CN110630446A - 围护结构以及风力发电机组、塔筒结构 - Google Patents

围护结构以及风力发电机组、塔筒结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种围护结构以及风力发电机组、塔筒结构，至少所述围护结构上部的横截面的外轮廓呈滴状，滴状的所述外轮廓包括头部、尾部，以及位于两侧以连接所述头部和尾部的两条腰部；所述头部和所述尾部为半圆弧，所述头部的直径大于所述尾部的直径。上风向来流绕流滴状的围护结构时，绕流阻力大幅度降低，结构稳定性得到保障；上风向来流的绕流速度得以提高，应用于风力发电机组时，风轮机风能利用系数得以提高；同时，可抑制围护结构顺风向振动以及横风向振动。而且，该滴状的围护结构还具有与自然环境强化换热的效果。

Description

围护结构以及风力发电机组、塔筒结构
技术领域
本发明涉及风电设备技术领域，具体涉及一种围护结构以及风力发电机组、塔筒结构。
背景技术
请参考图1-1，图1-1为风力发电装备构成示意图。
风力发电装备的基础为塔筒10，对整机起承载作用，起围护作用，作为示例，以一个圆形截面塔筒10为例，塔筒10可以是钢筒，也可以是钢筒与混凝土塔筒的组合。塔筒10承载着风力发电装备的机舱30、发电机、叶轮20。由塔筒10、叶轮20、机舱30与发电机组成的风力发电机组完成获取风能并转化成电能的任务。转化成的电能经电力传输电缆40或电力输送母排传输，图中所示的电力传输电缆40从机舱30引出后由塔筒10顶部的电缆挡圈限位，电缆挡圈固定于电缆挡圈固定板50，然后经马鞍面支架60后沿塔筒10的内壁垂下至变流柜70处。塔筒10的下端还设有塔架门80。
转化获得的电能经过风力发电机组的开关柜控制，借助电力传输电缆40或电力输送母排导线输运至完成电力电能变换任务的变流器(在变流柜70内)，再经过变流器处理后可获得能与电网对接规则要求的电能。因此，风力发电装备的塔筒10可以说是是风力发电的塔杆，在风力发电机组装备中主要起支撑作用。
同时，塔筒10承载由机舱30、叶轮20、发电机产生的结构风荷载或由此引发的顺风向振动和横风向振动，即：风致结构振动问题。
请参考图1-2，图1-2为塔筒分段吊装的示意图。
塔筒10目前一般分段安装，如图2所示，从下至上依次为第一塔筒段11、第二塔筒段12、第三塔筒段13、第四塔筒段14、第五塔筒段15。风力发电装备的安装过程中，首先将第一塔筒段11安装于塔筒10的地基基础90上，然后其他塔筒段被逐段吊装，在相互连接之后，塔筒10顶部(图2中的第五塔筒段15)与机舱30的偏航系统连接，机舱30与发电机对接，发电机(或齿轮箱)再与叶轮20对接。
具体吊装过程如下：
吊装塔筒10前，先清洁与第一塔筒段11连接的地基基础90的基础环，把多根螺栓(如120根)螺纹处抹油后放在基础环内圈处，同时将风力发电装备的控制柜吊入到基础环内；
对第一塔筒段11的上端安装吊具，此处由主吊承担对第一塔筒段11上端的吊起，也同时对第一塔筒段11的下端安装吊具，此处由塔筒辅吊承担吊起任务，两吊车同时起吊，当第一塔筒段11的高度大于第一塔筒段11最大直径后，主吊提升第一塔筒段11上端的高度，辅吊停下，当第一塔筒段11吊到垂直地面位置后把辅吊移开，卸掉第一塔筒段11下端的吊具；
将第一塔筒段11的法兰面连接好后，把螺栓从下往上穿，带好螺母后用电动扳手拧紧，至少对螺母实施拧紧3遍工序(等到整台风力发电装备吊装工序完成后，再用力矩扳手对塔筒连接螺母实施拧紧到要求的力矩值)；
其余的塔筒段与第一塔筒段11吊装过程相同，把最上段的塔筒段吊装完毕后，准备吊装机舱。
以上这些对接、连接的安装工序都在对风电场小地域环境局部风不可预测的情况下开展施工。因此，在吊装安装过程中，常会遇到大小变化不定的阵风或持续的小风，而如上所述，这些阵风或持续风有可能对塔筒诱发振动，破坏围护结构稳定、危及现场人身和设备的安全，推迟安装工期。例如，吊装第四塔筒段14后，第四塔筒段14存在振动，导致第五塔筒段15无法对准；甚至，紧固的螺栓可能会在震动作用下断裂，从而危及安全。
目前，风电行业吊装过程工程安全要求明确规定：风速大于6m/s时禁止叶片组吊装；风速大于8m/s时严禁机舱吊装；风速大于10m/s时严禁塔筒吊装。可见，现场吊装进度、安装工期明显受到局部区域风况的限制。对于高海拔、高山地域风电场的建设而言，工期更是容易受到影响。
请参考图2-1～2-6，图2-1～2-6分别为圆柱涡脱(绕流脱体)与雷诺数六个区间的关系示意图，雷诺数(Re)的六个区间从图2-1至图2-6分别是，Re<5、5<Re<40、40<Re<150、150＜Re﹤3×105、3×105＜Re﹤3×106、Re＞3×106。
根据物体结构周围气流绕流模式的不同，将结构分为钝体和像飞行器的机翼或船帆这样的流线体。
当Re<5时，流体流动将附着在圆柱体的整个表面上，即流动不分离。
当5<Re<40时，流动仍然是对称的，但出现了流动分离，在背风面形成两个对称排列的稳定漩涡，随着雷诺数的增大漩涡向外拉长，发生畸形。
40<Re<150时，从雷诺数Re＝40开始，漩涡将从圆柱体表面后方交替脱落，流入到圆柱体背后附近流体中形成剪切层，不稳定的剪切层很快卷成漩涡，向下游流动，形成卡门涡街，即涡激振动。此时的漩涡脱落是规则的，且具有周期性。
150<Re<300时，是从层流向紊流过渡的转变期，此时周期性的漩涡脱落被不规则的紊流所覆盖。
