение приводит к появлению гироскопического момента 1, и гироскоп начинает прецессировать с угловой скоростью, что ведет к возникновению 2 96572013.10.30 гироскопического момента 2, который при соответствующей настройке гасителя направлен против момента внешних сил, возбуждающих колебания консоли, и, следовательно, уменьшает амплитуду ее колебаний. Эффективность работы гасителя зависит в первую очередь от правильности его частотной настройки и выбора параметров демпфера. Запишем уравнения собственных колебаний гасителя с учетом центробежных сил инерции 200, где,- моменты инерции относительно соответствующих осей- коэффициент демпфирования демпфера 3,- суммарные жесткости упругих элементов- масса ротора в кожухе- расстояние от центра масс гироскопа до оси вращения- угловая скорость вращения консоли- кинетический момент ротора. Частотную настройку гасителя необходимо осуществлять так, чтобы его низшая собственная частота колебаний Н совпадала с частотой колебаний защищаемой конструкции по демпфируемому тону . Решая систему уравнений (1), находим низшую собственную частоту (демпфированием пренебрегаем) 1 2 2 224,Следовательно, НН(, , , ), т.е. является функцией парциальных собственных частот гасителя ,по обобщенным координатами(без учета вращения ротора) приведенного кинетического моментаи угловой скорости вращения консоли . Если консоль вращается с постоянной угловой скоростью, то параметры определяются таким образом, чтобы обеспечить равенство. При этом следует помнить, что изменяя соотношение /, удается перераспределить колебания по обобщенным координатами , т.е. уменьшить амплитуду маятниковых колебаний гасителя относительно консолии увеличить амплитуду прецессионных колебаний , которые не ограничены габаритными размерами консоли. Если угловая скорость вращения консоли изменяется, то параметры , ,необходимо выбирать так, чтобы зависимости по частотам были подобны, т.е. удовлетворялось соотношение(, , , ) ( ). В этом случае гаситель колебаний будет обладать максимальной эффективностью. Положительный эффект предлагаемого гасителя сводится к следующему. При заданной массе гасителя предлагаемое устройство приблизительно на 3040 эффективнее обычного инерционного гасителя, т.е. кроме эффекта динамического гашения реализуется и эффект гироскопической стабилизации. 96572013.10.30 Для достижения того же эффекта гашения колебаний консоли потребуется значительно меньшая масса предлагаемого устройства по сравнению с прототипом. Причем эффект будет тем больше, чем большим кинетическим моментомобладает гироскоп. При размещении предлагаемого устройства внутри консоли с малой строительной высотой, например, в лопасти ВЭУ, значительного снижения амплитуд колебаний удается достичь за счет перераспределения колебаний гасителя по степеням свободы (маятниковым и прецессионным). Прототип в данном случае неэффективен. Таким образом, использование двухстепенного гироскопа в качестве инерционной массы позволяет повысить эффективную инерционную массу гасителя, что обеспечивает повышение эффективности гашения колебаний защищаемой конструкции лопасти ВЭУ. Использование предлагаемого устройства позволит уменьшить динамические нагрузки, действующие на лопасть ВЭУ, и повысить ее надежность и долговечность. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.