CN116480537A - 一种用于浮式风电风机的气动阻力装置及浮式风电风机 - Google Patents

Abstract

一种用于浮式风电风机的气动阻力装置及浮式风电风机，包括左翼和右翼，左翼和右翼对称固定在风机机舱的左右两侧，左翼和右翼均包括上壳板、下壳板、内部支撑梁、前缘挡板和翼梢小翼，上壳板和下壳板扣合成具有空腔的翼体，内部支撑梁设置在翼体内，翼体的两端分别与机舱的侧面和翼梢小翼连接，前缘挡板可转动安装在上壳板上，其转轴平行于左翼或右翼的延伸方向，前缘挡板连接有使其绕其转轴转动的驱动机构，以调整前缘挡板的迎风角度。本发明可增大机舱两侧结构的受风面积，增大气动阻力，并可根据实际风况调节受风面积，以调节气动推力，从而抑制风机的艏倾运动，实现减少角位移、提高发电量的目的，并可保证整体结构的稳定性。

Description

一种用于浮式风电风机的气动阻力装置及浮式风电风机

技术领域

本发明涉及浮式风电技术领域，尤其涉及一种用于浮式风电风机的气动阻力装置及浮式风电风机。

背景技术

浮式风电装备常部署属于恶劣海洋环境下，受风、浪、流耦合作用，会呈现六自由度运动，致使风电机组极不稳定。其中，横摇和纵摇运动会改变风轮面的俯仰角，影响风轮的迎风性能，从而导致风机发电功率的下降，影响经济性。特别是当浮式风电渐向深海区域发展时，远海环境对风机发电的影响更为剧烈，故需寻求一种抑制风机横摇、纵摇运动的方法。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种可以抑制风机横摇、纵摇运动的用于浮式风电风机的气动阻力装置，通过改变在机舱两侧结构的受风面积，增大气动阻力，从而达到在风机艏倾时增大气动推力，减少角位移，提高发电量的目的，以及应用该气动阻力装置的浮式风电风机。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，包括左翼和右翼，所述左翼和右翼对称固定在风机机舱的左右两侧并向两侧延伸，风机机舱的前端安装有水平轴风轮，左翼和右翼具有相同的结构，均包括上壳板、下壳板、内部支撑梁、前缘挡板和翼梢小翼，所述上壳板和下壳板垂直于风机的风轮面，上壳板和下壳板相互扣合成具有空腔的翼体，翼体呈水平设置，左右两翼体分别向机舱的左右两侧延伸，所述内部支撑梁设置在所述翼体内，起到支撑内部空腔的作用，所述翼体的一端连接固定在机舱的侧面上，所述翼梢小翼连接固定在翼体的另一端上；所述前缘挡板可转动安装在所述上壳板上，其转轴平行于左翼或右翼的延伸方向，前缘挡板连接有驱动机构，所述驱动机构用于驱动前缘挡板绕其转轴转动，使前缘挡板相对于翼面向上旋转一定角度，以调整前缘挡板的迎风面积。

在风机机舱的两侧额外设置翼体，可增大气动阻力，当前缘挡板翻起时起到进一步增大气动阻力的作用，达到快速减速的目的。前缘挡板的翻转角度不同，对应的受风面积不同，可通过改变前缘挡板的开启角度，来增大受风面积，增大受到的风推力，从而达到抑制艏倾的目的。

进一步地，所述上壳板上设置有若干通口，所述前缘挡板盖合在所述通口上，一个通口对应一块前缘挡板，使得前缘挡板盖合时上壳板成为一个封闭的整体。

进一步地，所述驱动机构包括液压杆、液体泵、液压缸、液箱和液体管路等，所述液体泵和液箱设置在所述翼体内的内部支撑梁上，液箱、液体泵和液压缸通过所述液体管路依次相连，所述液压缸的一端铰接在所述内部支撑梁上，另一端与所述液压杆的一端相连，液压杆的另一端铰接在所述前缘挡板的背面。液体管路和控制线路沿内部支撑梁布置。

进一步地，还包括姿态传感器，所述姿态传感器设置在机舱的顶部，用于探测风机的姿态，所述风机的姿态包括纵摇、横摇的角度和加速度，姿态传感器与各所述驱动机构相连，用于根据风机的姿态和风速调节各前缘挡板的迎风角度。在翼体上壳板上设置多个通口，并覆盖上可翻转的前缘挡板，在可由独立的驱动机构驱动打开。当风机出现艏倾时，风机姿态传感器将信号传递给主控，主控根据其角位移，对各驱动机构的液体泵下达控制指令，前缘挡板受液压杆驱动升起，增大机舱的阻力。阻力的大小根据从艏倾到平衡位置所需要的恢复力距确定，可根据风速调节前缘挡板升起的角度，从而调节气动阻力的大小。

