CN113503079B - 抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器 - Google Patents

抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，包括螺旋缠绕于腹杆外壁上的螺旋线，所述螺旋线的两端均与卡接于所述腹杆外壁上且与所述螺旋线端头对应的定位件连接；所述螺旋线的横截面为棱角结构且沿长度方向横截面积逐渐变大或者变小。本发明采用上述结构的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，通过螺旋线沿长度方向360°盘旋缠绕在腹杆上，起到破碎腹杆尾流卡门涡、调整腹杆上下截面形状及质量分布、减小不同高度旋涡相关性等多重作用，从而彻底抑制腹杆横风向振动。

Description

抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器
技术领域
本发明涉及一种抑制格构式钢管塔腹杆风向振动技术，尤其涉及一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器。
背景技术
格构式钢管塔是一种主要部件为钢管，其它部件用钢管或者型钢组合而成的格构式塔架，是架空输电线路来支持导线和避雷线的支持结构。上世纪80年代，国际上许多国家在开发特高压输电线路时，开始将钢管型材应用到了铁塔结构中，出现了以钢管为塔体主材的钢管塔。钢管塔结构由于其断面刚度较大，截面受力特性较好，受力简洁、外形美观等突出优点，在不同电压等级的线路中得到了很好的发展。尤其是在大跨越结构、城市电网杆塔结构中应用较多。在日本，1000kV的超高压线路及高塔中几乎全部使用了钢管塔。我国借鉴国外经验，在500kV双回路铁塔和同塔四回铁塔中使用钢管型材，并表现出了其良好性能和效益。
当风流经钢管这样的非流线型截面时，会在物体截面两侧及尾部产生交替脱落的旋涡，并在物体上形成与风向垂直的周期性力。特定条件下，当旋涡脱落频率接近结构自振频率时，发生涡激共振，这种振动的方向垂直于来流方向，因此又被称之为横风向振动。当钢管的截面与长度方向相比很小时候，即杆件为大柔度杆时，这种振动会非常剧烈，长时间的横风向涡激振动，会引起钢管、导线、金具连接部位疲劳，导致钢管端部、导线、金具磨损断裂，对格构式钢管塔斜腹杆构件的破坏作用非常大。如果再遇到较大的台风，还会引起倒塔事故，极大的影响着输电线路的安全运行，且带来巨大的经济损失。我国每年因输电线路跳闸断线，停电所造成的经济损失高达数千万元人民。
目前而言，针对格构式钢管塔斜腹杆横风向振动控制，可参考的文献并不是很多，针对其他建筑结构横风向振动控制的措施主要有三种；
1、结构措施
结构措施是通过采用更加高效的材料或结构体系，以增加结构截面等方法来提高结构整体刚度和质量。例如：超高层建筑中，常把建筑截面做成束筒结构，从而有效降低其横风向振动。
2、耗能减振措施
耗能减振措施是在结构某些部位设置阻尼装置，通过耗能装置的摩擦、弯曲或弹塑性变形来耗散或吸收结构的振动能量，以减小结构振幅。例如：超高层建筑中，常在高层的顶部设置调谐质量阻尼器，调谐液体阻尼器，摆式质量阻尼器，以控制其横风向振动。
3、气动措施
气动措施是通过改变建筑外形或采用附加气动装置、或利用外部形状主动对局部流场施加干扰来改变结构的气动特性，控制边界层分离和旋涡脱落。
已经通过或在审的关于螺旋线扰流器的专利和文献较少，【螺旋翅片缠绕装置】CN201020570054.9中涉及到螺旋缠绕装置，此种装置属于机械领域，只适用于热处理炉对钢管，钢板，线材的退火，正火，高温回火等热处理工艺，并不能使用于钢管构件抗风；【一种螺旋式翅片管】CN201922167839.5中涉及的螺旋式翅片管是一种高效传热元件，用于强化传热，降低流动阻力，减少金属消耗量，无法作用于结构抗风；【一种风电塔筒扰流器】CN201911282548.9所涉及的风电塔筒扰流器用于风力发电机，其扰流器是由多段扰流器单元组合粘贴在风电塔筒表面而成的螺旋线型，适用于风力发电机塔筒这种截面较大的圆柱式结构，无法用于杆件截面较细的格构式钢管塔腹杆构件。