CN111043112A - 风电机组塔架减振降载用涡流发生器及风电机组、塔架 - Google Patents

风电机组塔架减振降载用涡流发生器及风电机组、塔架 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电机组塔架减振降载用涡流发生器及含有其的风电机组塔架、风电机组，其中涡流发生器布置在塔架外表面，涡流发生器有多组；每组涡流发生器包括一个或两个平板，平板均采用三角形结构，三角形的底边与塔架外表面连接，三角形的两个底角均小于30°；当为两个平板时，两个平板关于涡流发生器的中心轴线对称。其中，多组涡流发生器呈螺旋状分布于塔架的外表面上。本发明的涡流发生器，可适应各个风向，能有效抑制气流分离，从而可以有效改变塔架后方流场及相应的气动力，通过改变作用于塔架的气动力频率，从而避免塔架涡激振动的产生，真正从源头上实现塔架的减振降载。

Description

风电机组塔架减振降载用涡流发生器及风电机组、塔架
技术领域
本发明涉及风电技术领域，特别是涉及一种风电机组塔架减振降载用涡流发生器及含有其的风电机组塔架、风电机组。
背景技术
近年来，我国风电开发的重心逐渐向低风速地区转移，风电厂商们通过不断加长叶片来提高机组发电量。但是叶片不可能无限地增长，因为叶片的增长会使机组承受的载荷增加。因此，应摸索其它方法来提高低风速地区风电机组发电量，通过增加塔架高度来提高风电机组可利用小时数便是一个可行的途径。传统的塔架在100米以后，重量会随高度呈指数级增长，所以，柔性塔架应运而生。
与传统的塔架相比，柔性塔架的刚度相对较小，在同样的风况下，振动比较大，这对塔架自身、叶片及传动系统均会产生不利影响。适当地降低柔性塔架振幅对于提高风电机组安全性、延长疲劳寿命具有重要意义。因此，如何能更好地实现风电机组塔架的减振降载，成为当前业界急需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是更好地实现风电机组塔架的减振降载，以提高风电机组安全性、延长其疲劳寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种风电机组塔架减振降载用涡流发生器，所述涡流发生器布置在塔架外表面，涡流发生器有多组；每组涡流发生器包括一个或两个平板，平板均采用三角形结构，三角形的底边与塔架外表面连接，三角形的两个底角均小于30°；当为两个平板时，两个平板关于涡流发生器的中心轴线对称。
进一步，每个平板的底边与中心轴线的夹角均为15°-60°。
进一步地，多组涡流发生器呈螺旋状分布于塔架的外表面上；多组涡流发生器呈单螺旋或多螺旋状平均分布于塔架的外表面；在塔架垂直方向上，相邻的涡流发生器安装平面的间隔为100mm-1500mm，每一个安装平面内的涡流发生器相对于上一个安装平面内的、同一个螺旋内的涡流发生器，绕塔架轴线偏转了5°-90°。
进一步地，所述平板的最大高度为当地边界层厚度的0.2-0.8倍。
进一步地，所述平板为等腰三角形，且所述平板的顶角采用倒圆角处理。
进一步地，所述平板均垂直于塔架外表面；所述涡流发生器采用胶接的方式粘接于塔架外表面，且粘接时，根据塔架外表面对涡流发生器的底边进行适应性修形，使两者完全贴合。
进一步地，所述多组涡流发生器均安装在塔架的60％高度以上。
本发明还提供了一种具有减振降载功能的风电机组塔架，所述塔架上安装有上述涡流发生器。
进一步地，所述塔架为柔性塔架。
本发明还提供了一种安全性高、疲劳寿命长的风电机组，所述风电机组包括上述的风电机组塔架。
通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明的涡流发生器，其平板采用底角均小于30°的三角形，可适应各个风向，能有效抑制气流分离，从而可以有效改变塔架后方流场及相应的气动力，通过改变作用于塔架的气动力频率，从而避免塔架涡激振动的产生，真正从源头上实现塔架的减振降载。
