CN106351802A - 基于分形学的水平轴风力机塔架 - Google Patents

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李洋
杨阳
张万福
阳君
丁勤卫
郝文星
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Abstract

本发明涉及一种基于分形学设计的风力机塔架，所述塔架上设有分形结构，所述分形结构为三阶谢尔宾斯基三角形。所述分形结构阵列分布于塔架上部。所述塔架为锥筒型塔架。本发明基于三阶谢尔宾斯基三角形的分形结构可以有效地减弱塔影效应，降低对来流对下游风力机的影响。分形结构可以减弱卡门涡街现象，降低由卡门涡街引起的共振，增强风力机稳定性。采用具有分形结构的风力机塔架，可以在一定程度上减少材料的使用，节约成本。

Description

基于分形学的水平轴风力机塔架
技术领域
本发明涉及一种风力发电机，具体涉及一种风力发电机塔架。
背景技术
日益严重的环境污染，能源匮乏与安全等问题，使得风能的开发与利用备受关注。风电资源具有储量大、来源丰富、安全可靠、清洁可再生以及温室气体零排放等特点，被广泛认为有可能取代传统化石燃料，成为未来新增电力供给的主力军。风力机作为风力发电的关键设备，对于风电发展起着极其重要的作用。风力机塔架上的载荷以及与塔架相关的塔影效应都会严重影响风力机的风能利用率。
在一定条件下的定常流绕过塔架时，其两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡街。当涡流脱落频率接近自振频率时，周期振动可以引起共振从而产生大振幅振动。国内外都发生过由于共振而发生损坏的事例，所以对此必须予以重视。
风流过塔架时会产生流场的变化，影响风矢量的方向和大小，主要对于下风向风力机，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，这样，塔架就干扰了流过叶片的气流，从而形成所谓塔影效应，导致风力机出力出现波动，降低风力机发电效率。
在现有的专利中，主要通过在塔架外部添加保护装置以改善其稳定性。如专利“一种风力机塔架保护装置”（专利号：201610052379.X），在风力机塔架外加装空心圆柱体，达到提高风力机稳定性的目的；专利“蒙皮式风力发电机塔架”（专利号：201320355592.X），采用内塔塔身骨架与外塔蒙皮结构相结合的方法，增强其稳定性。但是，随着风力机逐渐呈现大型化和大容量发展趋势，在塔架外部添加保护装置所需的成本增高，且安装工艺复杂。因此，研究新式风力机塔架结构方面，增强其稳定性，降低塔影效应，显得至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于分形学设计的风力机塔架，用于有效地减弱塔影效应，降低对来流对下游风力机的影响。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于分形学设计的风力机塔架，包括塔架，其特征在于：所述塔架上设有分形结构，所述分形结构为三阶谢尔宾斯基三角形。
所述分形结构阵列分布于塔架上部。所述塔架为锥筒型塔架。
本发明相比现有技术，具有以下的有益效果：
1. 基于三阶谢尔宾斯基三角形的分形结构可以有效地减弱塔影效应，降低对来流对下游风力机的影响。
2. 分形结构可以减弱卡门涡街现象，降低由卡门涡街引起的共振，增强风力机稳定性。
3. 采用具有分形结构的风力机塔架，可以在一定程度上减少材料的使用，节约成本。
附图说明
图1为卡门涡街现象示意图；
图2为本发明的基于分形学设计的风力机塔架结构示意图；
图3为本发明的塔架主体左视图；
图4为三阶谢尔宾斯基三角形示意图；
图5为本发明的基于分形学设计的风力机塔架工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1为卡门涡街现象示意图，当来流1吹过塔架4时，塔架4两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡流6，经过非线性作用后形成卡门涡街。而卡门涡街后涡的交替发生，会在塔架4上产生垂直于流动方向的交变侧向力，引发塔架4振动，影响塔架4的稳定性。作为风力发电装置的承重连接部位，塔架4的振动是十分有害的。
如图2所示，本发明的基于分形学的水平轴风力机塔架，包括塔架部分以及分形结构部分。塔架4上设有分形结构7，分形结构7为三阶谢尔宾斯基三角形。塔架4固定在地面5上，塔架4上端安装风力发电装置，风力发电装置包括轮毂3、叶片2。
如图3所示，分形结构7部分位于塔架4上部，采用如图4所示的三阶谢尔宾斯基三角形。但是本发明并不局限于此，塔架的分形结构形状及分形部分与主体之间的比例关系应根据风力机组所处地域的风况进行合理的配置。
如图5所示，当来流1吹过塔架4时，由于塔架4上分形孔的存在，气流会直接的通过塔架，减少双列线涡的产生，从而抑制卡门涡街的形成，增强了风力发电装置的稳定性和安全性；具有分形结构的塔架会减少其自身对气流的干扰，提高下风向风力机组发电效率。

Claims (3)

1.一种基于分形学设计的风力机塔架，包括塔架（4），其特征在于：所述塔架（4）上设有分形结构（7），所述分形结构（7）为三阶谢尔宾斯基三角形。
2.根据权利要求1所述的基于分形学设计的风力机塔架，其特征在于：所述分形结构（7）阵列分布于塔架（4）上部。
3.根据权利要求1或2所述的基于分形学设计的风力机塔架，其特征在于：所述塔架（4）为锥筒型塔架。
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