CN110735767B - 一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置 - Google Patents

Abstract

一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，旨在解决现有技术中当风力发电机组处于停机状态时，柔性塔架结构易受涡激振动危害，以及现有的用于抑制涡激振动的扰流装置在风力发电机组正常工作时长期受风载疲劳损伤的技术问题。本发明包括与地面固定连接的基础，基础上安装有塔架，塔架远离地面的一端安装有机舱，机舱上装有用以安装叶片的轮毂，塔架的外表面上装有呈螺旋状分布的扰流装置，扰流装置的扰流板与塔架外表面之间的夹角可通过驱动构件进行调节。本发明具有如下有益效果：（1）扰流装置有效抑制涡激振动；（2）处于闭合状态的扰流装置不会影响机组运行和发电，在降低扰流装置受风载疲劳损伤的同时解决了塔架外载、噪音问题。

Description

一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置。

背景技术

随着我国风电开发的重心逐步向南方低风速地区转移，为了获得更好的风资源，开发更高塔架的风力发电机组逐渐成为行业热点；柔性塔架是高塔机组的主要解决方案，相比传动刚性塔架，柔性塔架具有结构刚性小、结构固有频率低的特性。但是，对于目前主流的圆筒形或圆锥形塔架而言，当机组处于停机状态时，对塔架危害最大的风致振动为涡激振动，具体的，当空气流经截面呈圆形的塔架时，会在物体后面形成不对称交叉排列的层流涡街，这种交替发放的旋涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力，由于柔性塔架允许发生弾性変形，脉动流体力将引发塔筒的周期性振动，这种规律性的柱振动反过来又会改变其尾流的旋涡发放形态，假若塔筒的自振频率与漩涡的发放频率相接近，就会使塔筒因共振而破坏。现有技术中消除风力发电机组柔性塔架结构涡激振动的相关措施主要有两种，一是对于塔筒进行刚性加固，或者增大尺度提高其刚度，改变塔筒的自振频率，避免它与漩涡发放频率相接近；二是想办法改变塔筒的尾流场，破坏尾流场漩涡的规律性泄放，例如在结构上安装螺旋线立板和改变结构截面形状等。

申请号为CN201821114263.5的中国专利公开了一种可抑制涡激振动的风力发电塔筒扰流条，包括扰流条主体，所述扰流条主体环绕在风力发电塔筒的外壁上，所述扰流条主体包括第一涡流抑制片和第二涡流抑制片，且第一涡流抑制片的下端固定有第二尼龙绳，所述第二涡流抑制片的内部套接连接有连接杆，且连接杆的右端与金属夹片卡接连接，所述连接杆和金属夹片上都开设有通孔，且通孔与固定件的固定轴套接连接，所述金属夹片的右端焊接有金属圆环，且金属圆环之间通过弹簧扣固定连接。

上述专利通过加施在风力发电塔筒上的扰流条主体打乱来风的轨迹，使其不能形成频率稳定的漩涡，进而抑制涡激振动；但是，当发电机组正常运行和发电时，扰流条长期受风载疲劳损伤，一方面会造成扰流条使用寿命的大幅下降，另一方面会增加塔架外载、噪音等问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术中当风力发电机组处于停机状态时，柔性塔架结构易受涡激振动危害，以及现有的用于抑制涡激振动的扰流装置在风力发电机组正常工作时长期受风载疲劳损伤的技术问题，提供一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，所述扰流装置在塔架外表面呈螺旋状分布，通过打断稳定频率的漩涡形成以及破坏尾流场漩涡的规律性泄放来抑制涡激振动，当机组正常工作时，处于闭合状态的扰流装置不会影响机组的正常运行和发电，在降低扰流装置受风载疲劳损伤的同时解决了塔架外载、噪音等问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，包括与地面固定连接的基础，所述基础上安装有塔架，塔架远离地面的一端安装有机舱，机舱上装有用以安装叶片的轮毂，塔架的外表面上装有呈螺旋状分布的扰流装置，扰流装置的扰流板与塔架外表面之间的夹角可通过驱动构件进行调节。