杨靖波所发表的文献《特高压输电线路钢管塔微风振动的防治》中提到在构件表面缠绕扰流器增大结构的斯特罗哈数来达到抑制微风振动的目的，该方法在抑制微风振动上功能单一，无法彻底破坏风吹到腹杆表面形成的卡门涡，降低涡激振动不彻底。李晓琳所发表的文献《塔器扰流器设计及防振性能研究》中提到一种外加扰流器装置，如外围扰流框架、轴向或螺旋形扰流翅片、分流板等，针对的是工业塔容器结构，并且螺旋形扰流翅片会受到塔体外保温层和附件的影响，实施起来不便。近期，中国振动工程学会科普工作委员会邀请谢壮宁教授对深圳赛格大厦风致振动的解读中，也提到了传统的在桅杆上安装挡流板或者缠绕螺旋线以扰乱或减弱漩涡脱落，无法彻底降低涡激振动，不能有效的减弱风振，且传统的螺旋线与桅杆的连接不牢固，时间长了容易脱落。
综上所述，目前针对格构式钢管塔横风向振动的减振方法及装置几乎没有。对于大长细比的格构式钢管塔斜腹杆，利用增加杆件截面面积或设置阻尼器的方式控制横风向振动，效果不明显，且不经济。所以适宜采用气动措施来控制其横风向振动。
现有的针对风电塔筒的气动措施如螺旋线扰流器却不能直接拿来用于格构式钢管塔的横风向振动抑制工作，这是因为：一方面，钢管塔斜腹杆的截面尺寸(几厘米到十几厘米)远小于风电塔筒的截面尺寸(2～3.5米)，且两种结构的结构参数(如：弹性模量、刚度、单位长度质量、模态)以及在风荷载作用下旋涡脱落的频率和雷诺数所处的区间远不相同；另一方面，钢管塔斜腹杆横风向振动的机理要远比风电塔筒复杂，除了风吹到结构自身产生旋涡脱落引起横风向涡激共振外，当目标圆杆处于前方圆杆流场旋涡尾流区时，前方圆杆流场绕流产生的周期性脱落的旋涡也会激发目标杆件产生横风向涡激共振，因此，多方激励下，单一的减振方式不能彻底解决斜腹杆的横风向振动问题；第三方面，格构式钢管塔腹杆杆件较细，在风荷载作用下的振动频率较高，传统的用于风电塔筒的逐端拼接然后粘贴为主的螺旋线用于格构式钢管塔斜腹杆时候，固定不可靠，长时间振动很容易脱落。
本专利通过在格构式钢管塔表面缠绕变截面螺旋线，破碎旋涡、调节钢管上下质量分布和几何外形分布、打乱钢管不同长度范围内旋涡的相关性等多重抑制横风向振动措施，彻底解决格构式钢管塔横风向振动问题。该扰流器在国家电网、南方电网推广应用后，可有效避免格构式钢管塔因横风向振动引起的跳闸、断线事故，减损收益可达数千万人民币/年；由于目前市场上十分缺乏针对格构式钢管塔腹杆的减振装置，扰流器在全网推广后，销售收益可达数百万人民币/年。
发明内容
本发明的目的是提供一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，通过螺旋线沿长度方向360°盘旋缠绕在腹杆上，起到破碎腹杆尾流卡门涡、调整腹杆上下截面形状及质量分布、减小不同高度旋涡相关性等多重作用，从而彻底抑制腹杆横风向振动。
为实现上述目的，本发明提供了一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，包括螺旋缠绕于腹杆外壁上的螺旋线，所述螺旋线的两端均与卡接于所述腹杆外壁上且与所述螺旋线端头对应的定位件连接；
所述螺旋线的横截面为棱角结构且沿长度方向横截面积逐渐变大或者变小。
优选的，所述螺旋线的横截面为凸型，所述螺旋线背离所述腹杆的一侧向外凸起，所述螺旋线面向所述腹杆的一侧粘接有隔离层，所述螺旋线经所述隔离层与所述腹杆外壁紧贴；
所述隔离层的材质为橡胶。
优选的，所述隔离层包括粘接于开设在所述螺旋线面向所述腹杆的一侧的容置槽内的连接部和与所述连接部一体成型的隔离部，所述隔离部背离所述连接部的一侧设置成与所述腹杆相适配的弧形。
优选的，所述定位件包括可拆卸连接于所述腹杆外侧的固定圈，所述固定圈的端面侧镶嵌有定位台，所述定位台与所述螺旋线的端头插接。
优选的，所述固定圈由两个半圆环组成，两个所述半圆环围成与所述腹杆相适配的环形圈；
两个所述半圆圈的一端经转轴转动连接，两个所述半圆圈的另一端经锁紧螺栓定位连接。
