CN113700612A - 风电机组塔筒的主动扰流装置和主动扰流方法 - Google Patents

风电机组塔筒的主动扰流装置和主动扰流方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种风电机组塔筒的主动扰流装置和主动扰流方法，所述的风电机组塔筒的主动扰流装置包括扰流器和驱动设备，扰流器可旋转地设置在塔筒的外周面上，驱动设备与扰流器相连以驱动扰流器至少以预设转速r1转动，以改变作用于塔筒的卡门涡街现象产生的脱落涡的频率，从而避免塔筒发生涡激振动。本发明的风电机组塔筒的主动扰流装置具有结构简单、成本低廉、降低塔筒的疲劳损伤等优点。

Description

风电机组塔筒的主动扰流装置和主动扰流方法
技术领域
本申请设计风电技术领域，尤其是设计一种风电机组塔筒的主动扰流装置和主动扰流方法。
背景技术
随着风电机组的大型化发展和平价时代的来临，以及丰富的风能资源地区开发殆尽和机组价格逐渐下探的趋势日益明显，为捕获更高的风能和更优的成本优势，对应的风电机组塔筒逐渐向更高更柔的柔塔方向发展。
塔筒是用来支撑风电机组运行的关键支撑结构，其主要形式有圆锥式、桁架式钢制结构以及混凝土和钢塔组合的混塔结构。其中圆锥式钢制塔筒结构，由于其结构形式简单、安装方便等在我国应用最广泛。根据流体力学原理，当气流流经光滑圆柱形塔筒的表面时，会在塔筒的两侧交替产生脱落涡，即卡门涡街现象。当脱落涡频率与塔筒振动频率接近或一致时，风电塔筒将在涡激振动频率的激励下发生共振，从而造成塔筒的疲劳损伤，严重时甚至发生机组倒塔。特别是随着我国超过120m的柔塔应用越来越多，以及因涡激振动倒塔的事故不断发生，对塔筒一阶涡激、二阶涡激的抑制已成为目前行业研究的重点方向之一，因此控制风电塔筒的涡激振动对于提升风电整机的运行可靠性和安全性是非常必要的。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
目前通用的抑制一阶涡激振动的方法是在塔筒缠绕固定形状的扰流带，以改变塔筒外表面的形状来个改变尾流和脱落频率，但是对于二阶涡激振动的影响较弱。相关技术中对于二阶涡激振动的控制方法大都是采用在塔筒内部增加阻尼器的形式，改变塔筒本身的振动频率，但是该技术方案结构设计复杂、成本较高。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种结构简单、扰流效果好、成本低廉的的风电机组塔筒的主动扰流装置。
本发明实施例提出一种步骤简单、便于操作的风电机组塔筒的主动扰流方法。
本发明实施例的风电机组塔筒的主动扰流装置包括：扰流器，所述扰流器可旋转地设置在所述塔筒的外周面上；驱动设备，所述驱动设备与所述扰流器相连以驱动所述扰流器至少以预设转速r1转动，以改变作用于所述塔筒的卡门涡街现象产生的脱落涡的频率，从而避免所述塔筒发生涡激振动。
本发明实施例的风电机组塔筒的主动扰流装置通过扰流器和驱动设备的设置，主动调节产生的涡流脱落频率，对一阶涡激振动和二阶涡激振动均具有良好的抑制效果，延长了塔筒的使用寿命。
在一些实施中，所述扰流器包括围绕其旋转中心线设置的多个叶片，且相邻叶片的延伸方向之间呈夹角。
在一些实施中，所述叶片具有扭角。
在一些实施中，所述扰流器的旋转中心线与所述塔筒的中心轴线相互平行。
在一些实施中，包括基座，所述基座与所述塔筒的外周面相连，所述扰流器和所述驱动设备设在所述基座上。