300<Re<3×105时，称为亚临界区，圆柱体尾流在分离后主要表现为紊流尾流，漩涡脱落开始不规则，涡脱频率的周期可以大致定出，但涡脱时的干扰力将不再对称，而是随机的。
3×105<Re<3×106时，称为超临界区，漩涡脱落点向后移动，已经无法辨认涡街，成了完全无周期的涡流。
3×106<Re，称为跨临界区，圆柱体后方尾流十分紊乱，但又呈现出有规律的漩涡脱落。
当均匀气流流经(横掠、绕流)钝体(圆柱体)时，在圆柱体横断面背后产生的周期性的漩涡脱落会对结构物(塔筒表面接触面)产生一个周期性变化的作用力——涡激力。被绕流的塔筒结构物下端与地下的地基基础构成单自由端振动体系(即塔筒的上端浸没在空气流中，塔筒最下端被固定在地基基础上)，当漩涡脱落频率与塔筒结构物的某阶自振频率相一致时，塔筒表面受到的周期性的涡激力(不平衡力)将引起塔筒体系结构的涡激共振(vortex-induced vibration)响应。
涡脱频率等于结构体系的塔筒及其基础振动体系的固有频率的条件，是在一定风速下才能满足的，但是具有固有频率的塔筒及其基础振动体系将对漩涡的脱落产生某种反馈作用，使得涡脱的频率在一定的风速范围内被塔筒及其基础振动体系的振动频率所“俘获”，使其在这一风速范围内不随着风速的改变而改变，这种现象被称为锁定，锁定将扩大塔筒结构受涡激发生共振的风速范围。
现代大型MW级风力发电机组的塔筒高度可达60～100m，塔筒10顶部装有主机架、副机架、轮毂和叶片(即叶轮20)等主要部件。风力发电机组运行时，塔筒10受到的载荷除了顶部零部件产生的重力和风轮旋转产生的动载荷外，还要受到自然风的作用，包括顺风向和横风向两种作用形式。
如图3-1、3-2所示，图3-1为塔筒产生顺风向振动和横风向振动的示意图；图3-2为塔筒产生顺风向振动和另一侧横风向振动的示意图。风吹动叶轮旋转时会对塔筒产生弯矩和力，这种由顺风向产生的弯矩和力是塔筒10发生破坏的主要原因。风绕过塔筒10时产生的涡流还会引起使塔筒10发生共振破坏的横向振动。
风吹过塔筒10时，尾流左右两侧产生成对的、交替排列的及旋转方向相反的反对称漩涡，即卡门漩涡。漩涡以一定频率脱离塔筒10，使塔筒10发生垂直于风向的横向振动，也称风诱发的横向振动，即涡激振动。当漩涡的脱离频率接近塔筒固有频率时，塔筒10容易发生共振而破坏。
有鉴于此，如何改善风力发电装备的安装或安装后作业受到区域风况限制的情况，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种围护结构，至少所述围护结构上部的横截面的外轮廓呈滴状，滴状的所述外轮廓包括头部、尾部，以及位于两侧以连接所述头部和尾部的两条腰部；所述头部和所述尾部为半圆弧，所述头部的直径大于所述尾部的直径。
上风向来流绕流滴状的围护结构时，绕流阻力大幅度降低，结构稳定性得到保障；上风向来流的绕流速度得以提高，应用于风力发电机组时，风轮机风能利用系数得以提高；同时，可抑制围护结构顺风向振动以及横风向振动。而且，该滴状的围护结构还具有与自然环境强化换热的效果。
可选地，所述围护结构包括筒形的围护本体，所述围护本体自身的横截面外轮廓呈所述滴状。
可选地，还包括第一偏航机构，所述第一偏航机构驱动所述围护本体相对所述围护本体的支撑基础转动，使所述围护本体的所述头部始终朝向所述上风向来流。
可选地，所述围护结构包括筒形的围护本体和气动外形调整部，所述气动外形调整部自所述围护本体的侧面卡合所述围护本体的一半；
所述气动外形调整部横截面外轮廓的两侧形成两条所述腰部，与卡合方向相反的一端形成所述尾部；所述围护本体未被卡合的另一半的横截面外轮廓形成所述头部。
可选地，所述气动外形调整部为具有开口的卡夹结构，以卡合所述围护本体。
可选地，所述气动外形调整部的开口端与所述围护本体磁性吸附。
可选地，还包括第二偏航机构，所述第二偏航机构驱动所述气动外形调整部相对所述围护本体转动，使所述头部始终朝向所述上风向来流。
可选地，还包括环绕所述围护本体外周的环形支撑，所述气动外形调整部至少部分支撑于所述环形支撑。
可选地，所述围护本体为风力发电机组的塔筒，所述塔筒由多段塔筒段串联叠置形成，相邻所述塔筒段之间通过法兰连接；所述环形支撑为所述法兰突出所述塔筒外表面的部分。
可选地，所述第二偏航机构包括回转支撑，所述回转支撑的内圈环绕固定于所述围护本体，所述气动外形调整部支撑于所述回转支撑的外圈。
可选地，所述回转支撑还包括延伸部，所述延伸部与所述外圈固定或一体成型，所述延伸部与所述气动外形调整部的腰部、尾部形状匹配，以支撑所述气动外形调整部。
可选地，在所述围护本体的高度方向上，分布两个或两个以上的所述气动外形调整部；所述围护结构包括分别驱动各所述气动外形调整部转动的所述第二偏航机构。
可选地，上下相邻的所述气动外形调整部，至少一者设有接收部，另一者设有激光对中装置；所述激光对中装置发射的激光能够达到相邻所述气动外形调整部的接收部时，与相邻所述气动外形调整部对中。
可选地，所述气动外形调整部的一侧或两侧设有贯通内外的通孔，以自内向外地向其尾端吹气，或自外向内地抽吸。
可选地，所述气动外形调整部的尾端设有通孔，以自外向内地抽吸。
可选地，所述气动外形调整部的外表面设有多个沿气流流动方向分布的凸起绊线。
可选地，所述围护结构还包括检测装置，所述检测装置监测所述气动外形调整部是否脱离所述围护本体。