基于轻量化和生产成本的需求，目前风力发电机组的塔架通常选用柔性塔架，当空气流经截面呈圆形的塔架时，会在物体后面形成不对称交叉排列的层流涡街，这种交替发放的旋涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力，由于柔性塔架允许发生弾性変形，脉动流体力将引发塔筒的周期性振动，这种规律性的柱振动反过来又会改变其尾流的旋涡发放形态，当塔筒的自振频率与漩涡的发放频率相近时，就会使塔筒因共振而破坏。本发明提供一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，其中，扰流装置在塔架的外表面上装有呈螺旋状分布，该螺旋状分布的扰流装置破坏尾流场漩涡的规律性泄放，进而抑制涡激振动，进一步的，扰流装置的扰流板与塔架外表面之间的夹角可通过驱动构件进行调节，当风力发电机组处于停机状态时，驱动构件驱动扰流板调节角度至与塔架的外周面垂直，扰流板有效破坏周期性脱落的涡旋，进一步的抑制涡激振动；当发电机组处于工作状态时，驱动构件驱动扰流板调节角度至与塔架的外周面贴合，此时扰流板一方面不会影响机组的正常运行和发电，另一方面避免了发电状态下扰流板长期受风载疲劳损伤、增加塔架外载、噪音等问题。

作为优选，扰流装置还包括扰流底板，呈弧形板状的扰流底板与塔架的外表面相贴合，扰流板在驱动构件带动下可与扰流底板远离塔架的端面完全贴合，扰流底板远离塔架的端面上成型有用以安装扰流板的第一安装部。

本发明中，扰流底板用以对扰流板进行固定，为尽可能减弱扰流底板对机组正常运行和发电的影响，呈弧形板状的扰流底板与塔架的外表面相贴合，当机组处于正常工作状态时，扰流板在驱动构件带动下可与扰流底板远离塔架的端面完全贴合，叶片扰动的气流在扰流装置所在位置几乎不会受到阻挡，从而最大程度上减弱了扰流装置对机组正常运行发电的影响。

作为优选，扰流底板远离塔架的端面上分别开设有用以容纳管道的管道槽和用以容纳顶杆的顶杆槽，管道槽的一端贯通扰流底板的侧平面，管道槽的另一端与顶杆槽贯通相连，顶杆槽靠近管道槽的一端设有用以安装顶杆的第二安装部，顶杆的侧壁通过管道与驱动构件相连。

本发明中，扰流板与塔架外周面之间的夹角通过顶杆进行调节，顶杆通过管道与驱动构件相连，当扰流装置工作时，驱动构件驱动顶杆升起进而支撑扰流板转动远离扰流底板，扰流装置对周期性脱落的涡旋的破坏强度取决于扰流板与塔架外周面之间的夹角，当该夹角为0°时，扰流装置对周期性脱落的涡旋的破坏强度最小，当该夹角为90°时，扰流装置对周期性脱落的涡旋的破坏强度最大；当扰流装置不工作时，驱动构件驱动顶杆下降进而拉动扰流板转动靠近扰流底板，当顶杆完全被纳入顶杆槽时，扰流板完全贴合扰流底板，扰流装置不会影响机组的正常运行发电。

作为优选，第一安装部的安装轴线与塔架的高度方向平行，扰流板与第一安装部转动相连，扰流板靠近扰流底板的凹弧面上设有第三安装部，顶杆远离第二安装部的一端与第三安装部转动相连。

当空气流经截面呈圆形的塔架时，会在物体后面形成不对称交叉排列的层流涡街，这是涡激振动的产生前提，故而扰流装置要破坏周期性脱落的涡旋，扰流板需要对空气沿塔架的周向流动进行阻挡，为实现这一要求，第一安装部的安装轴线与塔架的高度方向平行，进一步的，扰流板靠近扰流底板的凹弧面上设有第三安装部，顶杆远离第二安装部的一端与第三安装部转动相连。

作为优选，管道为气管或油管，与管道相连的驱动构件为空压机或液压泵。

顶杆通过气压或液压驱动，顶杆的运动过程稳定性较高；当顶杆收入顶杆槽中时，空压机或液压泵对顶杆进行锁紧，从而避免顶杆在机组的工作过程中打开。

作为优选，塔架自地面向上依次包括塔架Ⅰ、塔架Ⅱ、塔架Ⅲ、塔架Ⅳ和塔架Ⅴ，扰流装置固定安装在塔架Ⅲ，塔架Ⅳ和塔架Ⅴ外表面上。

靠近地表的位置，空气流动由于冷空气与热空气的交杂而呈现各向异性，当一股气体流经截面呈圆形的塔架并在后面形成不对称交叉排列的层流涡街时，这一层流涡街会被其它气流快速破坏，故而塔架靠近地表位置几乎不会产生涡激振动；远离地表的位置，空气流动由于冷空气的单一性而基本呈现各向同性，层流涡街基本不会被空气流破坏，故而该位置是扰流装置的主要工作位置。