在一些实施中，所述扰流器和所述基座均为多个，多个所述扰流器一一对应地安装在多个所述基座上，多个所述基座在所述塔筒的外周面上间隔分布。
在一些实施中，多个所述基座通过绳索串联形成至少一个扰流带，所述扰流带以螺旋状缠绕在所述塔筒上。
根据本发明实施例的风电机组塔筒的主动扰流方法，利用根据上述实施例中任一项所述的主动扰流装置，其中所述塔筒由在其长度方向上依次相连的n个塔筒段拼接而成，所述主动扰流方法包括以下步骤：计算具有i个塔筒段的塔筒的一阶固有频率fi-1和二阶固有频率fi-2，其中i≤n；计算具有i个塔筒段的塔筒在风速v下产生的脱落涡的频率fv-i，其中风速v在吊装允许的范围内；判断fv-i/fi-1和fv-i/fi-2，若0.9≤(fv-i/fi-1)≤1.1，和/或，0.9≤(fv-i/fi-2)≤1.1，则判断塔筒进入共振频率带，记录当前风速vi；对安装有所述主动扰流装置的塔筒进行测试，使所述驱动装置驱动所述扰流器旋转，测试风速为vi时塔筒产生的脱落涡的频率fv-i-r，使塔筒避开所述共振频率带，记录所述扰流器的转速r2，根据r2≥r1，得到预设转速r1；当风速为vi时，使所述扰流器至少以所述预设转速r1转动，以改变作用于所述塔筒的卡门涡街现象产生的脱落涡的频率，从而避免所述塔筒发生涡激振动。
在一些实施中，所述风电机组塔筒的主动扰流方法还包括：计算安装有机舱和风轮的所述塔筒的一阶固有频率f3和二阶固有频率f4；计算安装有机舱和风轮的所述塔筒在风速v下产生的脱落涡的频率fv；判断fv/f3和fv/f4，若0.9≤(fv/f3)≤1.1，和/或，0.9≤(fv/f4)≤1.1，则判断塔筒进入共振频率带，记录当前风速v’；对安装有所述主动扰流装置的塔筒进行测试，使所述驱动装置驱动所述扰流器旋转，测试风速为v’时塔筒产生的脱落涡的频率fv-r，使塔筒避开所述共振频率带，记录所述扰流器的转速r3，根据r3≥r1，得到预设转速r1’；当风速为v’时，使所述扰流器至少以所述预设转速r1’转动，以改变作用于所述塔筒的卡门涡街现象产生的脱落涡的频率，从而避免所述塔筒发生涡激振动。
在一些实施中，在所述风轮处于静止状态和运行状态时，分别对所述塔筒的进行测试，以使塔筒避开所述共振频率带。
附图说明
图1是根据本发明实施例的风电机组塔筒的主动扰流装置的三维视图。
图2是根据本发明实施例的风电机组塔筒的主动扰流装置的正视图。
图3是根据本发明实施例的安装有主动扰流装置的风电机组塔筒的结构图。
附图标记：
风电机组塔筒的主动扰流装置100；扰流器1；叶片11；驱动设备2；基座3；绳索4；扰流带5；塔筒6。
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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的风电机组塔筒的主动扰流装置。
如图1和图2所示，本发明实施例的风电机组塔筒的主动扰流装置100包括扰流器1和驱动设备2。
扰流器1可旋转地设置在塔筒的外周面上。
驱动设备2与扰流器1相连以驱动扰流器1至少以预设转速r1转动，以改变作用于塔筒的卡门涡街现象产生的脱落涡的频率，从而避免塔筒发生涡激振动。具体地，驱动设备2可以为电机，电机通过机座固定在塔筒上，电机的输出轴与扰流器1相连，从而带动扰流器1转动。
本发明实施例的风电机组塔筒的主动扰流装置通过扰流器和驱动设备的设置，主动调节产生的涡流脱落频率，对一阶涡激振动和二阶涡激振动均具有良好的抑制效果，延长了塔筒的使用寿命。