可选地，滴状外轮廓的长轴距离H，和所述头部的直径D以及所述尾部的直径d，满足下述条件：
H/D的比值大于2，D/d的比值大于3。
可选地，所述围护结构为风力发电机组的塔筒结构，或电视塔的塔身结构，或测风塔的塔身结构。
可选地，所述围护结构为风力发电机组的塔筒结构，所述第二偏航机构包括驱动部和驱动传动轴，所述驱动传动轴连接所述气动外形调整部，所述驱动部为所述发力风电机组机舱内的偏航系统的驱动部。
本发明还提供一种塔筒结构，至少所述塔筒结构上部的横截面的外轮廓呈滴状，滴状的所述外轮廓包括头部、尾部，以及位于两侧以连接所述头部和尾部的两条腰部；所述头部和所述尾部为半圆弧，所述头部的直径大于所述尾部的直径。
可选地，所述塔筒结构包括筒形的塔筒，所述塔筒自身的横截面外轮廓呈所述滴状。
可选地，所述围护结构包括筒形的塔筒和气动外形调整部，所述气动外形调整部自所述塔筒的侧面卡合所述塔筒的一半；
所述气动外形调整部横截面外轮廓的两侧形成两条所述腰部，与卡合方向相反的一端形成所述尾部；所述塔筒未被卡合的另一半的横截面外轮廓形成所述头部。
本发明还提供一种风力发电机组，包括塔筒结构，所述塔筒结构为上述任一项所述的塔筒结构。
风力发电机机组和塔筒结构具有与上述滴状外轮廓的围护结构相同的技术效果。
附图说明
图1-1为风力发电装备构成示意图；
图1-2为塔筒分段吊装的示意图；
图2-1～2-6分别为圆柱涡脱(绕流脱体)与雷诺数六个区间的关系示意图；
图3-1为塔筒产生顺风向振动和横风向振动的示意图；
图3-2为塔筒产生顺风向振动和另一侧横风向振动的示意图；
图4为本发明所提供风力发电机组的塔筒结构第一实施例的示意图；
图5为图4中塔筒的横截面示意图；
图6为图5中塔筒横截面的外轮廓示意图；
图7为水滴Dr自由下落的示意图；
图8为上风向来流在绕流滴状塔筒时的过程示意图；
图9为圆形塔筒的横截面示意图；
图10为圆形塔筒阻力系数和雷诺数的曲线图；
图11为第一实施例中滴状塔筒阻力系数和雷诺数的曲线图；
图12为对滴状塔筒进行风洞试验，以获得表面换热系数变化情况的示意图；
图13为从滴状塔筒的头部前驻点至尾部后驻点的努谢尔数(Nu)的变化示意图；
图14为水上浮动式塔筒结构自动对准风向的示意图；
图15为滴状截面塔筒，且横截面大小保持不变的塔筒示意图；
图16为图6中滴状横截面外轮廓的一种变形示意图；
图17为图6中滴状横截面外轮廓的另一种变形示意图；
图18为本发明所提供风力发电机组的塔筒结构第二实施例的示意图；
图19为设置气动外形调整部处的塔筒结构的横截面示意图；
图20为气动外形调整部的横截面示意图；
图21为图19中气动外形调整部逆时针转动90度时的示意图；
图22为在图18中的塔筒上设置圆形支撑的示意图；
图23为在图18中的塔筒上设置回转支撑的示意图；
图24为在气动外形调整部设置绊线的示意图；
图25为设置两组气动外形调整部的示意图。
图1-1～图3-2中附图标记说明如下：
10塔筒、11第一塔筒段、12第二塔筒段、13第三塔筒段、14第四塔筒段、15第五塔筒段、10a螺旋线、20风轮机、30机舱、40电力传输电缆、50电缆挡圈固定板、60马鞍面支架、70变流柜、80塔架门、90地基基础；
图4-25中附图标记说明如下：
100塔筒、200地基基础、300气动外形调整部、301通孔、302凸起绊线、400机舱、500叶片；
10a头部、10b尾部、10c腰部；
L树叶、Dr水滴；
100”圆形塔筒、100’塔筒模型、10’温度传感器；
601驱动传动轴、602接收部、603激光对中装置、604驱动部、605回转支撑、605a延伸部、606环形支撑；
701吹气装置、702抽吸装置。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
下面实施例中，围护结构具体是以风力发电机组的塔筒结构为例进行示范性说明。
实施例1
请参考图4，图4为本发明所提供风力发电机组的塔筒结构第一实施例的示意图，示出承载塔筒结构的塔筒基础200；图5为图4中塔筒100的横截面示意图；图6为图5中塔筒100横截面的外轮廓示意图。
该实施例中，塔筒结构包括筒形的塔筒100，且塔筒100自身的横截面的外轮廓呈滴状，文中所述的滴状的外轮廓，具体包括头部10a、尾部10b，以及位于两侧以连接头部10a和尾部10b的两条腰部10c；头部10a和尾部10b为半圆弧，且头部10a的直径大于尾部10b的直径。
具体可参考图6理解，塔筒100横截面外轮廓的头部10a和尾部10b均为半圆弧，且头部10a半圆弧对应的直径为D，尾部10b半圆弧对应的直径为d，当上风向来流正对头部10a时，头部10a前驻点至尾部10b后驻点的距离为H(头部10a和尾部10b之间最长的距离)，即长轴距离，头部10a和尾部10b的圆心距为C。
请继续参考图7，图7为水滴Dr自由下落的示意图，示意水滴Dr从离开树叶L至完全滴落而脱离树叶L的过程。如图7所示，水滴Dr位于树叶L上，滴落至尚未脱离树叶L时，水滴Dr的上部会形成尖端，完全脱离而以加速度g下落时，形态如图7的最下方所示水滴形态，该形态即本文所述的滴状(其他液体在下落时也会呈该滴状形态)，其上部为半圆弧，定义为本文所述的尾部10b，下部在滴落时属于迎流面，可定义为本文所述的头部10a。
本实施例正是受到图7中自然下落的水滴Dr形态的启发，将塔筒100自身的横截面的外轮廓，设计为与自然下落的水滴相同，以形成与水滴Dr相同的气动外形，塔筒100在流场中，使其头部10a朝向上风向来流。
