CN109989893A - 一种仿海豹胡须的风力机塔柱及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿海豹胡须的风力机塔柱及其设计方法，塔柱轴线垂直于地面，在风力机塔柱的高度方向交替设有倾斜于水平面的椭圆一和椭圆二，相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离相等，风力机塔柱半高处的中心位置为椭圆一，风力机塔柱半高处上方的各椭圆相对于相邻的下一个椭圆以风力机塔柱轴线为中心依次逆时针旋转角度λ；风力机塔柱半高处下方的各椭圆相对于相邻的上一个椭圆以风力机塔柱轴线为中心依次顺时针旋转角度λ，相邻椭圆一与椭圆二对应的相位点通过光滑弧面依次相连构成风力机塔柱的外表弧面。各椭圆旋转角度λ=2°～5°。本发明的风力机塔柱可减轻旋转叶片的尾流与塔柱之间产生的非定常流动干涉，降低低频气动噪声，提高输出功率。

Description

一种仿海豹胡须的风力机塔柱及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种风力机塔柱，特别涉及一种仿海豹胡须的风力机塔柱；本发明还涉及一种仿海豹胡须的风力机塔柱的设计方法，属于风力发电设备技术领域。
背景技术
随着风能产业的快速发展，风电场距离居民区越来越近，风力机单机功率不断提高，风力机叶轮直径越来越大，目前风轮直径已超过120m，下一代10MW的风力机也已列为国家重点研发规划。风力机气动噪声问题日益凸显。
风力机气动噪声大致可分为三大类：(1)来流湍流宽带噪声；(2)叶片自身与气流作用产生的宽带噪声，这类噪声可以通过翼型优化或增加锯齿尾缘、涡流发生器等叶片附件进行降噪；(3)由叶片-塔柱相互作用产生的低频噪声，旋转的叶片尾流与静止的塔柱之间产生显著的非定常流动干涉现象，即所谓的塔影效应，该干涉效应是风力机低频气动噪声的重要来源。叶片大型化后，低频干涉噪声问题越来越突出，将成为制约风力机发展的重要因素之一。事实上，这种塔影现象可以是旋转叶片和任意物体之间的干涉，由于旋转叶片在短时间内周期性地被一个物体干扰，因此产生的噪声也是周期性的。除风力发电领域外，在直升机的螺旋桨、舰船螺旋桨、喷水推进等各类旋转机械中均存在这种塔影干涉噪声。
研究分析海豹胡须涡激振动的频率和振幅，结论表明，在均匀流中触须振动显著变弱，这有助于提高海豹在跟踪猎物的水力痕迹时的信噪比灵敏度。且数值计算同时表明在大范围的雷诺数工况下，海豹胡须的平均阻力和脉动阻力分别减小了40%和90%，脉动升力的减小幅度超过了94%。与光滑圆柱相比，触须尾迹中连续脱落的旋涡结构出现在下游更远的地方，并且衰减更快。流向和纵向的速度脉动强度大幅降低，涡脱落过程受到了很大的抑制，有助于减小圆柱面上的脉动力。
因此基于仿生学提出仿海豹胡须的风力机塔柱，具有十分迫切的理论研究价值和工程应用意义。
发明内容
本发明的首要目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种仿海豹胡须的风力机塔柱，可以减轻旋转叶片的尾流与风力机塔柱之间产生的非定常流动干涉，降低风力机的低频气动噪声。
为解决以上技术问题，本发明的一种仿海豹胡须的风力机塔柱，风力机塔柱的轴线垂直于地面，在风力机塔柱的高度方向交替设有倾斜于水平面的椭圆一和椭圆二，相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离相等，风力机塔柱半高处的中心位置为椭圆一，风力机塔柱半高处上方的各椭圆相对于相邻的下一个椭圆以风力机塔柱轴线为中心依次逆时针旋转角度λ；风力机塔柱半高处下方的各椭圆相对于相邻的上一个椭圆以风力机塔柱轴线为中心依次顺时针旋转角度λ，相邻椭圆一与椭圆二对应的相位点通过光滑弧面依次相连构成风力机塔柱的外表弧面。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：本发明通过研究分析海豹胡须的结构及海豹在跟踪猎物水力痕迹时优异的信噪比灵敏度，对风力机塔柱从几何形状进行仿生建模，通过海豹胡须模型对于上游扰动的良好感知性，从而在一定程度上掌握了以海豹胡须为原型的风力机塔柱的工作规律，在适合风力机运行的低风速工况下，使得风力机由于塔柱的干涉而造成的涡脱落过程受到了很大的抑制，尤其在风力机叶片扫略过塔柱时，降低风力机受塔影效应的干扰，可显著提高风力机气动性能，并减小叶片-塔柱干涉噪声。本发明的塔柱设计所涉及工艺简单，便于参数化设计，最终数值模拟结果证明，相同工况下，采用本发明塔柱的风力机比采用传统圆形塔柱的风力机的输出扭矩大，受塔影效应干扰时输出扭矩的降幅小；塔柱处的涡量减小明显，由于叶片-塔柱所产生的声波扰动明显小于采用传统圆形塔柱的风力机，相同测点处叶片-塔柱干涉噪声均有不同程度降低。本发明仿海豹胡须的风力机塔柱易于设计，切实可行，具有较好的工程应用价值。
