CN108268737A - 仿棕榈树结构风力机塔架及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿棕榈树结构风力机塔架及方法，该风力机塔架由风力机塔架外形仿生结构和风力机塔架内部仿生结构组成，风力机塔架外形仿生结构为仿棕榈树形状，棕榈树干底部为截面最大处，棕榈树干底部至中部呈截面迅速收缩状，中部保持等截面，中部至上部截面再次增大，上部至顶部截面逐渐减小直到树干顶端；风力机塔架内部仿生结构为仿棕榈树内部结构，仿棕榈树内部结构为类维管束结构。本发明模仿近海棕榈科植物的抗风特性，对风力机塔架进行仿生设计，并应用仿真模拟方法对仿棕榈树风力机塔架与传统圆柱形塔架进行结构分析并对比结果。本发明的仿棕榈树结构风力机塔架具有增加风力机工作风速范围，加强风力机整机结构性能的作用。

Description

仿棕榈树结构风力机塔架及方法
技术领域
本发明涉及一种风力机支撑结构，尤其是一种风力机塔架及设计方法。
背景技术
风能以其环保性、成本效益、可持续性和全球可用性，成为可再生能源最重要的形式之一，由于风能在不同类型的可再生能源技术中具有最有利的投资成本与生产率比值，有助于减轻消耗常规资源所造成的能源危机。
风力机是将风能转换为电能的旋转机械，其核心部件是风轮，风轮又由叶片和轮毂组成，叶片拥有较大的展弦比，风力机塔架在支撑叶片、轮毂和机舱以及抵抗由叶片产生的风荷载方面起重要作用，为了捕获更多的风能，降低度电成本，目前风力发电机组逐渐趋于大型化，塔架高度随之增加且塔架所受载荷也相应增加，塔架作为主要的承重部件，其安全性是保证风电机组正常运行的首要条件。一般风力机塔架成本占整个风力发电系统的10％，但塔架支撑机舱、轮毂与叶片等部件，在风力机事故中，只要风力机塔架不倒塌，80％以上的部件都能安全运行。沿海一类棕榈科抗风型植物在长期的自然演化中，其本身的结构是在多风环境中进化而来，对风力机进行仿生结构设计将增强风力机叶片及塔架的综合性能。
发明内容
本发明是为了拓宽风力机工作风速范围，而提出一种仿棕榈树结构风力机塔架及方法，具有柔性与广泛适应性的风力机塔架。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种仿棕榈树结构风力机塔架由风力机塔架外形仿生结构和风力机塔架内部仿生结构组成，所述风力机塔架外形仿生结构为仿棕榈树形状结构，由棕榈树干底部、中部、上部和顶部构成，棕榈树干底部为截面最大处，棕榈树干底部至中部呈截面迅速收缩状，中部保持等截面，中部至上部截面再次增大，上部至顶部截面逐渐减小直到树干顶端；所述风力机塔架内部仿生结构为仿棕榈树内部结构，仿棕榈树内部结构为类维管束结构。
所述仿棕榈树形状结构的风力机塔架外形函数为Y＝F(X)，其中，Y＝F(X)为以放大化的样本参数拟合函数曲线，X表示塔架的高度，Y为在某高度处的塔架截面半径，F(X)函数为公式：
F(X)＝2×10-8X4+3×10-5X3+0.005X2-0.222X+6.2。
所述类维管束结构多呈大小圆管形，大小圆管形呈圆形阵列结构。
一种仿棕榈树结构风力机塔架的设计方法，包括风力机塔架外形仿生结构设计和风力机塔架内部仿生结构设计；
1)所述风力机塔架外形仿生结构设计步骤为：
(1)风力机塔架基于棕榈树外部形状样本参数建立；
(2)仿棕榈树风力机塔架外部形状通过函数拟合方法，得到了一般函数表达式，并运用函数建立塔架外形结构模型；
2)风力机塔架内部仿生结构设计步骤为：
(1)仿棕榈树风力机塔架内部结构通过模仿真实棕榈树内部类维管束结构进行建模；
(2)仿棕榈树风力机塔架内部结构采用圆形管束来代替具有一定分形特征的真实棕榈树内部结构进行仿真计算。
一种仿棕榈树结构风力机塔架设计的验证方法，采用仿棕榈树风力机塔架与传统风力机塔架进行结构对比与仿真模拟进行验证，具体包括：
1)仿棕榈树风力机塔架与传统塔架的固有频率对比分析；
2)仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架之间的谐响应对比分析。