请继续参考图8，图8为上风向来流在绕流滴状塔筒100时的过程示意图。
图8中，位于塔筒100横截面头部10a位置的为风力发电机组的叶轮机叶片500的横截面，上风向来流朝向塔筒100滴状的头部10a时，气流经塔筒100横截面的头部10a前驻点，然后逐渐向塔筒100两侧流动，经过头部10a之后流动向腰部10c的位置一段距离到达图8中所示A区域时，边界层即开始出现分离。这里，滴状横截面的头部10a的直径大于尾部10b的直径，所以自头部10a向尾部10b的方向，两侧的腰部10c呈逐渐内收的趋势，此时，基于该内收趋势，从A区域继续往后时，在B区域位置，气流的湍流剪切层会裹吸分离区的气流，则剪切层气流会再次附着在腰部10c，继续往下游在C区域还会经历分离后再附着，气流在经过腰部10c至尾部10b的过程中，可能会进行多次的分离和再附着，并在半圆弧的尾部10b处形成较窄的尾流。图8中A、B、C区域时一侧腰部的区域，气流经过时具有上述的分离、再附着的过程，气流经另一侧腰部也具有同样的过程，D区域和B、C区域类似，气流分离后再附着。
此阶段中，边界层分离后再附着，这样使得滴状外表面始终有气流附着，产生压力，而从头部10a之后，逐渐收窄至尾部10b，故产生的压力存在逆风向的分力，与头部10a受到的压力相抵，降低前驻点和后驻点位置的压差，从而降低绕流阻力，降低顺风向的振动。于此同时，边界层分离后再附着，显然可减少边界层分离后形成的漩涡脱落，而且，由于腰部10c的拉长，两侧也难以形成漩涡的交替脱落，从而减少涡激振动成因，减小横风向振动。
结合上述原理，下面将根据图5所示滴状塔筒100与现有的圆形截面的塔筒100进行对比。
如图9-10所示，图9为圆形塔筒100”的横截面示意图，上风向来流自左向右吹向圆形塔筒100”；图10为圆形塔筒100”阻力系数和雷诺数的曲线图。
从图10可看出，在雷诺数Re达到106之前，阻力系数C可达1.0，甚至大于1.0，而雷诺数Re达到106以上时，阻力系数Cf才降到0.4左右。
请参考图11，图11为第一实施例中滴状塔筒100阻力系数和雷诺数的曲线图。
从图11下方的曲线可看出，滴状塔筒100(指横截面呈滴状)，阻力系数最大时略大于0.2，在雷诺数Re大于105之后，阻力系数Cf均处于0.2以下，相较于图9所示的圆形塔筒100”阻力系数Cf，显然，阻力系数Cf大幅降低。这样，上风向来流绕流塔筒100时，绕流阻力大幅度降低，结构稳定性得到保障，上风向来流的绕流速度得以提高。
对于风力发电机组而言，使得的风力发电机组的风轮机风能利用系数提高，叶轮轮周转矩提高，三个叶片500转矩脉动降低，从而降低变桨轴承弯矩载荷作用，保护变桨轴承，抑制顺风向振动，改善塔筒结构安装和作业受到风速限制的问题，提高塔筒结构的安全系数。另外，鉴于绕流速度的提高，塔影效应的副作用也得到抑制。
当然，上述阻力系数Cf大幅降低是依赖于塔筒100的滴状横截面的头部10a朝向上风向来流，图11中，α表示滴状塔筒100横截面的长轴轴线与上风向来流之间的夹角，长轴轴线即头部10a和尾部10b圆心的连线。夹角α为零度，即滴状的头部10a恰好朝向上风向来流。如图11上方的曲线所示，当α大于零，比如α为10度时，阻力系数Cf会比较大。
请继续参考图12，图12为对滴状塔筒100进行风洞试验，以获得表面换热系数变化情况的示意图。
如图12所示，建立风洞，在风洞处置放上述提到的滴状横截面的塔筒模型100’，塔筒模型100’的筒壁内部埋设有温度传感器10’，温度传感器10’埋设于塔筒模型100’筒壁外表面的下方，即靠近筒壁的外表面，从而感知筒壁外表面的温度变化，并继而反馈出筒壁外表面的表面换热系数变化。
请继续参考图13，图13为从滴状塔筒100的头部10a前驻点至尾部10b后驻点的努谢尔数(Nu)的变化示意图。
Nu为努谢尔数，可反应表面换热系数的大小，S是滴状塔筒100迎流面的前驻点开始作为横坐标原点，顺时针或逆时针沿着塔筒100外表面顺流而下至后驻点的总长度，其中，从前驻点至中途任意表面位置时对应的横坐标记为符号X。从图13可看出，该滴状的塔筒100的整体换热系数相对较大，其中，头部10a和尾部10b的表面换热系数更大，中部的表面换热系数相对小一些。结合上述分析，由于滴状的设计，在头部10a和尾部10b将直接对流换热，而气流在腰部10c向尾部10b流动过程中，边界层不断脱离再附着，实际上也是进一步强化对流换热速率的过程，所以总体来说，表面换热系数比较大。
为了保证较好的减阻、强化换热，滴状截面的长轴距离H(滴状截面迎流面前驻点与尾流后驻点之间的间距)与头部10a圆弧的直径D之比为2以上，即H/D的比值大于2，而D/d比值最好大于3，H/D、D/d取较大值时，减阻效果更佳，换热速率也更高。
因此，该滴状结构形式的塔筒100在降低气流的流动阻力的前提下，还具有与自然环境强化换热的效果，具有双重作用。应知，塔筒100的内部往往具有多个产热元件，产热元件的散热一直是困扰本领域技术人员的难题，当设计的塔筒100的筒壁自身具有强化换热功能后，将有利于塔筒100内部产热元件的散热，改善塔筒100内部环境，增强保障塔筒100内部产热元件的正常运转和效率。
该实施例还提供包括上述塔筒结构的风力发电机组，风力发电机组还包括塔筒结构和位于塔筒结构顶部的机舱400，以及支撑基础，支撑基础为支撑所述塔筒结构的塔筒基础200，塔筒基础200可以是地基基础或者水上基础，水上基础包括海上基础或者其他水域设置的基础。