优选的，所述腹杆由下到上缠绕有多段所述螺旋线。
优选的，所述腹杆由下到上缠绕有中心对称布置的两段所述螺旋线；
下端的所述螺旋线的底端截面积大于下端的所述螺旋线的顶端截面积；
上端的所述螺旋线的底端截面积小于上端的所述螺旋线的顶端截面积。
优选的，所述固定圈、所述定位台均为与所述腹杆材质相同的金属。
优选的，所述螺旋线上开设有多个平行设置的所述容置槽。
优选的，所述螺旋线的材质为弹性铝合金；
所述螺旋线上喷涂有防腐油漆。
本发明的有益效果如下：
1、螺旋线横截面为多棱角凸型结构，有助于破碎腹杆尾流卡门涡，360°盘旋缠绕螺旋线有助于从各个角度破碎卡门涡；
2、在其底面粘贴橡胶垫条有助于螺旋线扣紧在塔腹杆表面，并防止二者产生电化学腐蚀。
3、螺旋线扰流器为变截面，随着长度变化而变化，缠绕在腹杆表面以后，有助于调节腹杆不同高度位置的截面形状和质量，通过改变腹杆不同高度的截面尺寸，能够有效减小形成于腹杆不同高度范围内的不同旋涡之间的空间相关性，不同高度位置雷诺数数不同，从而有效减小了大涡的形成；
4、通过改变腹杆沿着高度方向的质量分布，减小了腹杆上下不同位置振动的相关性，同时也相当于在大振幅位置增加了质量阻尼器。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的实施例一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器的结构示意图；
图2为本发明的实施例一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器的螺旋线横截面图；
图3为本发明的实施例一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器的定位件结构图。
其中：1、锁紧螺栓；2、固定圈；3、定位台；4、转轴；5、腹杆；6、螺旋线；7、隔离层；70、连接部；71、隔离部。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1为本发明的实施例一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器的结构示意图；图2为本发明的实施例一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器的螺旋线横截面图；图3为本发明的实施例一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器的定位件结构图，如图所示，本发明的结构包括螺旋缠绕于腹杆5外壁上的螺旋线6，所述螺旋线6的两端均与卡接于所述腹杆5外壁上且与所述螺旋线6端头对应的定位件连接；螺旋线6通过定位件进行固定，防止螺旋线6上下窜动，并达到调节腹杆5质量分布的目的。
所述螺旋线6的横截面为棱角结构且沿长度方向横截面积逐渐变大或者变小，通过螺旋线6质量变化，达到调节钢管沿着轴线方向质量和外形分布的目的；且棱角设置可切割旋涡，受到风荷载时，该装置可提供破碎腹杆5尾流卡门涡、调整腹杆5上下截面形状和质量沿着长度的分布、减小不同高度尾流旋涡空间相关性，多重抑制旋涡及横风向振动，减振效果显著。具体的，所述螺旋线6的横截面为凸型，所述螺旋线6背离所述腹杆5的一侧向外凸起，所述螺旋线6面向所述腹杆5的一侧粘接有隔离层7，所述螺旋线6经所述隔离层7与所述腹杆5外壁紧贴；优选的，所述隔离层7包括粘接于开设在所述螺旋线6面向所述腹杆5的一侧的容置槽内的连接部70和与所述连接部70一体成型的隔离部71，优选的，所述螺旋线6上开设有多个平行设置的所述容置槽。所述隔离部71背离所述连接部的一侧设置成与所述腹杆5相适配的弧形。所述隔离层7的材质为橡胶，粘贴橡胶垫条有助于螺旋线6扣紧在钢管塔腹杆5表面，并防止二者产生电化学腐蚀。
优选的，所述定位件包括可拆卸连接于所述腹杆5外侧的固定圈2，所述固定圈2的端面侧镶嵌有定位台3，所述定位台3与所述螺旋线6的端头插接。优选的，所述固定圈2由两个半圆环组成，两个所述半圆环围成与所述腹杆5相适配的环形圈；两个所述半圆圈的一端经转轴4转动连接，两个所述半圆圈的另一端经锁紧螺栓1定位连接，便于在钢管塔正常运作时安装拆卸。