作为本发明的优选方案，椭圆一的长轴长度为2a，短轴长度为2b，与水平面的夹角为θ1；椭圆二的长轴长度为2A，短轴长度为2B，与水平面的夹角为θ2；θ1为30º～32º，θ2为34º～36º，a=1.38～1.42b，A=1.2～1.22B，且A=1～1.1a。考虑到风力机实际运行的风向不稳定，这会使旋转风轮的螺旋尾迹发生偏斜，进而在风轮旋转平面内产生非定常诱导速度，使得叶片各截面上翼型攻角不断发生波动，本发明参数下的塔柱包括多个与水平面具有一定倾斜角度的椭圆截面，可以同时满足在上述工况下运行。
作为本发明的优选方案，相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离D=5～5.2a。D值的大小决定了波浪特征壁面的波长，本发明的波浪特征壁面一定程度上增强边界层内的动量和能量交换，减小逆压梯度和低能量的气流堆积，使得仿海豹胡须的塔柱表面压力脉动减小，因此减小塔影效应产生的叶片-塔柱干涉噪声；如果波长过小则柱体外壁的曲面变化太大，如果波长过大会对风力机周围流场有所影响。
作为本发明的优选方案，各椭圆旋转角度λ=2°～5°。每个椭圆截面随着风力机塔柱的中轴线旋转一定的角度，可实现风力机在多个偏航工况下均具有一定的减阻减振效果，可以提高风力机塔柱的强度，且可以扩大风力机塔柱的适用范围。
本发明的另一个目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种仿海豹胡须的风力机塔柱的设计方法，设计而成的仿海豹胡须的风力机塔柱，可以减轻旋转叶片的尾流与风力机塔柱之间产生的非定常流动干涉，降低风力机的低频气动噪声。
为解决以上技术问题，本发明一种仿海豹胡须的风力机塔柱的设计方法，依次包括如下步骤：⑴设定风力机塔柱的总高度为H，风力机塔柱的轴线垂直于地面；⑵以风力机塔柱半高处的中心位置为中心点设计第一个椭圆截面，该椭圆的长轴长度为2a，短轴长度为2b，与水平面的夹角为θ1，将与第一个椭圆截面长短轴相同且与水平面夹角也相同的椭圆定义为椭圆一；⑶在第一个椭圆截面的正下方设计第二个椭圆截面，第二个椭圆截面的中心点与第一个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第二个椭圆截面的长轴长度为2A，短轴长度为2B，与水平面的夹角为θ2，将与第二个椭圆截面长短轴相同且与水平面夹角也相同的椭圆定义为椭圆二；第二个椭圆截面的相位与第一个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心顺时针旋转角度λ；⑷在第一个椭圆截面的正上方设计第三个椭圆截面，第三个椭圆截面的中心点与第一个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第三个椭圆截面采用椭圆二，第三个椭圆截面的相位与第一个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心逆时针旋转角度λ；⑸在第二个椭圆截面的正下方设计第四个椭圆截面，第四个椭圆截面的中心点与第二个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第四个椭圆截面采用椭圆一，第四个椭圆截面的相位与第二个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心顺时针旋转角度λ；⑹在第三个椭圆截面的正上方设计第五个椭圆截面，第五个椭圆截面的中心点与第三个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第五个椭圆截面采用椭圆一，第五个椭圆截面的相位与第三个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心逆时针旋转角度λ；⑺在第四个椭圆截面的正下方设计第六个椭圆截面，第六个椭圆截面的中心点与第四个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第六个椭圆截面采用椭圆二，第六个椭圆截面的相位与第四个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心顺时针旋转角度λ；⑻在第五个椭圆截面的正上方设计第七个椭圆截面，第七个椭圆截面的中心点与第五个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第七个椭圆截面采用椭圆二，第七个椭圆截面的相位与第五个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心逆时针旋转角度λ；⑼以此类推，直至最下部椭圆截面的上缘与第一个椭圆截面中心点之间的高度差大于0.5H，且最上部椭圆截面的下缘与第一个椭圆截面中心点之间的高度差也大于0.5H；⑽将各相邻椭圆截面对应的相位点用光滑弧面依次连接起来，构成风力机塔柱完整的外表弧面；⑾在距离第一个椭圆截面中心点下方0.5H处，用水平面截去下方多余的部分，所截得到的横截面为风力机塔柱的水平底面；在距离第一个椭圆截面中心点上方0.5H处，用水平面截去上方多余的部分，所截得到的横截面为风力机塔柱的水平顶面；所述水平顶面、外表弧面和水平底面合围成完整的风力机塔柱。