此时，针对上述实施例，还可进一步设置第一偏航机构，第一偏航机构可驱动塔筒100随上风向来流相对塔筒基础200转动，以使塔筒100的滴状头部10a始终朝向上风向来流。据上述图10分析，滴状横截面的塔筒100在降低流阻时，要求其头部10a最好是朝向上风向来流，所以一旦风向转变，可由第一偏航机构驱动塔筒100随之转动，从而保障滴状塔筒100的降阻功能始终得以发挥。第一偏航机构可以是回转机构，例如，塔筒100和塔筒基础200之间设置回转机构，此种方式更适用于塔筒基础200为地基基础的情形。
请继续参考图14，图14为水上浮动式塔筒结构自动对准风向的示意图。
从图14可看出，当塔筒100设于水上(海水或者其他水域)，塔筒基础200是水上浮动式基础，则塔筒100可以在风力作用下自动转向，以最左侧的塔筒100为基准，由于腰部10c较长，当上风向来流自上向下时，作用于头部10a的力矩为大于作用于尾部10b的力矩，则塔筒100会顺时针转动，当上风向来流是自上向下且偏右(中间塔筒100横截面中轴线所对应的虚线方向)，塔筒100顺时针转动至中图14中间位置的塔筒100位置，以使头部10a自动对准风向。显然，当风向是最右侧塔筒100横截面中轴线所对应的虚线方向时，塔筒100为逆时针转动至左右侧的位置，实现自动对准风向。
当然，塔筒100设于地基基础时，理论上，也可以自动对准，但塔筒100内部设有较多设备，置于地基基础上，转动阻力较大，水上浮动式的塔筒100更易于实现风向的自动对准。
需要说明的是，对于一些地理区域(比如中国新疆达坂城风区局部峡谷区域)，风力发电机组能够利用的季节风往往并不改变风向，或者风向改变非常小，处于小范围区间，则可以不设置第一偏航机构，而是在安装风机时，即将滴状的塔筒100的头部10a正对上风向来流(风向可根据当地的风资源数据确定或者进行实地风向测量)，后续可不做调整。
需要说明的是，图4中，滴状横截面的塔筒100，由上至下，横截面面积逐渐增加，这样有利于整个塔筒100的稳定性。但可知，横截面保持不变也可行。请参考图15，图15为滴状截面塔筒100，且横截面大小保持不变的塔筒100示意图。
需要说明的是，上述实施例中，将塔筒100整体的横截面均设为滴状，可以理解，塔筒100从振动上分析，通常其上部(塔筒100高度1/2以上)的振动抑制需求更为明显，所以也可以仅将塔筒100的上部设置为滴状横截面。
另外，请继续参考图16和图17，图16为图6中滴状横截面外轮廓的一种变形示意图；图17为图6中滴状横截面外轮廓的另一种变形示意图。
图6中，连接头部10a和尾部10b的腰部10c为直线段，图16中，连接头部10a和尾部10b的腰部10c为弧形段，图17中，连接头部10a和尾部10b的腰部10c为椭圆段，为了更好地顺滑过渡，弧形段和椭圆段都是略微外凸。从图11的气流流动过程示意可知，图6中设置的直线段腰部10c更有利于气流向后流动、分离和再附着，为优选的方案。而图16所示的弧形段和图17所示的椭圆段，可保持基本的水滴形状，起到引导气流向后流动的基本功能，也可以实现减阻、强化换热的功能。可以理解，腰部10c除了直线段、椭圆段、弧形段之外，也可以是其他相对平滑的曲线段，只要保持基本的滴状形态，引导气流向尾部10b流动。
为了增加滴状塔筒100的强度，可以在滴状塔筒100内部设置连接两侧腰部10c的加强横梁。
实施例2
请参考图18，图18为本发明所提供风力发电机组的塔筒结构第二实施例的示意图；图19为设置气动外形调整部300处的塔筒结构的横截面示意图；图20为气动外形调整部300的横截面示意图。
该实施例中，塔筒结构包括筒形的塔筒100和气动外形调整部300，气动外形调整部300自塔筒100的侧面卡合塔筒100的一半，塔筒100即为塔筒结构的本体，塔筒100的横截面具体为圆形。塔筒100和气动外形调整部300配合后，也形成实施例1中所述的呈滴状横截面的塔筒结构，当然，是设置有气动外形调整部300位置处的塔筒结构横截面，当塔筒100整个高度区间均配设有气动外形调整部300时，整个塔筒结构的横截面都呈滴状。与实施例1原理一致，塔筒结构上部振动抑制需求更为明显，所以可只在塔筒100上部配设气动外形调整部300，图18中，在叶片500最低点以上设置有气动外形调整部300。显然，气动外形部设置的高度范围区间并不受限制。
请继续参考图19，气动外形调整部300横截面外轮廓的两侧形成滴状横截面的两条腰部10c，与卡合方向相反的一端(图18、19所示的右端)形成滴状的尾部10b；而塔筒100未被卡合的另一半的横截面外轮廓则形成所述头部10a，如图19所示的塔筒100的左半圆形成滴状横截面的头部10a。
即，实施例2与实施例1的原理相同，都是形成具有滴状横截面的塔筒结构，只是实施例1中，滴状的横截面直接由塔筒100自身形成，而实施例2中，则是塔筒100依然是现有的圆形塔筒100，滴状横截面由塔筒100和卡合的气动外形调整部300共同形成。可以理解，此时的气动外形调整部300与塔筒100卡合接触的位置可以具有弧形的内壁，以便增加接触面积的同时与塔筒100接触卡合后形成平滑的外部轮廓。这种塔筒结构，对目前的塔筒100自身结构不需要改动，只需加设气动外形调整部300即可，应用范围较广。