在一些实施例中，扰流器1包括围绕其旋转中心线设置的多个叶片11，且相邻叶片11的延伸方向之间呈夹角。具体地，如图1所示，扰流器1包括转动轴和多个叶片11，多个叶片11沿转动轴的周向间隔设置，本发明对叶片11的数量不做限制，例如叶片11个数可以为2、3、5、7、9等。由此通过在塔筒的外周布置叶片11数量不同的扰流器1，从而增加扰流的不规则度，使得风电机组塔筒的主动扰流装置100能够应对多种能量梯度的气流，从而增强风电机组塔筒的主动扰流装置100的扰流效果，提高风电机组的安全性。
可以理解的是，本发明涉及叶片11的数量为奇数，使叶片11可以不容易损坏断裂，延长扰流器的使用寿命。
在一些实施例中，叶片11具有扭角。具体地，如图1所示，叶片11具有第一段(图中未示意出)和第二段(图中未示意出)，第一段和第二段的延伸方向成夹角，从而有利于扰流器1旋转提高了扰流器1的扰流效果。此处叶片11的扭角结构可参考相关技术中的风扇的扇叶。
在一些实施例中，扰流器1的旋转中心线与塔筒的中心轴线相互平行。具体地，如图1所示，扰流器1的旋转中心线可沿上下方向延伸，从而使得扰流器1的设置更加合理。
可以理解的是，扰流器1的设置不限于此，扰流器1的旋转中心线还可以与塔筒的延伸方向平行，或，扰流器1的旋转中心线垂直与塔筒的中心轴线，或，扰流器1的旋转中心线与塔筒的中心轴线呈夹角等等。
在一些实施例中，风电机组塔筒的主动扰流装置100包括基座3，基座3与塔筒的外周面相连，扰流器1和驱动设备2设在基座3上。具体地，基座3的一侧固定在塔筒上，扰流器1和驱动设备2设在基座3的背离塔筒的一侧，由此通过基座3为扰流器1和驱动设备2提供安装基础，方便了扰流器1和驱动设备2的安装。
在一些实施例中，扰流器1和基座3均为多个，多个扰流器1一一对应地安装在多个基座3上，多个基座3在塔筒的外周面上间隔分布。具体地，多个基座3的在塔筒的周向上以及塔筒的轴向上均间隔设置，即多个基座3在塔筒的外周面上间隔分布，使塔筒可以应对来自各个方向的风，从而提高塔筒的抗共振性能。
在一些实施例中，如图1和图3所述，多个基座3通过绳索4串联形成至少一个扰流带5，扰流带5以螺旋状缠绕在塔筒6上。具体地，多个基座3沿绳索4的延伸方向间隔设置以形成扰流带5，且绳索4的延伸方向和扰流器1的旋转中心线平行，扰流带5螺旋缠绕在塔筒6上。将基座3通过绳索4串联，并缠绕在塔筒6上方便了主动扰流装置100的安装与拆卸，避免通过焊接等手段将主动扰流装置100连接在塔筒6表面，对塔筒6的表面造成损伤。
可以理解的是，基座3与绳索4的连接本法明不做限制，例如基座3可以通过粘胶固定在绳索4上或通过紧固件固定在4上，或者基座3上设有贯穿基座的通孔，绳索4穿过通孔将基座3连接起来。
根据本发明实施例的风电机组塔筒的主动扰流方法，利用根据上述实施例中任一项的主动扰流装置，其中塔筒由在其长度方向上依次相连的n个塔筒段拼接而成，主动扰流方法包括以下步骤：
步骤101：计算具有i个塔筒段的塔筒的一阶固有频率fi-1和二阶固有频率fi-2，其中i≤n；
步骤102：计算具有i个塔筒段的塔筒在风速v下产生的脱落涡的频率fv-i，其中风速v在吊装允许的范围内；
步骤103：判断fv-i/fi-1和fv-i/fi-2，若0.9≤(fv-i/fi-1)≤1.1，和/或，0.9≤(fv-i/fi-2)≤1.1，则判断塔筒进入共振频率带，记录当前风速vi；