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：本发明的设计方法便于掌握，易于建模，便于调整参数进行优化，有利于采用不同的参数建模后，进行仿真对比，从而寻找到最优化的方案；设计而成的风力机塔柱的技术效果如前所述。
作为本发明的优选方案，θ1为30º～32º，θ2为34º～36º，a=1.38～1.42b，A=1.2～1.22B，且A=1～1.1a。
作为本发明的优选方案，相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离D=5～5.2a。
作为本发明的优选方案，各椭圆旋转角度λ=2°～5°。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。
图1为本发明仿海豹胡须的风力机塔柱的结构示意图。
图2为仿真本发明仿海豹胡须的风力机塔柱的分析用小模型。
图3为相同工况下采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机与采用传统圆形塔柱的风力机的输出扭矩对比图。
图4为使用Q-Criterion标准对本发明塔柱与传统圆形塔柱的周围流场结构进行可视化对比图。
图5为采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机在叶片-塔柱干涉噪声测试中的测点布置图。
图6为采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机与采用传统圆形塔柱的风力机的叶片-塔柱干涉噪声在测点2处的声压对比图。
图7为采用传统圆形塔柱与采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机的叶片-塔柱干涉噪声频谱在测点1处的对比。
图8为采用传统圆形塔柱与采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机的叶片-塔柱干涉噪声频谱在测点2处的对比。
图9为采用传统圆形塔柱与采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机的叶片-塔柱干涉噪声频谱在测点3处的对比。
具体实施方式
如图1所示，本发明仿海豹胡须的风力机塔柱的轴线垂直于地面，在风力机塔柱的高度方向交替设有倾斜于水平面的椭圆一和椭圆二，相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离相等，风力机塔柱半高处的中心位置为椭圆一，风力机塔柱半高处上方的各椭圆相对于相邻的下一个椭圆以风力机塔柱轴线为中心依次逆时针旋转角度λ；风力机塔柱半高处下方的各椭圆相对于相邻的上一个椭圆以风力机塔柱轴线为中心依次顺时针旋转角度λ，相邻椭圆一与椭圆二对应的相位点通过光滑弧面依次相连构成风力机塔柱的外表弧面。
椭圆一的长轴长度为2a，短轴长度为2b，与水平面的夹角为θ1；椭圆二的长轴长度为2A，短轴长度为2B，与水平面的夹角为θ2；θ1为30º～32º，θ2为34º～36º，a=1.38～1.42b，A=1.2～1.22B，且A=1～1.1a。
相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离D=5～5.2a。
各椭圆旋转角度λ=2°～5°。
本发明仿海豹胡须的风力机塔柱的设计方法，依次包括如下步骤：⑴设定风力机塔柱的总高度为H，风力机塔柱的轴线垂直于地面；
⑵以风力机塔柱半高处的中心位置为中心点设计第一个椭圆截面，该椭圆的长轴长度为2a，短轴长度为2b，与水平面的夹角为θ1，将与第一个椭圆截面长短轴相同且与水平面夹角也相同的椭圆定义为椭圆一；
⑶在第一个椭圆截面的正下方设计第二个椭圆截面，第二个椭圆截面的中心点与第一个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第二个椭圆截面的长轴长度为2A，短轴长度为2B，与水平面的夹角为θ2，将与第二个椭圆截面长短轴相同且与水平面夹角也相同的椭圆定义为椭圆二；第二个椭圆截面的相位与第一个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心顺时针旋转角度λ；