作为优选，扰流装置包括第一螺旋带、第二螺旋带和第三螺旋带，每个螺旋带的螺距为3.6~5倍的塔架直径，扰流板与塔架的外表面垂直时的高度为0.1~0.12倍的塔架直径。

上述技术方案对螺旋状扰流装置的排布做了限定，根据高耸建筑风致振动设计理论，每个螺旋带的螺距为3.6~5倍的塔架直径，扰流板与塔架的外表面垂直时的高度为0.1~0.12倍的塔架直径。

作为优选，扰流底板可通过磁铁、焊接或射钉方式与塔架固定相连。

上述技术方案对扰流底板与塔架的固定方式做了限定，可以是磁性连接、焊接或通过射钉进行固定。

作为优选，扰流板和第三安装部可以由玻璃钢一体成型或铁片焊接制备。

上述技术方案对扰流板和第三安装部的制备材料做了限定，具体的，扰流板和第三安装部可以由玻璃钢一体成型或铁片焊接制备。

综上所述，本发明具有如下有益效果：（1）扰流装置在塔架外周面上呈螺旋状排布，该螺旋状分布的扰流装置破坏尾流场漩涡的规律性泄放，进而有效抑制涡激振动；（2）处于闭合状态的扰流装置不会影响机组的正常运行和发电，在降低扰流装置受风载疲劳损伤的同时解决了塔架外载、噪音等问题；（3）驱动构件驱动扰流板与塔架的外周面垂直时，扰流板有效破坏周期性脱落的涡旋，有效抑制涡激振动。

附图说明

图1是本发明整体的一个结构示意图。

图2是本发明整体的另一个结构示意图。

图3是本发明中扰流底板、扰流板、顶杆和管道的结构示意图。

图4是本发明中扰流底板和顶杆的结构示意图。

图5是本发明中扰流底板的结构示意图。

图6是本发明中扰流装置的结构示意图。

图中：

1、基础，2、塔架，21、塔架Ⅰ，22、塔架Ⅱ，23、塔架Ⅲ，24、塔架Ⅳ，25、塔架Ⅴ，3、机舱，4、叶片，5、轮毂，6、扰流装置，6a、第一螺旋带，6b、第二螺旋带，6c、第三螺旋带，61、扰流板，611、第三安装部，62、扰流底板，621、第一安装部，622、管道槽，623、顶杆槽，624、第二安装部，7、驱动构件，8、管道，9、顶杆。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

如图1至图6所示，一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，包括与地面固定连接的基础1，所述基础上安装有塔架2，塔架远离地面的一端安装有机舱3，机舱上装有用以安装叶片4的轮毂5，塔架的外表面上装有呈螺旋状分布的扰流装置6，扰流装置的扰流板61与塔架外表面之间的夹角可通过驱动构件7进行调节；扰流装置还包括扰流底板62，呈弧形板状的扰流底板与塔架的外表面相贴合，扰流板在驱动构件带动下可与扰流底板远离塔架的端面完全贴合，扰流底板远离塔架的端面上成型有用以安装扰流板的第一安装部621；扰流底板远离塔架的端面上分别开设有用以容纳管道8的管道槽622和用以容纳顶杆9的顶杆槽623，管道槽的一端贯通扰流底板的侧平面，管道槽的另一端与顶杆槽贯通相连，顶杆槽靠近管道槽的一端设有用以安装顶杆的第二安装部624，顶杆的侧壁通过管道与驱动构件相连；第一安装部的安装轴线与塔架的高度方向平行，扰流板与第一安装部转动相连，扰流板靠近扰流底板的凹弧面上设有第三安装部611，顶杆远离第二安装部的一端与第三安装部转动相连；管道为气管或油管，与管道相连的驱动构件为空压机或液压泵；塔架自地面向上依次包括塔架Ⅰ21、塔架Ⅱ22、塔架Ⅲ23、塔架Ⅳ24和塔架Ⅴ25，扰流装置固定安装在塔架Ⅲ，塔架Ⅳ和塔架Ⅴ外表面上；扰流装置包括第一螺旋带6a、第二螺旋带6b和第三螺旋带6c，每个螺旋带的螺距为3.6~5倍的塔架直径，扰流板与塔架的外表面垂直时的高度为0.1~0.12倍的塔架直径；扰流底板可通过磁铁、焊接或射钉方式与塔架固定相连；扰流板和第三安装部可以由玻璃钢一体成型或铁片焊接制备。

