ВИБРОГАСИТЕЛЬ МАЧТЫ ВЕТРЯНОЙ УСТАНОВКИ
VIBRATION DAMPER OF MAST WINTER PLANT

Настоящее изобретение относится к ветряным (ветроэнергетическим, ветросиловым) установкам, конкретно к конструкции мачты.
Целью изобретения является гашение вибраций, возникающих при вращении ротора ветряной установки и передающихся с ротора на мачту, гашение стоячих волн, приходящих от ротора и распространяющихся вдоль мачты, а также самоцентрирование мачты.
При работе ветряной установки, особенно с вертикальной осью вращения, на определенных частотах вращения, в ступице ротора возникают вибрационные колебания благодаря неидеальной балансировке ротора, неизбежно имеющей погрешности при любом из известных способов балансировки и регулировки наклона ротора, а также в связи с внешними воздействиями (наледь, попадание воды в лопасть, перекосы и т.д.). Вибрационные колебания передаются на мачту, на которой размещена установка. При жестком (консольном) креплении к фундаменту нижний конец мачты не может гасить колебания, в связи с чем:
1. Вибрационные колебания передаются конструкции фундамента. При расположении фундамента мачты на инженерном сооружении (здание, мостовые конструкции и т.д.) вибрационные колебания передаются конструкции сооружения, что негативно сказывается на прочности конструкций и может привести к их разрушению.
2. Может возникнуть стоячая волна (волны), приводящая к возникновению вертикальных возвратно-поступательных и радиальных вибрационных колебаний и, в конце концов, к последующему разрушению установки.
Известен ряд изобретений, служащих для гашения вибраций различных конструкций. Российские патенты №2272175, №2268423, №2246647, №2229638, №2000126760, №2224931, №2222731, иностранные патенты USD 571643S, US 4668109.
Российское изобретение №2224931 наиболее близко к предлагаемому по целям и способам их достижения и может являться прототипом для заявляемого изобретения. Прототип представляет собой фрикционный гаситель колебаний, шарнирно закрепленный на подрессоренной раме тележки железнодорожного подвижного состава. В корпусе размещены сжатые упругими элементами через клинья фрикционные элементы, шарнирно соединенные с неподрессоренной частью тележки. Верхний упругий элемент оперт на подрессоренную раму тележки, а нижний упругий элемент оперт на неподрессоренную часть тележки.
Недостатком прототипа является невозможность применения данного изобретения в мачтах ветряных установок, отсутствие гашения радиальных вибрационных колебаний и стоячих волн. Данная конструкция не дает возможность самоцентрирования мачты, что является важным аспектом при работе ветряной установки. Кроме того, в таком применении недостатком данного прототипа является его дороговизна в связи с большим весом используемого материала.
Цель настоящего изобретения достигается тем, что нижний конец мачты ветряной установки содержит неподвижный закладной элемент, жестко вмонтированный в мачту и подпертый пружиной для гашения осевых (вертикальных возвратно-поступательных) вибрационных колебаний, которая опирается на находящийся внутри мачты подвижный закладной элемент, расположенный на шаре, установленном на чаше с вогнутой сферической поверхностью, имеющей ограничительное кольцо, препятствующее выходу шара за пределы чаши. При возникновении в мачте вибрационных колебаний и/или стоячей волны за счет смещения шара и его передвижения по вогнутой сферической поверхности виброгаситель мачты ветряной (ветроэнергетической, ветросиловой) установки выполняет три функции - самоцентрирование мачты, гашение осевых (вертикальных возвратно-поступательных) колебаний и гашение стоячих волн.
В другом варианте виброгаситель, служащий для гашения аксиальных (вертикальных возвратно-поступательных) вибрационных колебаний, вместо пружины содержит цилиндрический элемент, выполненный из эластичного полимерного материала, например резины, и представляющий собой цилиндрическое тело, расположенное концентрично внутри мачты, при этом верхнее основание цилиндра упирается в жестко зафиксированный в мачте упор, а нижнее основание цилиндра опирается на подвижный вдоль оси мачты закладной элемент, в свою очередь расположенный на шаре, установленном на чаше с вогнутой сферической поверхностью, имеющей ограничительное кольцо, препятствующее выходу шара за пределы чаши.