⑷在第一个椭圆截面的正上方设计第三个椭圆截面，第三个椭圆截面的中心点与第一个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第三个椭圆截面采用椭圆二，第三个椭圆截面的相位与第一个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心逆时针旋转角度λ；
⑸在第二个椭圆截面的正下方设计第四个椭圆截面，第四个椭圆截面的中心点与第二个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第四个椭圆截面采用椭圆一，第四个椭圆截面的相位与第二个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心顺时针旋转角度λ；
⑹在第三个椭圆截面的正上方设计第五个椭圆截面，第五个椭圆截面的中心点与第三个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第五个椭圆截面采用椭圆一，第五个椭圆截面的相位与第三个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心逆时针旋转角度λ；
⑺在第四个椭圆截面的正下方设计第六个椭圆截面，第六个椭圆截面的中心点与第四个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第六个椭圆截面采用椭圆二，第六个椭圆截面的相位与第四个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心顺时针旋转角度λ；
⑻在第五个椭圆截面的正上方设计第七个椭圆截面，第七个椭圆截面的中心点与第五个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第七个椭圆截面采用椭圆二，第七个椭圆截面的相位与第五个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心逆时针旋转角度λ；
⑼以此类推，直至最下部椭圆截面的上缘与第一个椭圆截面中心点之间的高度差大于0.5H，且最上部椭圆截面的下缘与第一个椭圆截面中心点之间的高度差也大于0.5H；
⑽将各相邻椭圆截面对应的相位点用光滑弧面依次连接起来，构成风力机塔柱完整的外表弧面；
⑾在距离第一个椭圆截面中心点下方0.5H处，用水平面截去下方多余的部分，所截得到的横截面为风力机塔柱的水平底面；在距离第一个椭圆截面中心点上方0.5H处，用水平面截去上方多余的部分，所截得到的横截面为风力机塔柱的水平顶面；所述水平顶面、外表弧面和水平底面合围成完整的风力机塔柱。
其中，θ1为30º～32º，θ2为34º～36º，a=1.38～1.42b，A=1.2～1.22B，且A=1～1.1a。相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离D=5～5.2a。各椭圆旋转角度λ=2°～5°。
对本发明的仿海豹胡须塔柱与传统的圆形塔柱进行气动性能模拟对比，包括：(1)相同工况下，采用本发明塔柱的风力机与采用传统圆形塔柱的风力机的输出扭矩对比。(2)相同工况下，本发明塔柱与传统的圆形塔柱周围流场涡量对比。
为便于采用仿真软件进行对比分析，将本发明仿海豹胡须的风力机塔柱进行同比例缩小，风力机塔柱的高度H取值为1.5m，椭圆一的长轴长度2a取值为0.164m，短轴长度2b为0.118m，椭圆一与水平面之间的夹角θ1为30.54º；椭圆二的长轴长度2A取值为0.154m，短轴长度2B为0.128m，椭圆二与水平面之间的夹角θ2为35.2º；相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离D取值为0.42m；椭圆截面随着塔柱中轴线旋转角度λ取值为2º。确定上述参数，完成仿海豹胡须的风力机塔柱小模型的建模，建成的小模型如图2所示。
以第一个椭圆一的长轴在水平面上的投影作为来流方向，作为对比例的圆形塔柱的高度与本发明仿真例的高度相等，作为对比例的圆形塔柱在来流方向上的投影面积等于本发明仿真例在来流方向上的投影面积相等，即对比例圆形塔柱与本发明仿真例在迎风面积与高度相等的情况下进行测试。
利用Fluent仿真软件对叶片半径为0.75m的DTU-LN221翼型三叶片风力机模型进行数值模拟研究，采用大涡模拟的方式分析风力机叶片-塔柱流场变化规律，选用非定常计算策略，叶片转速取值为800r/min，来流风速取值为8m/s，叶片与塔柱外缘之间的最小间距h为0.12m。风力机三叶片旋转成正人字型时，即一个叶片处于正上方位置时的方位角定义为0°。图3为相同工况下采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机与采用传统圆形塔柱的风力机的输出扭矩对比。
