CN107091206B - 一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机 - Google Patents

Abstract

一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机，包括一种新型风力机塔筒，塔筒的截面形状为根据傅里叶级数拟合得到的减风降载流线型，此类流线型塔筒具有导流减涡降风载的作用，塔筒的底部通过辅助旋转装置与下部基础相连，同时又通过齿牙连接带与外部旋转装置连接，塔筒和风力机上部结构均由偏航系统控制外部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涡旋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

一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机

技术领域

本发明属于风电系统的建筑技术领域，具体涉及一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机。

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结构构造措施，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，同时减弱上游涡旋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，改变风力机塔筒形状是主要方案之一，但改变塔筒形状也有诸多缺点。例如需要制作异型模板，增大了施工难度，最为严重的是，由于塔筒是固定不动的，风向的随机性有时会增大新型塔筒结构的风荷载作用，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

本发明针对现有技术中的不足，提供一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机，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，塔筒包括上部和下部，所述上部具有流线型横截面，所述下部为壁厚均匀的圆柱体结构；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底部的外侧，旋转装置受偏航系统控制，通过齿带结构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：

所述上部的横截面形状为根据傅里叶级数拟合得到的流线型。

以上部的横截面质心为坐标原点，顺风向为X轴正方向，横风向为Y轴正方向，则横截面形状边缘点纵坐标y满足：

其中，x为横截面形状边缘点的横坐标，a₀、a₁......a_n是傅里叶系数，n为≥2的正偶数，ω是三角形式傅里叶级数的形状角频率。

所述旋转装置包括电机和齿牙连接带，所述电机安装在下部的外侧，所述齿牙连接带连接下部和电机，下部的顶部外周处均匀固定有多个齿牙，齿牙连接带一端与齿牙相契合，另一端与电机输出轴相契合。

所述下部和基座由上至下依次安装有上滚轮槽、底部滚轮和下滚轮槽，所述上滚轮槽和下滚轮槽为相对设置的环形凹槽，上滚轮槽与下部的底面固定连接，下滚轮槽与基座的顶面固定连接，所述底部滚轮同时位于上滚轮槽和下滚轮槽中。

所述下部的外周由上至下均匀地固定有多个环形卡板，所述卡板的外周设有环形的限制外壳，所述限制外壳固定在基座上，限制外壳与卡板和下部均不接触，限制外壳的内侧壁由上至下均匀地固定有多个环形卡槽，所述卡槽与下部不接触，每个卡槽都对应于相邻的两个卡板之间，卡槽中均匀分布有多个侧滚轮，卡槽和限制外壳的内侧壁共同构成侧滚轮的滚动轨道，所述侧滚轮与卡板相接触。

所述基座为半径6m、高度1m的圆柱体结构。

所述上部高78m，下部高5m。

本发明的有益效果是：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涡旋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是本发明根据傅里叶级数拟合得到的流线型塔筒底部截面形状示意图。

图3是本发明塔筒下部的结构示意图。

图4是本发明塔筒下部的剖视图。

图5是本发明齿牙连接带、齿牙、卡板和卡槽的局部示意图。

图6是本发明齿牙连接带与电机旋转输出轴的局部示意图。

图7是风力机圆形塔筒典型高度处横截面速度流线图。

图8是风力机流线型塔筒典型高度处横截面速度流线图。

图9是圆形和流线型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

下面结合附图详细说明本发明。

如图1到图4所示的新型风力机，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，包括上部6的流线型塔筒和下部7的圆柱形塔筒，流线型塔筒横截面形状为根据傅里叶级数拟合得到的减风降载流线型，材料为钢材，高78m，底部外壁长度方向为9.0m，宽度方向为5.0m，顶部外壁长度方向为7.3m，宽度方向为4.0m，顶壁厚0.03m，底壁厚0.05m。下面给出了根据傅里叶级数拟合得到的流线型塔筒横截面形状公式：