优选的，所述腹杆5由下到上缠绕有多段所述螺旋线6。优选的，所述腹杆5由下到上缠绕有中心对称布置的两段所述螺旋线6；下端的所述螺旋线6的底端截面积大于下端的所述螺旋线6的顶端截面积；上端的所述螺旋线6的底端截面积小于上端的所述螺旋线6的顶端截面积。
优选的，所述固定圈2、所述定位台3均为与所述腹杆5材质相同的金属。
优选的，所述螺旋线6的材质为弹性铝合金；所述螺旋线6上喷涂有防腐油漆。
因此，本发明采用上述结构的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，通过螺旋线沿长度方向360°盘旋缠绕在腹杆上，起到破碎腹杆尾流卡门涡、调整腹杆上下截面形状及质量分布、减小不同高度旋涡相关性等多重作用，从而彻底抑制腹杆横风向振动。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，其特征在于：包括螺旋缠绕于腹杆外壁上的螺旋线，所述螺旋线的两端均与卡接于所述腹杆外壁上且与所述螺旋线端头对应的定位件连接；
所述螺旋线的横截面为棱角结构且沿长度方向横截面积逐渐变大或者变小。
2.根据权利要求1所述的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，其特征在于：所述螺旋线的横截面为凸型，所述螺旋线背离所述腹杆的一侧向外凸起，所述螺旋线面向所述腹杆的一侧粘接有隔离层，所述螺旋线经所述隔离层与所述腹杆外壁紧贴；
所述隔离层的材质为橡胶。
3.根据权利要求2所述的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，其特征在于：所述隔离层包括粘接于开设在所述螺旋线面向所述腹杆的一侧的容置槽内的连接部和与所述连接部一体成型的隔离部，所述隔离部背离所述连接部的一侧设置成与所述腹杆相适配的弧形。
4.根据权利要求1所述的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，其特征在于：所述定位件包括可拆卸连接于所述腹杆外侧的固定圈，所述固定圈的端面侧镶嵌有定位台，所述定位台与所述螺旋线的端头插接。
5.根据权利要求4所述的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，其特征在于：所述固定圈由两个半圆环组成，两个所述半圆环围成与所述腹杆相适配的环形圈；
两个所述半圆环的一端经转轴转动连接，两个所述半圆环的另一端经锁紧螺栓定位连接。
6.根据权利要求1所述的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，其特征在于：所述腹杆由下到上缠绕有多段所述螺旋线。
7.根据权利要求6所述的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，其特征在于：所述腹杆由下到上缠绕有中心对称布置的两段所述螺旋线；
下端的所述螺旋线的底端截面积大于下端的所述螺旋线的顶端截面积；
上端的所述螺旋线的底端截面积小于上端的所述螺旋线的顶端截面积。
8.根据权利要求4所述的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，其特征在于：所述固定圈、所述定位台均为与所述腹杆材质相同的金属。
9.根据权利要求3所述的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，其特征在于：所述螺旋线上开设有多个平行设置的所述容置槽。
10.根据权利要求1所述的抑制钢管塔腹杆横风向振动的缠绕式螺旋线扰流器，其特征在于：所述螺旋线的材质为弹性铝合金；
所述螺旋线上喷涂有防腐油漆。
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