步骤104：对安装有主动扰流装置的塔筒进行测试，使驱动装置驱动扰流器1以一定转速旋转，测试风速为vi时塔筒产生的脱落涡的频率fv-i-r，使塔筒避开共振频率带，记录扰流器1的当前转速r2，根据r2≥r1，得到预设转速r1，预设转速r1就是在风速为vi时，可以使塔筒避免产生共振的最小转速；
步骤105：当风速为vi时，使扰流器1至少以预设转速r1转动，以改变作用于塔筒的卡门涡街现象产生的脱落涡的频率，从而避免塔筒发生涡激振动。
需要说明的是，需要对具有不同塔筒段的塔筒分别在不同风速下进行测试，得到完整转速数据。
可选地，步骤104中，对安装有主动扰流装置的塔筒进行测试的具体手段可以为CFD方法仿真计算或实验测试。
根据本发明实施例风电机组塔筒的主动扰流方法，通过上述步骤，计算出扰流器1在具有i个塔筒段的塔筒上且风速为vi时的最小转速r1，从而防止塔筒发生涡激振动，提高了塔筒的使用寿命。
在一些实施例中，风电机组塔筒的主动扰流方法还包括：
步骤201：计算安装有机舱和风轮的塔筒的一阶固有频率f3和二阶固有频率f4；
步骤202：计算安装有机舱和风轮的塔筒在风速v下产生的脱落涡的频率fv；
步骤203：判断fv/f3和fv/f4，若0.9≤(fv/f3)≤1.1，和/或，0.9≤(fv/f4)≤1.1，则判断塔筒进入共振频率带，记录当前风速v’。具对安装有主动扰流装置的塔筒进行测试，使驱动装置驱动扰流器1旋转，测试风速为v’时塔筒产生的脱落涡的频率fv-r，使塔筒避开共振频率带，记录扰流器1的转速r3，根据r3≥r1，得到预设转速r1’；
步骤204：当风速为v’时，使扰流器1至少以预设转速r1’转动，以改变作用于塔筒的卡门涡街现象产生的脱落涡的频率，从而避免塔筒发生涡激振动。由此，计算扰流器1在安装有机舱和风轮的塔筒上且风速为v’时的最小转速r1’，从而防止安装有机舱和风轮的塔筒发生涡激振动，提高了塔筒的使用寿命。
在一些实施例中，在风轮处于静止状态和运行状态时，分别对塔筒的进行测试，以使塔筒避开共振频率带。具体地，利用CFD计算软件或风洞实验对带有静止状态和运行状态时风轮的塔筒进行流体计算或实验，得到不同风速V下和不同可旋转风轮的转速r下塔筒的脱落频率避开与塔筒的一阶频率和二阶频率发生共振的频率带，从而防止风机在静止状态和运行状态时与塔筒发生共振，进一步提高了塔筒的使用寿命和安全性能。
下面利用CFD流体软件、速度云图和脱落频率进行对比描述本发明的实施例风电机组塔筒的主动扰流装置100的扰流效果。
本实例对比无扰流器1的光滑塔筒壁面和两侧对称分布主动式扰流器1的塔筒壁面进行分析。
Ex1：入流风速为16m/s的光滑塔筒壁面，塔筒的脱落频率为0.22Hz。
Ex2：入流风速为16m/s、两侧扰流器1旋转速度为2rad/s的主动式扰流器1塔筒壁面，塔筒的脱落频率为0.32Hz。
Ex3：入流风速为16m/s、两侧扰流器1旋转速度分别为4rad/s和-4rad/s的主动式扰流器1塔筒壁面，塔筒的脱落频率为2.14Hz。
算例 脱落频率
Ex1 0.22Hz
Ex2 0.32Hz
Ex3 2.14Hz
从上述实验仿真结果来看，可以得出如下结论：原塔筒脱落频率为0.22Hz，通过本发明的扰流器1后脱落频率变为可控制调节频率，算例中Ex2脱落频率为0.32Hz，Ex3脱落频率为2.14Hz。由此，通过改变扰流器1的旋转速度，从而改变了塔筒的脱落频率，提高了塔筒发生脱落。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种风电机组塔筒的主动扰流装置，其特征在于，包括：
扰流器，所述扰流器可旋转地设置在所述塔筒的外周面上；