2、涡流发生器以螺旋形分布在风电机组塔架上，使得涡流发生器在塔架各个位置以及不同来流方向上都能够发挥作用。
3、倒圆角使得气流能够平滑地流过涡流发生器，减小形状阻力。
4、本发明的涡流发生器实施简单、成本较低。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是现有技术中两种不同形式的涡流发生器的结构示意图，其中,(a)为单平板的同旋涡式涡流发生器，(b)为两个平板的对旋涡式涡流发生器；箭头所指方向为来流风向。
图2是本发明一实施例中的涡流发生器的结构示意图(两个平板形式)。
图3是一种形式的安装有涡流发生器的风电机组柔性塔架结构示意图(仅显示部分塔架)。
图4是另一种形式的安装有涡流发生器的风电机组柔性塔架结构示意图(仅显示部分塔架)。
具体实施方式
涡流发生器通常由安装在气动表面上的小翼面或平板组成，这些小翼面或平板通常与当地流动速度成一定夹角，从来诱导出一些列的流向涡。流向涡在流动的过程中会与下游的边界层相互作用，通过掺混向边界层注入能量从而使边界层能够承受更高的逆压梯度。因而边界层能够附着在气动表面而不发生分离。现有涡流发生器一般安装在飞机上或是风电机组叶片上。
通常情况下，涡流发生器的设计如图1中的(a)、(b)所示。在图1中所示方向的来流下，该涡流发生器可以发挥良好的效果。然而，对于风电机组塔架来说，不同时间段的来流风向也不一致，当风向与图1所示风向相反时，涡流发生器无法发挥相应的效果，而且平板相对于与图1中相反的风向相当于一钝头体，会产生较大的形阻，即其非但未起到减振降载作用，在某种情况下还可能会使风电机组塔架承受更大的载荷，起到相反的效果。因此，将上述涡流发生器与风电机组塔架结合有技术障碍。
而本发明通过对涡流发生器的形状进行改进，将涡流发生器与风电机组塔架结合，使其最终能够更好地适应风电机组塔架的工作环境。
下面通过具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
如图2所示的1组涡流发生器1，其包括两个平板11，两个平板11关于涡流发生器的中心轴线12对称，每个平板11的底边与中心轴线12的夹角均在15°-60°之间，从而诱导出一系列的流向涡。
对于单个平板11来说，其采用三角形结构，三角形的两个底角均小于30°，这样，无论相对于图1所示风向或是与图1相反的风向，与钝头体相比，此种形状的平板能够使气流更为平缓地流过，因而产生较小的形状阻力。上述两个底角角度可相同或不同，优选采用前后对称的等腰三角形形式。涡流发生器1的高度应尽量小于当地边界层厚度，即平板11的最大高度应为当地边界层厚度的0.2-0.8倍，平板11的三角形的顶角采用倒圆角处理，从而使气流可以平滑地流过涡流发生器1。
待涡流发生器设计完成后，可以使用模具对涡流发生器进行批量加工。也可使用3D打印来进行涡流发生器的加工，由于涡流发生器表面需要保持一定的光滑度，因此，应尽量选择打印精度较高的3D打印机。ABS的强度较高，可以选做加工涡流发生器的打印材料。
配合图3所示，将上述加工好的多组涡流发生器1安装在风电机组塔架2外表面即可实现对风电机组塔架的减振降载，具体地：
从安装方式上，可以采用胶接的方式将多组涡流发生器1垂直粘接在塔架2外表面上，其中，平板11的三角形的底边与塔架外表面连接。对于胶的选择，应能够保证足够的胶结强度，防止涡流发生器在使用过程中脱落。ITW粘接胶MA530可作为涡流发生器胶接的一种选择；也可以选择胶带。在胶接的过程中，应首先打磨清洁粘接区域，以提高胶接质量。对于风电机组塔架来说，其外表面是圆形，因此，需要对涡流发生器进行适当的修形，从而使涡流发生器与塔架外表面完美贴合。另外，如若将涡流发生器用于非平整的气动表面，可对涡流发生器进行适当的修形，从而使涡流发生器与气动表面完美地贴合。此外，应使用夹具将涡流发生器加压固定于塔架表面，待胶固化后再去除夹具。