由图3对比分析可知，由于塔影效应的干扰，风力机输出扭矩随相位变化存在波动，尤其在风力机的叶片处于竖直向下位置，即遮挡塔柱的位置时，瞬时输出扭矩最小，对比发现本发明仿海豹胡须的风力机塔柱可以明显减小输出扭矩的波动，提高输出功率。
图4为使用Q-Criterion标准对风力机叶片-塔柱周围的流场结构进行可视化对比。具体为相同工况下，本发明塔柱与传统的圆形塔柱周围流场涡量对比，等旋度值都选择0.0001。其中图4(a)为传统圆形塔柱的风力机流场涡结构，图4(b)为前述本发明风力机塔柱小模型的风力机流场涡结构。图中可以看出传统圆形塔柱风力机叶片产生的叶尖涡非常明显，它们被来流带向下游。同时在接近叶根部分及塔柱部分，风力机存在一系列涡流。而本发明风力机塔柱处的涡量减小明显，说明本发明风力机塔柱具有抑制涡的脱落，提高风力机气动性能的能力。
为了测试采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机与采用传统圆形塔柱的风力机的叶片-塔柱干涉噪声的特性，在Fluent仿真软件中采用大涡模拟的方式分析流场变化规律后，加载FW-H声学模型，沿来流风速方向距风力机塔柱1.5m处各设置三个测点，其中测点1位于塔柱正前方，测点2位于塔柱侧方向，测点3位于塔柱正后方，各测点均距离地面均为0.3m，具体测试位置如图5所示，图5中黑点即为各噪声测点位置。
图6为采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机与采用传统圆形塔柱的风力机的叶片-塔柱干涉噪声在测点2处的声压对比。显然采用本发明塔柱的风力机由于叶片-塔柱所产生的声波扰动明显小于采用传统圆形塔柱的风力机。
图7至图9为采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机与采用传统圆形塔柱风力机的叶片-塔柱干涉噪声频谱对比。从噪声频谱图可以看出，流场中设置的测点1、测点2及测点3的噪声均有不同程度的下降。
综上所述，可见采用本发明仿海豹胡须塔柱的风力机在相同工况下不仅可以提升风力机的输出功率，而且可以降低由于叶片-塔柱干涉所产生的噪声。
以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。

Claims (8)

1.一种仿海豹胡须的风力机塔柱，风力机塔柱的轴线垂直于地面，其特征在于：在风力机塔柱的高度方向交替设有倾斜于水平面的椭圆一和椭圆二，相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离相等，风力机塔柱半高处的中心位置为椭圆一，风力机塔柱半高处上方的各椭圆相对于相邻的下一个椭圆以风力机塔柱轴线为中心依次逆时针旋转角度λ；风力机塔柱半高处下方的各椭圆相对于相邻的上一个椭圆以风力机塔柱轴线为中心依次顺时针旋转角度λ，相邻椭圆一与椭圆二对应的相位点通过光滑弧面依次相连构成风力机塔柱的外表弧面。
2.根据权利要求1所述的仿海豹胡须的风力机塔柱，其特征在于：椭圆一的长轴长度为2a，短轴长度为2b，与水平面的夹角为θ1；椭圆二的长轴长度为2A，短轴长度为2B，与水平面的夹角为θ2；θ1为30º～32º，θ2为34º～36º，a=1.38～1.42b，A=1.2～1.22B，且A=1～1.1a。
3.根据权利要求1所述的仿海豹胡须的风力机塔柱，其特征在于：相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离D=5～5.2a。
4.根据权利要求1所述的仿海豹胡须的风力机塔柱，其特征在于：各椭圆旋转角度λ=2°～5°。
5.一种仿海豹胡须的风力机塔柱的设计方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
⑴设定风力机塔柱的总高度为H，风力机塔柱的轴线垂直于地面；
⑵以风力机塔柱半高处的中心位置为中心点设计第一个椭圆截面，该椭圆的长轴长度为2a，短轴长度为2b，与水平面的夹角为θ1，将与第一个椭圆截面长短轴相同且与水平面夹角也相同的椭圆定义为椭圆一；
⑶在第一个椭圆截面的正下方设计第二个椭圆截面，第二个椭圆截面的中心点与第一个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第二个椭圆截面的长轴长度为2A，短轴长度为2B，与水平面的夹角为θ2，将与第二个椭圆截面长短轴相同且与水平面夹角也相同的椭圆定义为椭圆二；第二个椭圆截面的相位与第一个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心顺时针旋转角度λ；
⑷在第一个椭圆截面的正上方设计第三个椭圆截面，第三个椭圆截面的中心点与第一个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第三个椭圆截面采用椭圆二，第三个椭圆截面的相位与第一个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心逆时针旋转角度λ；