式中，x是截面形状边缘点的横坐标，y是截面形状边缘点的纵坐标，a₀、a₁......a_n是傅里叶系数，n为≥2的正偶数，ω是三角形式傅里叶级数的形状角频率。

该形状公式是以截面形状的质心为坐标原点，沿顺风向为X轴正方向，横风向为Y轴正方向，且由于塔筒沿顺风向是完全对称的，因此形状公式只给出了沿顺风向塔筒截面的一侧。在实际操作中，可以将n取值为10，就能够得到流线性较好的图形，即如表1所示，得到傅里叶系数和形状角频率。

表1流线型塔筒横截面形状公式的相关系数取值

圆柱形塔筒为厚度均匀的的圆筒状结构，材料为钢材，高5m，外壁半径为2.5m，壁厚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包括电机8和齿牙连接带9，其中电机8安装在下部7的外侧，受偏航系统控制，通过齿牙连接带9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4，电机8中心距离基座5中心为12m，电机8的旋转输出轴上环向固定连接有12个齿结构，且通过齿结构与齿牙连接带9一一契合，如图6所示。齿牙连接带9是带有120个齿牙的带状结构，如图5所示，齿牙连接带9另一侧与下部7圆周处安装的齿牙10一一契合，下部7圆周边缘均匀固定安装72个齿牙10。

风力机采用电动的偏航系统来调整塔筒1、风轮3和轮毂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8的旋转输出轴转动，旋转输出轴带动齿牙连接带9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8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底部和侧部均设置有滚轮装置。具体结构参见图3-5，下部7和基座5之间由上至下依次设有上滚轮槽11、底部滚轮12和下滚轮槽13，上滚轮槽11与下部7的底面固定连接，下滚轮槽13固定安装在基座5上，上滚轮槽11和下滚轮槽13相对设置有环形的凹槽，底部滚轮12均匀分布在环形凹槽内，且同时与上滚轮槽11和下滚轮槽13接触。其中，上滚轮槽11和下滚轮槽13尺寸相同，安装方向相反，尺寸为总厚度0.46m，径向长度为0.78m，其中凹槽深度0.25m，宽度0.50m，底部滚轮12为20个球体，采用刚性复合材料制成，厚度0.15m，半径0.25m，内嵌在上滚轮槽11和下滚轮槽13相对设置的环形凹槽内，环向均匀布置。

此外，下部7的外周由上至下依次固定安装有多个环形卡板14(图中为四个)，卡板14的外周还设有环形的限制外壳15，限制外壳15的顶面位于齿牙10的下方，底面固定在基座5上，内侧壁固定连接有多个环形卡槽16(图中为四个)，卡板14和卡槽16均位于限制外壳15和下部7外侧壁之间，卡槽16和限制外壳15的内侧壁共同构成侧滚轮的滚动轨道，每个滚动轨道内均匀分布有多个侧滚轮17，侧滚轮17同时与卡板14、卡槽16和限制外壳15相接触，其中，限制外壳15和卡板14、下部7均不接触。图中，卡板14和卡槽16均沿圆形塔筒外侧竖向均匀布置4层，卡板14、卡槽16和限制外壳15均采用钢材，共同起到固定塔筒1的作用，将塔筒1固定在限制外壳15内，提高风力机整体稳定性。4层卡板14均外伸0.45m，高度0.20m，4层卡槽16均外伸0.42m，高度为0.35m，其中凹槽宽度0.28m，高度0.20m，限制外壳15高度为5m，顶部厚度为1.5m，中间厚度为1m，底部厚度为1.4m，侧滚轮17同样采用刚性复合材料制成的空心球体，半径0.14m，内嵌在对应高度的卡槽16和限制外壳15形成的滚动轨道内，环向均匀布置60个。