如图1和图2所示方向，机舱安装在塔架的顶端，轮毂与机舱的侧面相连，轮毂上连接有三个等夹角间隔的叶片，塔架自上而下依次为塔架Ⅴ、塔架Ⅳ、塔架Ⅲ、塔架Ⅱ和塔架Ⅰ，扰流装置呈螺旋状排布在塔架Ⅴ、塔架Ⅳ和塔架Ⅲ的外周面上，塔架Ⅰ通过基础与地面固定连接，基础为圆形固定板，塔架的截面呈圆形；扰流底板呈弧形板，弧形板的凹弧面可与塔架的外周面完全贴合，扰流底板远离塔架的端面上设有用以转动连接扰流板的第一安装部，第一安装部的轴线与塔架的高度方向一致，扰流底板远离塔架的端面上设有顶杆槽和管道槽，顶杆槽和管道槽形成L型结构，管道槽与第一安装部的轴线平行，顶杆槽与第一安装部的轴线空间垂直，扰流板靠近扰流底板的凹弧面上设有第三安装部，第三安装部位于扰流板靠近扰流底板的凹弧面的中心位置，顶杆远离第二安装部的一端与第三安装部通过转轴转动相连，顶杆的外周面上连接有管道，管道位于管道槽中，管道为气管或油管，与管道相连的驱动构件为空压机或液压泵。

Claims (9)

1.一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，包括与地面固定连接的基础，其特征在于，所述基础上安装有塔架，塔架远离地面的一端安装有机舱，机舱上装有用以安装叶片的轮毂，塔架的外表面上装有呈螺旋状分布的扰流装置，扰流装置的扰流板与塔架外表面之间的夹角可通过驱动构件进行调节，扰流装置还包括扰流底板，扰流底板远离塔架的端面上分别开设有用以容纳管道的管道槽和用以容纳顶杆的顶杆槽，顶杆通过管道与驱动构件相连，当扰流装置工作时，驱动构件驱动顶杆升起进而支撑扰流板远离扰流底板，当扰流装置不工作时，驱动构件驱动顶杆下降进而拉动扰流板靠近扰流底板，当顶杆被纳入顶杆槽时，扰流板贴合扰流底板。

2.根据权利要求1所述的一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，其特征在于，呈弧形板状的扰流底板与塔架的外表面相贴合，扰流板在驱动构件带动下可与扰流底板远离塔架的端面完全贴合，扰流底板远离塔架的端面上成型有用以安装扰流板的第一安装部。

3.根据权利要求2所述的一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，其特征在于，管道槽的一端贯通扰流底板的侧平面，管道槽的另一端与顶杆槽贯通相连，顶杆槽靠近管道槽的一端设有用以安装顶杆的第二安装部，顶杆的侧壁通过管道与驱动构件相连。

4.根据权利要求3所述的一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，其特征在于，第一安装部的安装轴线与塔架的高度方向平行，扰流板与第一安装部转动相连，扰流板靠近扰流底板的凹弧面上设有第三安装部，顶杆远离第二安装部的一端与第三安装部转动相连。

5.根据权利要求3所述的一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，其特征在于，管道为气管或油管，与管道相连的驱动构件为空压机或液压泵。

6.根据权利要求1或2所述的一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，其特征在于，塔架自地面向上依次包括塔架Ⅰ、塔架Ⅱ、塔架Ⅲ、塔架Ⅳ和塔架Ⅴ，扰流装置固定安装在塔架Ⅲ，塔架Ⅳ和塔架Ⅴ外表面上。

7.根据权利要求6所述的一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，其特征在于，扰流装置包括第一螺旋带、第二螺旋带和第三螺旋带，每个螺旋带的螺距为3.6~5倍的塔架直径，扰流板与塔架的外表面垂直时的高度为0.1~0.12倍的塔架直径。

8.根据权利要求2所述的一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，其特征在于，扰流底板可通过磁铁、焊接或射钉方式与塔架固定相连。

9.根据权利要求4所述的一种收缩式风力发电机组柔性塔架风致振动扰流装置，其特征在于，扰流板和第三安装部由玻璃钢一体成型或铁片焊接制备。

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