CN107061179B - 一种带有导风板的自适应风向新型风力机 - Google Patents
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Abstract
一种带有导风板的自适应风向新型风力机，包括一种新型风力机塔筒，塔筒的迎风面与背风面均安装一块竖直导风板，导风板不仅可在迎风面破风、亦可在背风面破涡，塔筒的底部通过旋转装置与下部基础连接，塔筒、导风板和风力机上部结构均由偏航系统控制旋转装置在塔筒底部进行自适应风向旋转。本发明可在提升风力机整体结构抗风及稳定性能的同时，减小整体结构风荷载、降低塔筒的自身耗材并显著减弱上游塔筒尾流对下游风力机所处风场的不利影响，且具有构造简单、施工方便等优点。
Description
技术领域
本发明属于风电系统的建筑技术领域，具体涉及一种带有导风板的自适应风向新型风力机。
背景技术
作为新能源产业的先驱者，风力机逐渐朝着大功率化发展，同时伴随着塔筒结构呈现出超高细的特点。作为典型的风敏感结构，风力机塔筒的结构形式既要保证风力发电的工艺要求，同时必须具有足够的强度和稳定性。因此采取适当的工程构造措施，调整风力机塔筒表面风压分布，降低整体结构所受风荷载并减小耗材，同时减弱上游尾流对下游风力机所处风场的不利影响，是结构工程师努力的方向。
就目前来说，风力机塔筒外侧竖向加导风措施是主要方案之一，但塔筒外侧加导风措施也有诸多缺点。例如需要制作异型模板，增大了施工难度，增加了施工措施费用，最为严重的是，风向的随机性有时会增大带导风措施塔筒的风荷载作用，极端情况下甚至会导致塔筒失稳倒塌，对社会经济及安全造成不利的影响。
发明内容
针对现有的技术缺陷与工程实际难题，本发明提出了一种构造新颖、施工方便、显著提升结构抗风性能、减少自身耗材并减弱上游尾流对下游风力机所处风场不利影响的自适应风向的新型风力机。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种带有导风板的自适应风向新型风力机，其特征在于，包括：塔筒、机舱、风轮、旋转装置和基座；所述塔筒安装在基座上，塔筒的迎风面与背风面均安装有一块竖直导风板，所述竖直导风板固定在塔筒的径向上，两块竖直导风板相对于塔筒的中心轴对称安装；所述机舱固定安装在塔筒的顶部，机舱中设有偏航系统，所述风轮安装在机舱上；所述旋转装置安装在塔筒的底部，旋转装置受偏航系统控制，驱动塔筒在基座上进行自适应风向旋转。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述塔筒和基座之间由上至下依次设有上磁铁、底部滚轮和下磁铁，所述上磁铁和下磁铁为相对设置的一对同极环形磁铁，上磁铁与塔筒的底面固定连接，下磁铁固定安装在基座上，下磁铁中设有环形的滚轮槽，所述底部滚轮均匀分布在滚轮槽中并向上凸出于滚轮槽，上磁铁布置在底部滚轮上。
所述塔筒的底部外周由上至下依次固定安装有上卡板和下卡板，所述上卡板和下卡板的外周还设有环形的限制外壳，所述限制外壳的顶面位于竖直导风板的下方，限制外壳的底面固定在基座上，限制外壳的内侧壁设有环形的凹槽，上卡板和下卡板均位于凹槽中，上卡板和下卡板之间的塔筒外壁上均匀分布有多个侧滚轮，所述侧滚轮同时还与凹槽相接触，其中，限制外壳与竖直导风板、上卡板、下卡板均不接触。
所述旋转装置包括电机和旋转盘，所述电机安装在基座上，所述旋转盘固定安装在塔筒的底部内侧壁上，电机的旋转输出轴穿过旋转盘的中部并与旋转盘固定连接。
所述旋转盘的边缘设有齿槽，塔筒的底部内侧壁设有加劲环，所述加劲环上设有与齿槽相契合的齿牙。
所述竖直导风板采用实心钢板制成。
所述竖直导风板在塔筒外表面径向伸长1m，环向厚度为0.05m。
所述竖直导风板通过在塔筒筒壁外表面预埋螺栓进行固定。
所述基座为半径6m、高度1m的圆柱体结构。
本发明的有益效果是：可在提升风力机整体结构抗风及稳定性能的同时，减小整体结构风荷载、降低塔筒的自身耗材并显著减弱上游塔筒尾流对下游风力机所处风场的不利影响，且具有构造简单、施工方便的优点，适合推广使用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明塔筒底部的结构示意图。
图3是本发明塔筒底部的剖视图。
图4是本发明旋转盘的局部示意图。
图5是本发明电机旋转输出轴的局部示意图。