本发明的有益效果在于：
本发明所涉及的一种仿棕榈树结构风力机塔架，因为本发明模仿近海棕榈科植物的抗风特性，对风力机整机进行仿生设计。
据此，本发明所提供的一种仿棕榈树结构风力机塔架具有增加风力机工作风速范围，加强风力机整机结构性能的作用。
附图说明
图1是本发明的实施例中仿棕榈树结构风力机塔架整体示意图；
图2是本发明的实施例中仿棕榈树结构风力机塔架外部形状样本参数；
图3是本发明的实施例中仿棕榈树结构风力机塔架外部形状拟合函数图；
图4是本发明的实施例中真实棕榈树的内部结构；
图5是本发明的实施例中仿棕榈树结构风力机塔架内部结构；
图6是本发明的实施例中仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架模型纵向截面对比图，其中：(a)传统塔架模型，(b)仿棕榈树结构风力机塔架；
图7是本发明的实施例中仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架位移随高度变化图；
图8是本发明的实施例中仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架前六阶固有频率；
图9为本发明的实施例中仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架不同频率下塔架顶端位移响应对比；
图10为本发明的实施例中仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架不同频率下塔架顶端速度响应对比；
图11为本发明的实施例中仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架不同频率下塔架顶端加速度响应对比。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的一种仿棕榈树结构风力机塔架作具体阐述。
实施例：
如图1所示，一种仿棕榈树结构风力机塔架100具有：风力机塔架外部结构10、风力机塔架内部结构20。
图2为本发明的实施例一种仿棕榈树结构风力机塔架外部形状样本参数。样本棕榈树干底部为截面最大处，直径约为0.62m。值得注意的是，树干并不是沿高度方向线性减少，这可能与棕榈树经过亿万年的进化，为抵御海上台风等极端环境所致。在树干高度1m以内，截面直径迅速下降，超过1m以后，基本保持等截面，而超过2.5m后，树干截面再次增大，而后逐渐减小直到树干顶端。
图3为本发明的实施例一种仿棕榈树结构风力机塔架外形函数Y＝F(X)。其中，Y＝F(X)为以放大化的样本参数拟合函数曲线，X表示塔架的高度，Y为在某高度处的塔架截面半径，其函数为公式(1)所示。
F(X)＝2×10-8X4+3×10-5X3+0.005X2-0.222X+6.2 (1)
图4为本发明的实施例一种棕榈树内部结构图。其中，棕榈树内部结构为类维管束结构，结构多呈大小圆管形，具有一定的相似性，也具有一定的分形特征，该结构为棕榈树在近海区域抗风性能提供了保证，因此，在仿生设计方面具有重要意义。
图5为本发明的实施例一种仿棕榈树结构风力机塔架内部仿生结构。其中，借鉴植物内部类维管束结构，对风力机内部进行仿生设计，维管束结构属于大自然的产物，具有一定的分形结构，但出于计算效率考虑，将塔架内部用圆形阵列结构代替。
图6为本发明的实施例一种仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架纵向截面对比图。其中为确保研究的可比性，所提仿生塔架，见图6(b)，其纵向截面面积与传统塔架，见图6(a)，纵向截面面积相等，即S1＝S2。其中H＝100m，D1＝7.36m，D2＝12.4m。