对于风电机组柔性塔架，距离地面较远处的气动力对于塔架根部产生的弯矩较大，因此，优选将涡流发生器安装在距离塔顶较近的位置处，如60％高度以上，目的是减小由于塔架后方气流分离产生的振荡性气动力及其产生的弯矩。
配合图3所示，从安装布局上，对于每组涡流发生器1，每个平板11与中心轴线的夹角均为15°-60°。
从安装布局上，对于多组涡流发生器1，呈螺旋状分布于塔架2的外表面上；图3所示为单螺旋状，在塔架垂直方向上，相邻的涡流发生器1安装平面的间隔为100mm-1500mm，每一个安装平面内的涡流发生器相对于上一个安装平面内的、同一个螺旋内的涡流发生器，绕塔架轴线偏转了5°-90°，这样涡流发生器可以分布在塔架上各个方位处，从而能够更好地适应不同的风向。
另外，还可根据塔架实际情况选择平行的多螺旋形式，如一个塔架上绕2-8个螺旋，此时，相当于在每个安装平面内平均设置有2-8组涡流发生器，2组水平间隔为180°，8组水平间隔为45°；在垂直方向上，相邻的涡流发生器安装平面的间隔为100mm-1500mm，且相邻安装平面内的涡流发生器存在5°-90°的相位差，即每一个安装平面内的涡流发生器相对于上一个安装平面内的涡流发生器绕塔架轴线偏转了5°-90°。
实施例2
如图4所示，本实施例的涡流发生器，与实施例1的不同之处在于，其为单平板形式，单个平板的结构及安装布局与实施例1完全相同，只是在安装至风电机组塔架2上时，在实施例1的基础上每组涡流发生器减少一个平板，图4中减少的平板为位于下侧的，当然也可以减少位于上侧的平板。
综上所述，本发明将涡流发生器应用于风电机组塔架中，通过修形设计可以较好地适应不同的风向，能抑制塔架背风区的流动分离从而降低作用于塔架的气动载荷，为塔架尤其是柔性塔架减振以及提高风电机组安全性、延长疲劳寿命提供了一个可行的途径。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风电机组塔架减振降载用涡流发生器，其特征在于，所述涡流发生器布置在塔架外表面，涡流发生器有多组；
每组涡流发生器包括一个或两个平板，平板均采用三角形结构，三角形的底边与塔架外表面连接，三角形的两个底角均小于30°；
当为两个平板时，两个平板关于涡流发生器的中心轴线对称。
2.根据权利要求1所述的风电机组塔架减振降载用涡流发生器，其特征在于，每个平板底边与中心轴线的夹角均为15°-60°；
3.据权利要求1或2所述的风电机组塔架减振降载用涡流发生器，其特征在于，多组涡流发生器呈螺旋状分布于塔架的外表面上；多组涡流发生器呈单螺旋或多螺旋状平均分布于塔架的外表面；
在塔架垂直方向上，相邻的涡流发生器安装平面的间隔为100mm-1500mm，每一个安装平面内的涡流发生器相对于上一个安装平面内的、同一个螺旋内的涡流发生器，绕塔架轴线偏转了5°-90°。
4.根据权利要求1或2所述的风电机组塔架减振降载用涡流发生器，其特征在于，所述平板的最大高度为当地边界层厚度的0.2-0.8倍。
5.根据权利要求1或2所述的所述的风电机组塔架减振降载用涡流发生器，其特征在于，所述平板为等腰三角形，且所述平板的顶角采用倒圆角处理。
6.根据权利要求1或2所述的风电机组塔架减振降载用涡流发生器，其特征在于，所述平板均垂直于塔架外表面；所述涡流发生器采用胶接的方式粘接于塔架外表面，且粘接时，根据塔架外表面对涡流发生器的底边进行适应性修形，使两者完全贴合。
7.根据权利要求1或2所述的风电机组塔架减振降载用涡流发生器，其特征在于，所述多组涡流发生器均安装在塔架的60％高度以上。
8.一种风电机组塔架，其特征在于，所述塔架上安装有上述权利要求1-7任一项所述的风电机组塔架减振降载用涡流发生器。
9.根据权利要求8所述的风电机组塔架，其特征在于，所述塔架为柔性塔架。
10.一种风电机组，其特征在于，包括权利要求8或9所述的风电机组塔架。
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