图6是光滑的和带导风板塔筒的典型高度处压力系数及阻力系数的对比示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1-3所示的自适应风向的新型风力机，采用3MW水平轴大型风力机，主要包括塔筒1、机舱2、风轮3、旋转装置4和基座5。
塔筒1安装在基座5上，为厚度线性变化的圆台形筒状结构，材料为钢材，高85m，顶部半径2m，底部半径2.5m，顶壁厚0.03m，底壁厚0.06m。塔筒1的迎风面与背风面均安装有一块竖直导风板6，导风板6通过预埋螺栓固定在塔筒1的径向上，两块导风板6相对于塔筒1的中心轴对称安装，导风板6为长方体钢板，在塔筒1外表面径向伸长可为1m，环向厚度可为0.05m。基座5为钢筋混凝土圆柱结构，高度为1m，半径为6m。
机舱2固定安装在塔筒1的顶部，尺寸为12m×4m×4m，材料为钢材，机舱2中设有偏航系统。风轮3安装在机舱2上，长度为44.5m，由复合材料构成。旋转装置4安装在塔筒1的底部，受偏航系统控制，驱动塔筒1在基座5上进行自适应风向旋转。旋转装置4的具体结构参见图3，包括电机16和旋转盘17，电机16安装在基座5上，旋转盘17固定安装在塔筒1的底部内侧壁上，电机16的旋转输出轴穿过旋转盘17的中部并与旋转盘17固定连接，如图6所示，旋转输出轴上部环向固定连接有4个齿结构，与旋转盘17紧密契合。旋转盘17为厚度0.15m、半径2.15m的实心钢板，如图4所示，旋转盘17周边均匀布置有36个齿槽，旋转盘17下面由厚度为0.6m、径向长度为0.2m的内部加劲环18支撑，加劲环18也采用钢材，加劲环18上部沿环向均匀固定连接有36个齿牙，齿牙与齿槽一一契合。
风力机采用电动的偏航系统来调整塔筒1、风轮3和导风板6的位置并使其对准风向，偏航系统包括感应风向的风向标、信号处理系统和信号传输系统等，风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到信号处理系统，经过比较后信号处理系统产生顺时针或逆时针的无线偏航指令，并通过信号传输系统无线发送给控制台，控制台根据无线偏航指令控制电机16的旋转输出轴转动，旋转输出轴带动旋转盘17转动，进而带动塔筒1旋转。当对风完成后，风向标失去电信号，电机16停止工作，偏航过程结束。
塔筒1在旋转过程中，会产生较大的摩擦力，并且由于自身的重力因素，容易产生倾斜和偏移现象，故在塔筒1底部设置有磁极滚轮装置。具体结构参见图3-4，塔筒1和基座5之间由上至下依次设有上磁铁7、底部滚轮8和下磁铁9，上磁铁7和下磁铁9为相对设置的一对同极环形磁铁，上磁铁7与塔筒1的底面固定连接，下磁铁9固定安装在基座5上，下磁铁9中设有环形的滚轮槽10，底部滚轮8均匀地分布在滚轮槽10中并向上凸出于滚轮槽10，上磁铁7布置在底部滚轮8上。其中，上磁铁7径向长度0.56m，厚度0.25m，下磁铁9内含滚轮槽10，总厚度0.46m，径向长度为0.78m，其中滚轮槽10深度0.25m，宽度0.50m，底部滚轮8为20个球体，采用刚性复合材料制成，厚度0.1m，半径0.25m，内嵌在滚轮槽10内，环向均匀布置。
此外，塔筒1的底部外周由上至下还依次固定安装有上卡板11和下卡板12，上卡板11和下卡板12的外周设有环形的限制外壳13，限制外壳13的顶面位于竖直导风板6的下方，底面固定在基座5上，限制外壳13的内侧壁设有环形的凹槽14，上卡板11和下卡板12均位于凹槽14中，上卡板11和下卡板12之间的塔筒1外壁上均匀分布有多个侧滚轮15，侧滚轮15同时还与凹槽14相接触，限制外壳13与竖直导风板6、上卡板11、下卡板12均不接触。其中，上卡板11和下卡板12采用钢材，共同起到固定塔筒1的作用，可将塔筒1固定在限制外壳13内，提高风力机整体稳定性，上卡板11和下卡板12均外伸0.37m，高度0.37m，限制外壳13采用钢材，高度为5m，上部厚度为1.5m，中间厚度为1m，下部厚度为1.4m，侧滚轮15同样采用刚性复合材料制成的空心球体，半径0.05m，内嵌在凹槽14内，环向均匀布置30个，竖向共布置6层。