图7为本发明的实施例一种仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架位移随高度变化图。其中，借助CFD方法计算获得12m/s风速下的气动载荷，并施加于塔架表面，得到塔架位移变形与应力分布结果。与传统塔架相比，仿生塔架顶端位移增加了282％，而最大应力仅增加了18％，在满足塔架应力允许范围内，仿生塔架柔性更好；传统塔架最大应力集中在塔架根部，而仿生塔架的最大应力出现在靠近根部的地方，对塔架基础要求较低。这种结构与其截面直径随高度变化的不均匀性有关。
图8为本发明的实施例一种仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架固有频率图。由于塔架模型为对称结构，因此，各阶固有频率值成对出现。其中，仿生塔架固有频率略高于传统塔架，与其外部形状特征有关，也可以使塔架远大于风力机叶片或机舱的固有频率，避免达到共振，使风力机整机损坏。
图9、图10和图11为不同频率下传统塔架与仿生塔架谐响应曲线。传统塔架发生共振的频率约为6、27和63Hz，塔顶位移响应最大值约为2.76m，而仿生塔架的共振频率约为8、34和75Hz，塔顶位移最大响应值约为2.14m。与传统塔架相比，仿生塔架达到共振时的塔顶位移响应幅值降低了22.2％，且共振频率均偏大。采用仿生塔架可以有效降低塔架顶端位移响应幅值，且仿生塔架相比传统塔架更难与其他系统部件发生共振。
实施例的作用与效果：
根据本实施例所涉及的一种仿棕榈树结构风力机塔架，具有一定的柔性，可以在高风速下保持风力机正常运行，其内部仿生结构也使得风力机塔架具有较强的结构性能，不易损坏。
所以，本实施例的一种仿棕榈树结构风力机塔架具有增加风力机工作风速范围的作用，加强风力机整机结构性能。
另外，本实施例的一种仿棕榈树结构风力机塔架还包括不同形式布置的塔架内部结构，例如运用分形学方法仿生塔架内部结构等。
进一步地，本实施例的一种仿棕榈树结构风力机塔架还包括与传统塔架的固有频率对比。
上述实施例中还具有仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架之间的谐响应对比分析。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种仿棕榈树结构风力机塔架，由风力机塔架外形仿生结构和风力机塔架内部仿生结构组成，其特征在于：所述风力机塔架外形仿生结构为仿棕榈树形状结构，由棕榈树干底部、中部、上部和顶部构成，棕榈树干底部为截面最大处，棕榈树干底部至中部呈截面迅速收缩状，中部保持等截面，中部至上部截面再次增大，上部至顶部截面逐渐减小直到树干顶端；所述风力机塔架内部仿生结构为仿棕榈树内部结构，仿棕榈树内部结构为类维管束结构。
2.根据权利要求1所述的仿棕榈树结构风力机塔架，其特征在于：所述仿棕榈树形状结构的风力机塔架外形函数为Y=F(X)，其中，Y=F(X)为以放大化的样本参数拟合函数曲线，X表示塔架的高度，Y为在某高度处的塔架截面半径，F(X)函数为公式：
。
3.根据权利要求1所述的仿棕榈树结构风力机塔架，其特征在于：所述类维管束结构多呈大小圆管形，大小圆管形呈圆形阵列结构。
4.一种权利要求1-3任一所述的仿棕榈树结构风力机塔架的设计方法，其特征在于：包括风力机塔架外形仿生结构设计和风力机塔架内部仿生结构设计；
1）所述风力机塔架外形仿生结构设计步骤为：
（1）风力机塔架基于棕榈树外部形状样本参数建立；
（2）仿棕榈树风力机塔架外部形状通过函数拟合方法，得到了一般函数表达式，并运用函数建立塔架外形结构模型；
2）所述风力机塔架内部仿生结构设计步骤为：
（1）仿棕榈树风力机塔架内部结构通过模仿真实棕榈树内部类维管束结构进行建模；
（2）仿棕榈树风力机塔架内部结构采用圆形管束来代替具有一定分形特征的真实棕榈树内部结构进行仿真计算。
5.一种权利要求4所述的仿棕榈树结构风力机塔架设计的验证方法，采其特征在于：采用仿棕榈树风力机塔架与传统风力机塔架进行结构对比与仿真模拟进行验证，具体包括：
1）仿棕榈树风力机塔架与传统塔架的固有频率对比分析；
2）仿棕榈树结构风力机塔架与传统塔架之间的谐响应对比分析。
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