塔筒1、机舱2、风轮3、上滚轮槽11和卡板14为一整体固结体系，其中塔筒1的上部6截面的形状为根据傅里叶级数拟合得到的减风降载流线型，此类流线型塔筒具有导流减涡降风载的作用，塔筒1的下部7截面是圆形，方便旋转且用以连接旋转装置4。基座5、下滚轮槽13和限制外壳15为一整体固结体系，侧滚轮17内嵌在对应高度的卡槽16和限制外壳15形成的滚动轨道内，分别接触卡板14、卡槽16和限制外壳15，底部滚轮12内嵌在上滚轮槽11和下滚轮槽13相对设置的环形凹槽内，分别接触上滚轮槽11和下滚轮槽13。塔筒1旋转时，侧滚轮17在塔筒1侧面滚动轨道内滚动，底部滚轮12在上、下滚轮槽内滚动，可以大大减小塔筒1旋转时的摩擦力。

图7和图8是风力机圆形塔筒和流线型塔筒典型高度处横截面速度流线图，图9是圆形和流线型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，流线型塔筒显著减少了塔筒尾部涡旋，起到了导流减涡的作用，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C_D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涡旋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)

1.一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机，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)安装在基座上，塔筒(1)包括上部(6)和下部(7)，所述上部(6)具有流线型横截面，所述下部(7)为壁厚均匀的圆柱体结构；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)底部的外侧，旋转装置(4)受偏航系统控制，通过齿带结构驱动塔筒(1)在基座(5)上进行自适应风向旋转，风力机采用偏航系统来调整塔筒(1)和风轮(3)的位置并使其对准风向；

所述上部(6)的横截面形状为根据傅里叶级数拟合得到的流线型，以上部(6)的横截面质心为坐标原点，顺风向为X轴正方向，横风向为Y轴正方向，则横截面形状边缘点纵坐标y满足：

其中，x为横截面形状边缘点的横坐标，a₀、a₁……a_n是傅里叶系数，n为≥2的正偶数，ω是三角形式傅里叶级数的形状角频率。

2.如权利要求1所述的一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机，其特征在于：所述旋转装置(4)包括电机(8)和齿牙连接带(9)，所述电机(8)安装在下部(7)的外侧，所述齿牙连接带(9)连接下部(7)和电机(8)，下部(7)的顶部外周处均匀固定有多个齿牙(10)，齿牙连接带(9)一端与齿牙(10)相契合，另一端与电机(8)输出轴相契合。

3.如权利要求1所述的一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机，其特征在于：所述下部(7)和基座(5)由上至下依次安装有上滚轮槽(11)、底部滚轮(12)和下滚轮槽(13)，所述上滚轮槽(11)和下滚轮槽(13)为相对设置的环形凹槽，上滚轮槽(11)与下部(7)的底面固定连接，下滚轮槽(13)与基座(5)的顶面固定连接，所述底部滚轮(12)同时位于上滚轮槽(11)和下滚轮槽(13)中。

4.如权利要求3所述的一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机，其特征在于：所述下部(7)的外周由上至下均匀地固定有多个环形卡板(14)，所述卡板(14)的外周设有环形的限制外壳(15)，所述限制外壳(15)固定在基座(5)上，限制外壳(15)与卡板(14)和下部(7)均不接触，限制外壳(15)的内侧壁由上至下均匀地固定有多个环形卡槽(16)，所述卡槽(16)与下部(7)不接触，每个卡槽(16)都对应于相邻的两个卡板(14)之间，卡槽(16)中均匀分布有多个侧滚轮(17)，卡槽(16)和限制外壳(15)的内侧壁共同构成侧滚轮(17)的滚动轨道，所述侧滚轮(17)与卡板(14)相接触。

5.如权利要求1所述的一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机，其特征在于：所述基座(5)为半径6m、高度1m的圆柱体结构。

6.如权利要求1所述的一种具有自适应风向流线型塔筒的新型风力机，其特征在于：所述上部(6)高78m，下部(7)高5m。