⑸在第二个椭圆截面的正下方设计第四个椭圆截面，第四个椭圆截面的中心点与第二个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第四个椭圆截面采用椭圆一，第四个椭圆截面的相位与第二个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心顺时针旋转角度λ；
⑹在第三个椭圆截面的正上方设计第五个椭圆截面，第五个椭圆截面的中心点与第三个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第五个椭圆截面采用椭圆一，第五个椭圆截面的相位与第三个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心逆时针旋转角度λ；
⑺在第四个椭圆截面的正下方设计第六个椭圆截面，第六个椭圆截面的中心点与第四个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第六个椭圆截面采用椭圆二，第六个椭圆截面的相位与第四个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心顺时针旋转角度λ；
⑻在第五个椭圆截面的正上方设计第七个椭圆截面，第七个椭圆截面的中心点与第五个椭圆截面的中心点之间的距离为D，第七个椭圆截面采用椭圆二，第七个椭圆截面的相位与第五个椭圆截面相比以风力机塔柱轴线为中心逆时针旋转角度λ；
⑼以此类推，直至最下部椭圆截面的上缘与第一个椭圆截面中心点之间的高度差大于0.5H，且最上部椭圆截面的下缘与第一个椭圆截面中心点之间的高度差也大于0.5H；
⑽将各相邻椭圆截面对应的相位点用光滑弧面依次连接起来，构成风力机塔柱完整的外表弧面；
⑾在距离第一个椭圆截面中心点下方0.5H处，用水平面截去下方多余的部分，所截得到的横截面为风力机塔柱的水平底面；在距离第一个椭圆截面中心点上方0.5H处，用水平面截去上方多余的部分，所截得到的横截面为风力机塔柱的水平顶面；所述水平顶面、外表弧面和水平底面合围成完整的风力机塔柱。
6.根据权利要求5所述的仿海豹胡须的风力机塔柱的设计方法，其特征在于：θ1为30º～32º，θ2为34º～36º，a=1.38～1.42b，A=1.2～1.22B，且A=1～1.1a。
7.根据权利要求6所述的仿海豹胡须的风力机塔柱的设计方法，其特征在于：相邻椭圆一与椭圆二中心点之间的距离D=5～5.2a。
8.根据权利要求5或6或7所述的仿海豹胡须的风力机塔柱的设计方法，其特征在于：各椭圆旋转角度λ=2°～5°。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114991878A (zh) * 2022-05-30 2022-09-02 哈尔滨工业大学 一种涡轮压力侧半劈缝冷却海豹胡须尾缘叶片及成型方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102562483A (zh) * 2010-12-20 2012-07-11 通用电气公司 风力机塔筒的强化系统
CN104695472A (zh) * 2013-12-08 2015-06-10 国家电网公司 仿生电力塔桩
CN207920776U (zh) * 2017-12-22 2018-09-28 江苏金风科技有限公司 风力发电机组
CN210087551U (zh) * 2019-05-15 2020-02-18 扬州大学 仿海豹胡须的风力机塔柱

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102562483A (zh) * 2010-12-20 2012-07-11 通用电气公司 风力机塔筒的强化系统
CN104695472A (zh) * 2013-12-08 2015-06-10 国家电网公司 仿生电力塔桩
CN207920776U (zh) * 2017-12-22 2018-09-28 江苏金风科技有限公司 风力发电机组
CN210087551U (zh) * 2019-05-15 2020-02-18 扬州大学 仿海豹胡须的风力机塔柱

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114991878A (zh) * 2022-05-30 2022-09-02 哈尔滨工业大学 一种涡轮压力侧半劈缝冷却海豹胡须尾缘叶片及成型方法

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