进一步地，所述翼体呈柱状，柱状的一端与机舱的侧面相连，另一端与所述翼梢小翼相连，柱状垂直于风轮面的竖直截面呈水平的翼型。所述翼型水平方向的最大宽度与竖直方向的最大宽度之比为4：1。

由于风在通过风轮时被吸收能量，速度相应减小，在机舱位置达到低雷诺数状态，为尽量减小翼体结构的正面阻力，降低翼体结构对风轮正常运行的影响，尽可能减小其正面迎风面积，可减小其厚度，经计算得到其厚度与弦长比约为1：4。

进一步地， 所述翼型靠近风机风轮的一端为翼体前缘，翼型背离风机风轮的一端为翼体后缘，翼体前缘的曲率小于翼体后缘的曲率，曲线的曲率越大，弯曲程度越大，对应的较圆，反之也较尖，即翼体前缘较圆，翼体后缘较尖。所述上壳板和下壳板的形状对称，每个所述翼体内均设置有两根所述内部支撑梁，两根内部支撑梁平行于翼体的延伸方向并贯通翼体的空腔。

所述上壳板和下壳板的形状对称，使得翼体为上下对称形状，这样空气沿翼体上下表面运动的距离相同，自然流速也相同，根据伯努利定理，翼体上下的压力相等，就不会因压力差而产生升力，可维持机舱整体结构受力稳定。每个所述翼体内均设置有两根所述内部支撑梁，贯通翼体结构的主体，以增强其结构强度，并给内部设备提供可安装位置。

进一步地，所述翼梢小翼包括一体化设置的连接部和小翼，所述连接部用于与所述翼体相连，所述小翼在平行于风轮面的平面方向上斜向上延伸，延伸的方向为渐远离机舱的方向，且沿着向上延伸的方向渐变薄。

左右两翼体的外端，由于再也没有翼面的分隔，使得高压气流循着翼尖滚卷流动，加上本来流体就往后方流动，形成一种螺旋式的漩涡运动，被称作翼尖涡流。这种涡流会对整体结构产生扰动，影响其稳定性。在左右两翼体的外端分别设置翼梢小翼，可以产生翼尖涡，方向与主翼翼尖涡相反，且与其距离很近。在黏性耗散的作用下，两股涡相互缠绕，互相对抗抵消，从而达到降低扰动的目的。

进一步地，所述小翼内侧在平行于风轮面的平面方向上的轮廓线呈直线，该轮廓线与竖直线之间的夹角为15°-20°。

进一步地，所述小翼包括小翼底面、小翼顶面、小翼前缘和小翼后缘，所述小翼前缘位于靠近风机风轮的一侧，小翼后缘位于背离风机风轮的一侧，小翼整体呈渐向上变窄的锥体，锥体的水平截面为翼型，翼型的一端对应小翼前缘，另一端对应小翼后缘，小翼前缘的曲率小于小翼后缘的曲率。

进一步地，所述小翼前缘向远离风轮面的一侧渐斜向上延伸，小翼前缘在垂直于风轮面的竖直面上的轮廓线呈直线，该轮廓线与竖直线的夹角为30°-50°，小翼后缘竖直向上延伸。

一种浮式风电风机，包括机舱、风轮和上述用于浮式风电风机的气动阻力装置，所述风轮连接在所述机舱上，且风轮面竖直设置，所述气动阻力装置设置在所述机舱上。

本发明通过在风机机舱的两侧设置翼体结构，增大机舱两侧结构的受风面积，增大气动阻力，从而抑制风机的艏倾运动，提高发电量；并通过在翼体上设置可转动的前缘挡板，当风机出现艏倾时，可打开前缘挡板，进一步增大受风面积，增大气动阻力，并通过调节前缘挡板的开合角度来改变整体结构的受风面积，以调节气动推力，实现减少角位移、提高发电量的目的，在风机处于不稳定状态时可以起到很好的调控作用；通过在翼体的外侧设置翼梢小翼，并对翼梢小翼进行相应的结构设计，尽可能降低翼体对气流的扰动以及对风机推力的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的结构放大示意图。