驱动设备，所述驱动设备与所述扰流器相连以驱动所述扰流器至少以预设转速r1转动，以改变作用于所述塔筒的卡门涡街现象产生的脱落涡的频率，从而避免所述塔筒发生涡激振动。
2.根据权利要求1所述的风电机组塔筒的主动扰流装置，其特征在于，所述扰流器包括围绕其旋转中心线设置的多个叶片，且相邻叶片的延伸方向之间呈夹角。
3.根据权利要求2所述的风电机组塔筒的主动扰流装置，其特征在于，所述叶片具有扭角。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的风电机组塔筒的主动扰流装置，其特征在于，所述扰流器的旋转中心线与所述塔筒的中心轴线相互平行或具有夹角。
5.根据权利要求1所述的风电机组塔筒的主动扰流装置，其特征在于，包括基座，所述基座与所述塔筒的外周面相连，所述扰流器和所述驱动设备设在所述基座上。
6.根据权利要求5所述的风电机组塔筒的主动扰流装置，其特征在于，所述扰流器和所述基座均为多个，多个所述扰流器一一对应地安装在多个所述基座上，多个所述基座在所述塔筒的外周面上间隔分布。
7.根据权利要求6所述的风电机组塔筒的主动扰流装置，其特征在于，多个所述基座通过绳索串联形成至少一个扰流带，所述扰流带以螺旋状缠绕在所述塔筒上。
8.一种风电机组塔筒的主动扰流方法，其特征在于，利用根据权利要求1-7中任一项所述的主动扰流装置，其中所述塔筒由在其长度方向上依次相连的n个塔筒段拼接而成，所述主动扰流方法包括以下步骤：
计算具有i个塔筒段的塔筒的一阶固有频率fi-1和二阶固有频率fi-2，其中i≤n；
计算具有i个塔筒段的塔筒在风速v下产生的脱落涡的频率fv-i，其中风速v在吊装允许的范围内；
判断fv-i/fi-1和fv-i/fi-2，若0.9≤(fv-i/fi-1)≤1.1，和/或，0.9≤(fv-i/fi-2)≤1.1，则判断塔筒进入共振频率带，记录当前风速vi；
对安装有所述主动扰流装置的塔筒进行测试，使所述驱动装置驱动所述扰流器旋转，测试风速为vi时塔筒产生的脱落涡的频率fv-i-r，使塔筒避开所述共振频率带，记录所述扰流器的转速r2，根据r2≥r1，得到预设转速r1；
当风速为vi时，使所述扰流器至少以所述预设转速r1转动，以改变作用于所述塔筒的卡门涡街现象产生的脱落涡的频率，从而避免所述塔筒发生涡激振动。
9.根据权利要求8所述的风电机组塔筒的主动扰流方法，其特征在于，还包括：
计算安装有机舱和风轮的所述塔筒的一阶固有频率f3和二阶固有频率f4；
计算安装有机舱和风轮的所述塔筒在风速v下产生的脱落涡的频率fv；
判断fv/f3和fv/f4，若0.9≤(fv/f3)≤1.1，和/或，0.9≤(fv/f4)≤1.1，则判断塔筒进入共振频率带，记录当前风速v’；
对安装有所述主动扰流装置的塔筒进行测试，使所述驱动装置驱动所述扰流器旋转，测试风速为v’时塔筒产生的脱落涡的频率fv-r，使塔筒避开所述共振频率带，记录所述扰流器的转速r3，根据r3≥r1，得到预设转速r1’；
当风速为v’时，使所述扰流器至少以所述预设转速r1’转动，以改变作用于所述塔筒的卡门涡街现象产生的脱落涡的频率，从而避免所述塔筒发生涡激振动。
10.根据权利要求9所述的风电机组塔筒的主动扰流方法，其特征在于，在所述风轮处于静止状态和运行状态时，分别对所述塔筒的进行测试，以使塔筒避开所述共振频率带。
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