塔筒1、机舱2、风轮3、导风板6、上磁铁7、上卡板11、下卡板12、旋转盘17和加劲环18为一整体固结体系，其中导风板6沿塔筒1外表面子午向固定在塔筒1的迎风面与背风面处，两块导风板6相对于塔筒1的中心轴对称安装，导风板6的下部接近限制外壳13上部但不连接，导风板6不仅可在迎风面破风，亦可在背风面破涡。在导风板6下部设置上卡板11和下卡板12，将塔筒1固定在限制外壳13内，上卡板11、下卡板12与限制外壳13形成容纳侧滚轮15的空间。塔筒1底面固定连接有上磁铁7，磁极和下磁铁9相同，同极磁铁相互排斥，减少底部基座5所承受的风力机上部竖向荷载，进而减小塔筒1旋转时的摩擦力。
基座5、下磁铁9、限制外壳13和电机16为一整体固结体系，侧滚轮15内嵌在凹槽14内，分别接触塔筒1外表面和限制外壳13，底部滚轮8内嵌在滚轮槽10内，分别接触上磁铁7和下磁铁9。塔筒1旋转时，侧滚轮15在凹槽14内滚动，底部滚轮8在滚轮槽10内滚动，可以大大减小塔筒1旋转时的摩擦力。
图6是光滑的和带导风板塔筒的典型高度处压力系数及阻力系数的对比示意图，由此可知，导风板的设置不仅可在迎风面破风，亦可在背风面破涡，有效降低了塔筒环向负压极值以及背风面负压值，进而显著减小塔筒阻力系数CD值，最终有效地减小了整体结构风荷载、降低了塔筒的自身耗材并显著减弱了上游塔筒尾流对下游风力机所处风场的不利影响。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种带有导风板的自适应风向新型风力机，其特征在于，包括：塔筒（1）、机舱（2）、风轮（3）、旋转装置（4）和基座（5）；所述塔筒（1）安装在基座（5）上，塔筒（1）的迎风面与背风面均安装有一块竖直导风板（6），所述竖直导风板（6）固定在塔筒（1）的径向上，两块竖直导风板（6）相对于塔筒（1）的中心轴对称安装；所述机舱（2）固定安装在塔筒（1）的顶部，机舱（2）中设有偏航系统，所述风轮（3）安装在机舱（2）上；所述旋转装置（4）安装在塔筒（1）的底部，旋转装置（4）受偏航系统控制，驱动塔筒（1）在基座（5）上进行自适应风向旋转；所述竖直导风板（6）通过在塔筒（1）筒壁外表面预埋螺栓进行固定；
所述塔筒（1）和基座（5）之间由上至下依次设有上磁铁（7）、底部滚轮（8）和下磁铁（9），所述上磁铁（7）和下磁铁（9）为相对设置的一对同极环形磁铁，上磁铁（7）与塔筒（1）的底面固定连接，下磁铁（9）固定安装在基座（5）上，下磁铁（9）中设有环形的滚轮槽（10），所述底部滚轮（8）均匀分布在滚轮槽（10）中并向上凸出于滚轮槽（10），上磁铁（7）布置在底部滚轮（8）上；
所述塔筒（1）的底部外周由上至下依次固定安装有上卡板（11）和下卡板（12），所述上卡板（11）和下卡板（12）的外周还设有环形的限制外壳（13），所述限制外壳（13）的顶面位于竖直导风板（6）的下方，限制外壳（13）的底面固定在基座（5）上，限制外壳（13）的内侧壁设有环形的凹槽（14），上卡板（11）和下卡板（12）均位于凹槽（14）中，上卡板（11）和下卡板（12）之间的塔筒（1）外壁上均匀分布有多个侧滚轮（15），所述侧滚轮（15）同时还与凹槽（14）相接触，其中，限制外壳（13）与竖直导风板（6）、上卡板（11）、下卡板（12）均不接触。
2.如权利要求1所述的一种带有导风板的自适应风向新型风力机，其特征在于：所述旋转装置（4）包括电机（16）和旋转盘（17），所述电机（16）安装在基座（5）上，所述旋转盘（17）固定安装在塔筒（1）的底部内侧壁上，电机（16）的旋转输出轴穿过旋转盘（17）的中部并与旋转盘（17）固定连接。
3.如权利要求2所述的一种带有导风板的自适应风向新型风力机，其特征在于：所述旋转盘（17）的边缘设有齿槽，塔筒（1）的底部内侧壁设有加劲环（18），所述加劲环（18）上设有与齿槽相契合的齿牙。
4.如权利要求1所述的一种带有导风板的自适应风向新型风力机，其特征在于：所述竖直导风板（6）采用实心钢板制成。
5.如权利要求1所述的一种带有导风板的自适应风向新型风力机，其特征在于：所述竖直导风板（6）在塔筒（1）外表面径向伸长1m，环向厚度为0.05m。
6.如权利要求1所述的一种带有导风板的自适应风向新型风力机，其特征在于：所述基座（5）为半径6m、高度1m的圆柱体结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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