图3为本发明实施例中左翼的结构示意图。

图4为图3中A处的结构放大图。

图5为本发明实施例中左翼的正面示意图。

图6为本发明实施例中翼体的截面示意图。

图7为本发明实施例中翼梢小翼的结构示意图。

图8为本发明实施例中翼梢小翼另一个视角的结构示意图。

图9为图8添加部分隐藏线的结构示意图。

图10为本发明实施例中翼梢小翼的侧面结构示意图。

图11为图10中A-A方向的截面示意图。

附图标记：1-左翼；2-右翼；3-翼体；11-上壳板；12-下壳板；13-内部支撑梁；14-翼梢小翼；15-前缘挡板；16-驱动机构；141-连接部；142-小翼；161-液压缸；162-液压杆；31-翼体前缘；32-翼体后缘；1421-小翼底面；1422-小翼顶面；1423-小翼前缘；1424-小翼后缘；10-机舱；20-风轮。

具体实施方式

一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，如图1、图2，包括左翼1和右翼2，所述左翼1和右翼2对称固定在风机机舱10的左右两侧并向两侧延伸，风机机舱10的前端安装有水平轴风轮20，可通过焊接的方式连接，左翼1和右翼2具有相同的结构，以左翼1为例，均包括上壳板11、下壳板12、内部支撑梁13、前缘挡板15和翼梢小翼14，所述上壳板11和下壳板12垂直于风机的风轮面，上壳板11和下壳板12相互扣合成具有空腔的翼体3，翼体3呈水平设置，左右两翼体3分别向机舱10的左右两侧延伸，所述内部支撑梁13设置在所述翼体3内，起到支撑内部空腔的作用，所述翼体3的一端连接固定在机舱10的侧面上，所述翼梢小翼14连接固定在翼体3的另一端上。上壳板11和下壳板12可一体成型，也可焊接连接固定，或者通过螺栓连接固定。

左右两翼体3的外端，由于再也没有翼面的分隔，使得高压气流循着翼尖滚卷流动，加上本来流体就往后方流动，形成一种螺旋式的漩涡运动，被称作翼尖涡流。这种涡流会对整体结构产生扰动，影响其稳定性。在左右两翼体3的外端分别设置翼梢小翼14，可以产生翼尖涡，方向与主翼翼尖涡相反，且与其距离很近。在黏性耗散的作用下，两股涡相互缠绕，互相对抗抵消，从而达到降低扰动的目的。

本实施例中，如图2、图3，所述前缘挡板15可转动安装在所述上壳板11上，其转轴平行于左翼1或右翼2的延伸方向，前缘挡板15连接有驱动机构16，所述驱动机构16用于驱动前缘挡板15绕其转轴转动，使前缘挡板15相对于翼面向上旋转一定角度，以调整前缘挡板15的迎风面积。如图3、图4所示，前缘挡板15以铰接的方式连接在上壳板11上。

在风机机舱10的两侧额外设置翼体3，可增大气动阻力，当前缘挡板15翻起时起到进一步增大气动阻力的作用，达到快速减速的目的。前缘挡板15的翻转角度不同，对应的受风面积不同，可通过改变前缘挡板15的开启角度，来增大受风面积，增大受到的风推力，从而达到抑制艏倾的目的。

为进一步提高对受风面积的灵活调节，可设置多个前缘挡板15，具体为，所述上壳板11上设置有若干通口，所述前缘挡板15盖合在所述通口上，一个通口对应一块前缘挡板15，使得前缘挡板15盖合时上壳板11成为一个封闭的整体。本实施例中，每个上壳板11上设置两块前缘挡板15，上壳板11上对应两个通口。

驱动机构16的作用在于驱动前缘挡板15转动，可为现有的结构或形式，如旋转驱动电机、旋转气缸、电动伸缩杆、伸缩气缸等。作为其中一种实施方式，如图4，所述驱动机构16包括液压杆162、液体泵、液压缸161、液箱和液体管路等，所述液体泵和液箱设置在所述翼体3内的内部支撑梁13上，液箱、液体泵和液压缸161通过所述液体管路依次相连，所述液压缸161的一端铰接在所述内部支撑梁13上，另一端与所述液压杆162的一端相连，液压杆162的另一端铰接在所述前缘挡板15的背面。液体管路和控制线路沿内部支撑梁13布置。