具体如图20所示，气动外形调整部300为具有开口的卡夹结构，以卡合上述塔筒100，这样的气动外形调整部300具有更轻的质量，气动外形调整部300可以是由薄钢板或者玻璃钢等轻质材质制成。可以理解，气动外形调整部300为实心，或者气动外形调整部300为封闭式机构，即图20中左侧开口封住，也是可以的。
与实施例1相同，该实施例也可以设置偏航机构，定义为第二偏航机构，由第二偏航机构驱动气动外形调整部300随上风向来流转动，以使滴状横截面的头部10a始终朝向上风向来流。可以理解，气动外形调整部300转动时，塔筒100外露而未被卡合的另一半会不断变动，产生塔筒100的滴状头部10a在随风向转动的效果，但实际上由塔筒100一半形成的头部10a并未发生转动。
结合图19和图21理解，图21为图19中气动外形调整部300逆时针转动90度时的示意图。图19中，塔筒100的左半部分形成滴状横截面的头部10a，图21中，塔筒100下半部分形成滴状横截面的头部10a。虽然未继续图示，但还可以知悉，在图21的基础上，气动外形调整部300逆时针转动90度后，塔筒100的右半部分形成滴状横截面的头部10a，再逆时针转动90度，塔筒100上半部分形成滴状横截面的头部10a，以此类推，实际上，气动外形调整部300的角度调整不限于90度调整，可进行任意角度调整，适应风向，与气动外形调整部300相对的塔筒100另一半即形成滴状横截面的头部10a。
如图18所示，对于风力发电机组，其还包括位于塔筒结构顶部的机舱400，机舱400内会设置偏航系统，以驱动叶轮的叶片500适应风向变化，此时，可以利用机舱400内的偏航系统实现气动外形调整部300随风向的转动。
如图18所示，第二偏航机构包括驱动传动轴601和驱动部604，驱动部604即机舱400内叶轮偏航系统的驱动部604，驱动传动轴601连接到机舱400内，由驱动部604带动驱动传动轴601转动，驱动传动轴601连接气动外形调整部300，从而带动气动外形调整部300沿塔筒100的中心轴线转动。驱动传动轴601可以连接到气动外形调整部300的质心部位，以更好地驱动气动外形调整部300的转动。对于卡夹式的气动外形调整部300，其质心并非处于气动外形调整部300的中部，中部可以设置为非空心，设置出骨架，从而将驱动传动轴601连接到骨架上，实现固定，便于驱动传动轴601的连接。
可以理解，专门设置气动外形调整部300的第二偏航机构也是可以的，此时的驱动部604可以设于机舱400或者塔筒100上。
请继续参考图19，气动外形调整部300与塔筒100卡合的同时，要求气动外形调整部300能够相对塔筒100转动，即气动外形调整部300与塔筒100并非固定连接。本实施例中，采取的是将气动外形调整部300与塔筒100进行磁性吸附的接触方式，如图19中所示的A区域为磁吸吸附的接触区域。
由上述描述可知，气动外形调整部300只是为了形成滴状的横截面，其采用相对轻质的材料制成即可，所以磁吸吸附的方式既可以满足气动外形调整部300的基本定位功能，也可以在需要转向时，由第二偏航机构驱动气动外形调整部300克服与塔筒100的摩擦力而实现转动。
上述磁性吸附的方式，可以是塔筒100和气动外形调整部300，一者设有磁铁，另一者设有可被吸附的磁性材料(也可以是磁铁)，即至少一者设有磁铁。当然，为了更好地控制，上述的磁性吸附方式可以是电磁控制。即在塔筒100或气动外形调整部300上设置电磁部件，通电后产生磁性，从而吸附紧固塔筒100和气动外形调整部300。需要转向时，断电，则塔筒100和气动外形调整部300之间的磁性消失，不需要克服摩擦力也可以进行转动操作。
如此设置，气动外形调整部300的转动更易于控制，不转向时，吸附力可以设置为较大，确保气动外形调整部300位置的稳定性。当然，由于转动时失去磁性吸附，可依靠第二偏航机构的驱动传动轴601保障气动外形调整部300处于预定的高度。
请参考图22，图22为在图18中的塔筒100上设置圆形支撑606的示意图。
针对该实施例中的各方案，可以在塔筒100上设置环形支撑606，环形支撑606可以是与塔筒100外周匹配的圆形。环形支撑606具体可以是设于塔筒100的法兰，应知，塔筒100一般由多段塔筒段沿高度方向依次叠置串联形成，相邻塔筒段之间采用法兰连接，法兰采用内法兰或外法兰，这里的环形支撑606可以是外法兰，外法兰突出于塔筒100的外表面，可以作为支撑使用。环形支撑606也可以是专门设置并固定于塔筒100外周的部件，或者是固定于外法兰的部件。
总之，环形支撑606突出于塔筒100外表面，由于气动外形调整部300与塔筒100筒壁平滑接触，所以气动外形调整部300必然有一部分可支撑于环形轨道606的上表面，当气动外形调整部300是图19所示的卡夹式结构时，支撑的部分是与塔筒100接触贴合的部位，当图19所示的卡夹式结构开口被封闭式，则该封闭的部分也可以被支撑。即设置环形支撑606，可以进一步保证气动外形调整部300位置的可靠性。进一步地，气动外形调整部300的底部或者环形支撑606的上表面，可一者设置轨道，另一者设置沿轨道滚动的滚轮，此时环形支撑606也是圆形滚道，支撑的同时，有利于减小气动外形调整部300转动的阻力。
还可参考图23，图23为在图18中的塔筒100上设置回转支撑605的示意图。
针对该实施例中的各方案，第二偏航机构可包括回转支撑605，回转支撑605的内圈环绕固定于塔筒100的外周，气动外形调整部300支撑固定于回转支撑605的外圈。即，回转机构既实现驱动气动外形调整部300的功能，又起到带动气动外形调整部300转动的作用。