В дополнение к обоим описанным вариантам устройство может содержать элемент, ограничивающий предельно допустимые радиальные (горизонтальные) вибрационные колебания основания мачты и представляющий собой цилиндрический кожух с демпфирующей прокладкой из полимерного материала, расположенной между кожухом и чашей виброгасителя. В результате действия вибрационных колебаний нижнее основание мачты смещается по горизонтали до кожуха, который демпфирует возникающую нагрузку за счет своей деформации и сопротивления демпфирующей полимерной прокладки.
При этом в мачтах, изготовленных в виде трубы круглого или иного сечения, используется один виброгаситель, для мачт-ферм может быть применено по одному виброгасителю для каждой опоры фермы.
Предлагаемый виброгаситель отличается тем, что он используется в другой области техники, служит для гашения всех возможных вибрационных колебаний мачты ветряной установки, а также стоячих волн. Данный виброгаситель может также использоваться для гашения вибрационных колебаний, возникающих в инженерных сооружениях (зданиях, мостовых конструкциях, крановых и подъемных механизмах и т.д.).
Ниже подробно описана конструкция.
На фиг.1 представлен эскиз виброгасителя. Мачта-труба 7 через упор 1, жестко вмонтированный в ней, передает усилие на пружину 2-1, которая опирается на подвижный вдоль оси мачты закладной элемент 3, расположенный на шаре 4. Нижняя сферическая поверхность подвижного закладного элемента 3 имеет радиус закругления больший, чем у шара 4. При возникновении осевых (вертикальных возвратно-поступательных) вибрационных колебаний мачты 8 пружина 2-1 сглаживает колебания 8, тем самым уменьшая вибрационную нагрузку 9 на чашу 6, направленную вертикально. Вогнутая сферическая верхняя поверхность чаши 6 способствует удержанию шара 4 в центральном положении. При возникновении радиальных (горизонтальных) колебаний шар 4 смещается под их действием, однако всегда стремится возвратиться на место благодаря силе тяжести, действующей на ротор, ступицу и мачту. Таким образом происходит не только гашение радиальных колебаний, но и самоцентрирование шара и в конечном итоге мачты. Ограничительное кольцо 5 не дает шару выйти за края чаши при любой амплитуде радиальных колебаний. Данная конструкция препятствует возникновению стоячих волн, которые могут возникнуть в консольно закрепленной мачте.
На фиг.2 представлен эскиз второго варианта виброгасителя. Мачта-труба 7 через упор 1, жестко вмонтированный в ней, передает усилие на демпфирующий элемент из полимерного материала, например резины 2-2, который опирается на подвижный вдоль оси мачты закладной элемент 3, расположенный на шаре 4. Нижняя сферическая поверхность подвижного закладного элемента 3 имеет радиус закругления больший, чем у шара 4. При возникновении осевых (вертикальных возвратно- поступательных) вибрационных колебаний мачты 8 демпфирующий элемент 2-2 сглаживает колебания 8, тем самым уменьшая вибрационную нагрузку 9 на чашу 6, направленную вертикально. Вогнутая сферическая верхняя поверхность чаши 6 способствует удержанию шара 4 в центральном положении. При возникновении радиальных (горизонтальных) колебаний шар 4 смещается под их действием, однако всегда стремится возвратиться на место благодаря силе тяжести, действующей на ротор, ступицу и мачту. Таким образом происходит не только гашение радиальных колебаний, но и самоцентрирование шара и в конечном итоге мачты. Ограничительное кольцо 5 не дает шару выйти за края чаши при любой амплитуде радиальных колебаний. Данная конструкция препятствует возникновению стоячих волн, которые могут возникнуть в консольно закрепленной мачте.
На фиг.3 и 4 представлены варианты виброгасителей с дополнительным ограничительным элементом 11, ограничивающим предельно допустимые колебания основания мачты. В целом, конструкция работает аналогично представленной на фиг.1 и 2, однако при возникновении радиальных (горизонтальных) вибрационных колебаний, превышающих расчетные пределы допустимых параметров, ограничитель 11 в совокупности с демпфирующей прокладкой 10, выполненной из эластичного полимерного материала, например резины, ограничивает амплитуду колебаний и частично гасит вибрацию за счет своих естественных демпфирующих свойств. При этом отпадает надобность в ограничительном кольце 5. Предельно допустимая амплитуда колебаний исчисляется отдельно для каждого конкретного вида (типа, массы и других параметров) ветряных установок и мачт. Кроме того, дополнительный ограничительный элемент является кожухом для всего виброгасителя и предотвращает попадание пыли, осадков и других инородных тел в виброгаситель.