如图23所示，回转支撑605的外圈可以设置延伸部605a，延伸部605a与外圈的一半形成滴状，与气动外形调整部300的外形基本相同，此时，气动外形部的整体支撑于外圈和延伸部605a，支撑更为可靠，且在转动过程中，延伸部605a和外圈同步转动，始终支撑气动外形调整部300，非常可靠。
请参考图24，图24为在气动外形调整部300设置绊线的示意图。
如图24所示，气动外形调整部300的外表面设有凸起绊线302，可以激发气流沿气动外形调整部300形成表面脉动，并且是周期性激发脉动。该脉动驱动力可以促使边界层提前转捩(层流流态向紊流流态边界层的转变)，形成湍流，具备更高动量抑制逆压梯度下绕流脱体的回流现象发生，进一步抑制或阻止边界层分离气动外形调整部300的外表面，抑制绕流脱体引起的横风向的涡激振动。
请参考图25，图25为设置两组气动外形调整部300的示意图。
在塔筒100的高度方向上，可以分布两个或两个以上的气动外形调整部300。此时，塔筒结构包括分别驱动各所述气动外形调整部300转动的第二偏航机构。即，每个气动外形调整部300可以单独被驱动转动。这样，根据实际的振动抑制需求，选择驱动对应的气动外形调整部300随风向转动以抑制振动。比如，当下部振动抑制需求较弱时，可以不驱动下部的气动外形调整部300，以达到节能的目的。
更为重要的是，对于某些地理区域，例如高山区域的塔筒100，在塔筒100高度范围内，风向并不一致，此时，可以根据不同段落高度的风向变化，驱动对应高度的气动外形调整部300，转动至其头部10a朝向对应段落的风向的位置，从而实现针对性的分段控制，以更有效地发挥降阻和强化换热的功能。
上述分布多个气动外形调整部300，是便于根据不同段落的调节需求进行分段控制。另外，气动外形调整部300高度较高，体积较大时可能涉及到安装问题，所以基于便于安装的角度，以及根据不同高度塔筒100设置不同高度的气动外形调整部300的要求，也可以设置多个气动外形调整部300。此时，气动外形调整部300也不一定需要分段控制转向，可以统一控制。
如图25所示，该图中，上下相邻的气动外形调整部300，至少一者设有接收部602，另一者设有激光对中装置603；激光对中装置603发射的激光能够达到相邻气动外形调整部300的接收部602时，则与相邻气动外形调整部300对中。此时，只需要根据风向控制相邻气动外形调整部300中的一个转动，其他气动外形调整部300根据激光发射装置进行对中控制即可。
可以设置角度传感器，检测各段的气动外形调整部300转动的角度，以辅助监控各气动外形调整部300是否转动到各自所需的位置。
还可设置检测装置，用于检测气动外形调整部300是否脱离塔筒100。比如，设置距离检测器，检测气动外形调整部300的尾端或者其他任意位置与塔筒100的间距，正常转动时，该间距不会发生变化，一旦发生变化，表明气动外形调整部300发生了偏离、偏转，此时可进行调整，以确保气动外形调整部300能够与塔筒100配合形成滴状的结构。
请继续参考图19、24、25，上述实施例中，气动外形调整部300的一侧或两侧(侧面横截面形成上述的腰部10c)可设有贯通内外的通孔301，以自内向外地向其尾端(横截面形成上述的尾部10b)吹气，或自外向内地抽吸，如图19所示的吹气装置701、抽吸装置702，分别实现吹气和抽吸功能。
如图19示，自内向外地向气动外形调整部300的尾端吹气时，可将附着的气流向后吹动，可增加气流动量，对抗、削弱尾流的逆压梯度，减少气流产生漩涡并脱落，从而抑制横风向的涡激振动。
自外向内的抽吸，则可以对气动外形调整部300外表面的气流进行吸附，使得边界层能够“吸附”在气动外形调整部300外表面，从而抑制或直接阻止边界层分离气动外形调整部300的外表面，也就减小或消除了横风向涡激振动的成因，达到抑制横风向的涡激振动的目的。
此外，气动外形调整部300的尾端也可以设有通孔301，以自外向内地抽吸，作用与上述腰部10c向内抽吸的目的相同，即减少边界层的剥离，增加对塔筒100的压力，减少前驻点和后驻点之间的压差，减小顺风向阻力等，不再赘述。
实施例2与实施例1基本原理相同，滴状横截面的形状设计相同，可以是图6、图16，或图17等的横截面形状。根据地域因素，风向不变的情况下，气动外形调整部300也可以不作转动调整。
需要说明的是，以上实施例中描述的是风力发电机组的塔筒结构，可知，类似的围护结构均可以作如上设置，形成滴状的横截面，可以是围护结构的围护本体自身形成滴状，或加设上述的气动外形调整部300形成滴状。比如，围护结构可以是电视塔的塔身结构、测风塔的塔身结构等，不再赘述。另外，只要求围护结构至少上部横截面的外轮廓为滴状，因为围护结构的外表面是气流流动的气动外形，表现在横截面上即外轮廓，所以只限定外轮廓呈滴状，围护结构的厚度或者围护结构内表面的形状，这里不作限制。
以上仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (24)

1.围护结构，其特征在于，至少所述围护结构上部的横截面的外轮廓呈滴状，滴状的所述外轮廓包括头部(10a)、尾部(10b)，以及位于两侧以连接所述头部(10a)和尾部(10b)的两条腰部(10c)；所述头部(10a)和所述尾部(10b)为半圆弧，所述头部(10a)的直径大于所述尾部(10b)的直径。
2.如权利要求1所述围护结构，其特征在于，所述围护结构包括筒形的围护本体，所述围护本体自身的横截面外轮廓呈所述滴状。
3.如权利要求2所述围护结构，其特征在于，还包括第一偏航机构，所述第一偏航机构驱动所述围护本体相对所述围护本体的支撑基础转动，使所述围护本体的所述头部(10a)始终朝向所述上风向来流。
4.如权利要求1所述的围护结构，其特征在于，所述围护结构包括筒形的围护本体和气动外形调整部(300)，所述气动外形调整部(300)自所述围护本体的侧面卡合所述围护本体的一半；
所述气动外形调整部(300)横截面外轮廓的两侧形成两条所述腰部(10c)，与卡合方向相反的一端形成所述尾部(10b)；所述围护本体未被卡合的另一半的横截面外轮廓形成所述头部(10a)。
5.如权利要求4所述的围护结构，其特征在于，所述气动外形调整部(300)为具有开口的卡夹结构，以卡合所述围护本体。
6.如权利要求5所述的围护结构，其特征在于，所述气动外形调整部(300)的开口端与所述围护本体磁性吸附。
7.如权利要求4所述的围护结构，其特征在于，还包括第二偏航机构，所述第二偏航机构驱动所述气动外形调整部(300)相对所述围护本体转动，使所述头部(10a)始终朝向所述上风向来流。
8.如权利要求7所述的围护结构，其特征在于，还包括环绕所述围护本体外周的环形支撑(606)，所述气动外形调整部(300)至少部分支撑于所述环形支撑(606)。
9.如权利要求8所述的围护结构，其特征在于，所述围护本体为风力发电机组的塔筒(100)，所述塔筒(100)由多段塔筒段串联叠置形成，相邻所述塔筒段之间通过法兰连接；所述环形支撑(606)为所述法兰突出所述塔筒(100)外表面的部分。
10.如权利要求7所述的围护结构，其特征在于，所述第二偏航机构包括回转支撑(605)，所述回转支撑(605)的内圈环绕固定于所述围护本体，所述气动外形调整部(300)支撑于所述回转支撑(605)的外圈。
11.如权利要求10所述的围护结构，其特征在于，所述回转支撑(605)还包括延伸部(605a)，所述延伸部(605a)与所述外圈固定或一体成型，所述延伸部与所述气动外形调整部(300)的腰部(10c)、尾部(10b)形状匹配，以支撑所述气动外形调整部(300)。
12.如权利要求7所述的围护结构，其特征在于，在所述围护本体的高度方向上，分布两个或两个以上的所述气动外形调整部(300)；所述围护结构包括分别驱动各所述气动外形调整部(300)转动的所述第二偏航机构。
13.如权利要求12所述的围护结构，其特征在于，上下相邻的所述气动外形调整部(300)，至少一者设有接收部(602)，另一者设有激光对中装置(603)；所述激光对中装置(603)发射的激光能够达到相邻所述气动外形调整部(300)的接收部(602)时，与相邻所述气动外形调整部(300)对中。
14.如权利要求4所述的围护结构，其特征在于，所述气动外形调整部(300)的一侧或两侧设有贯通内外的通孔(301)，以自内向外地向其尾端吹气，或自外向内地抽吸。
15.如权利要求4所述的围护结构，其特征在于，所述气动外形调整部(300)的尾端设有通孔(301)，以自外向内地抽吸。
16.如权利要求4所述的围护结构，其特征在于，所述气动外形调整部(300)的外表面设有多个沿气流流动方向分布的凸起绊线(302)。
17.如权利要求4所述的围护结构，其特征在于，所述围护结构还包括检测装置，所述检测装置监测所述气动外形调整部(300)是否脱离所述围护本体。
18.如权利要求1所述的围护结构，其特征在于，滴状外轮廓的长轴距离H，和所述头部(10a)的直径D以及所述尾部(10b)的直径d，满足下述条件：
H/D的比值大于2，D/d的比值大于3。
19.如权利要求1-18任一项所述的围护结构，其特征在于，所述围护结构为风力发电机组的塔筒结构，或电视塔的塔身结构，或测风塔的塔身结构。
20.如权利要求7所述的围护结构，其特征在于，所述围护结构为风力发电机组的塔筒结构，所述第二偏航机构包括驱动部(604)和驱动传动轴(601)，所述驱动传动轴(601)连接所述气动外形调整部(300)，所述驱动部(604)为所述发力风电机组机舱内的偏航系统的驱动部。
21.塔筒结构，其特征在于，至少所述塔筒结构上部的横截面的外轮廓呈滴状，滴状的所述外轮廓包括头部(10a)、尾部(10b)，以及位于两侧以连接所述头部(10a)和尾部(10b)的两条腰部(10c)；所述头部(10a)和所述尾部(10b)为半圆弧，所述头部(10a)的直径大于所述尾部(10b)的直径。
22.如权利要求21所述塔筒结构，其特征在于，所述塔筒结构包括筒形的塔筒(100)，所述塔筒(100)自身的横截面外轮廓呈所述滴状。
23.如权利要求21所述的塔筒结构，其特征在于，所述围护结构包括筒形的塔筒(100)和气动外形调整部(300)，所述气动外形调整部(300)自所述塔筒(100)的侧面卡合所述塔筒(100)的一半；
所述气动外形调整部(300)横截面外轮廓的两侧形成两条所述腰部(10c)，与卡合方向相反的一端形成所述尾部(10b)；所述塔筒(100)未被卡合的另一半的横截面外轮廓形成所述头部(10a)。
24.风力发电机组，包括塔筒结构，其特征在于，所述塔筒结构为权利要求21-23任一项所述的塔筒结构。
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