为了提高控制的自动化程度，还包括姿态传感器，所述姿态传感器可设置在风机机舱的顶部，用于探测风机的姿态，风机的姿态包括纵摇、横摇的角度和加速度，姿态传感器与各所述驱动机构16相连，用于根据风机的姿态和风速调节各前缘挡板15的迎风角度。风速、风向等风况指标可由风机上通常设置的传感器得到。在翼体3上壳板11上设置多个通口，并覆盖上可翻转的前缘挡板15，在可由独立的驱动机构16驱动打开。当风机出现艏倾时，风机姿态传感器将信号传递给主控，主控根据其角位移，对各驱动机构16的液体泵下达控制指令，前缘挡板15受液压杆162驱动升起，增大机舱10的阻力。阻力的大小根据从艏倾到平衡位置所需要的恢复力距确定，可根据风速调节前缘挡板15升起的角度，从而调节气动阻力的大小。如，探测到风机在中纵剖面方向上前倾时，应尽量加大推力使风轮恢复至初始平衡位置或减少倾斜角度，此时可打开前缘挡板15；探测到机舱做剧烈往复运动时，也应增大前缘挡板15的迎风角度，从而增加启动阻尼抑制运动。

作为其中一种实施方式，本实施例中，所述翼体3呈柱状，柱状的一端与机舱10的侧面相连，另一端与所述翼梢小翼14相连，柱状平行于机舱10的竖直截面（也即垂直于风轮面的竖直截面）呈水平的翼型。如图6，所述翼型水平方向的最大宽度L与竖直方向的最大宽度H之比为4：1。由于风在通过风轮20时被吸收能量，速度相应减小，在机舱10位置达到低雷诺数状态，为尽量减小翼142体结构的正面阻力，降低翼体3结构对风轮正常运行的影响，尽可能减小其正面迎风面积，可减小其厚度，经计算得到其厚度与弦长比约为1：4。

如图3、图6，所述翼型靠近风机风轮的一端为翼体前缘31，翼型背离风机风轮的一端为翼体后缘32，翼体前缘31的曲率小于翼体后缘32的曲率。曲率越大，弯曲程度越大，曲率半径就越小，即翼体前缘31较圆，翼体后缘32较尖，较圆的一端靠近风轮面。本实施例中，所述上壳板11和下壳板12的形状对称，使得翼体3为上下对称形状，这样空气沿翼体3上下表面运动的距离相同，自然流速也相同，根据伯努利定理，翼体3上下的压力相等，就不会因压力差而产生升力，可维持机舱10整体结构受力稳定。每个所述翼体3内均设置有两根所述内部支撑梁13，两根内部支撑梁平行于翼体3的延伸方向，并贯通翼体3结构的空腔主体，以增强其结构强度，并给内部设备提供可安装位置。

如图5，所述翼梢小翼14包括一体化设置的连接部141和小翼142，所述连接部141用于与所述翼体3相连，所述小翼142在平行于风轮面的平面方向上斜向上延伸，延伸的方向为渐远离机舱的方向，且沿着向上延伸的方向渐变薄。翼梢小翼14上小翼142主要的作用是耗散翼尖部分由于尺寸缩减引起的涡流，从而达到减少载荷的扰动的目的。经结构计算，以左翼的后视图图5为例，小翼142内侧的轮廓线大致呈直线，该轮廓线与竖直线之间的夹角α约为15°-20°。

图7至图11展示了本实施例中小翼142的结构和形状，具体为，小翼142包括小翼底面1421、小翼顶面1422、小翼前缘1423和小翼后缘1424，小翼前缘1423位于靠近风机风轮的一侧，小翼后缘1424位于背离风机风轮的一侧，小翼142整体呈渐向上变窄的锥体，小翼底面1421的面积大于小翼顶面1422的面积，锥体的水平截面为翼型（可参见图7、图9、图11），翼型的一端对应小翼前缘1423，另一端对应小翼后缘1424，如图11所示，小翼前缘1423的曲率小于小翼后缘1424的曲率，即小翼前缘1423相对于小翼后缘1424更圆，小翼后缘1424近似于锐角。

从垂直于风轮面的竖直方向上来看，如图10所示，小翼前缘1423向远离风轮面的一侧渐斜向上延伸（也可参考图8、图9），小翼前缘1423在垂直于风轮面的竖直面上的轮廓线大致呈直线，该轮廓线与竖直线的夹角β约为30°-50°，小翼后缘1424基本竖直向上。小翼142整体结构起到降低气流扰动的同时，也可尽量降低其自身对风机正常运行的影响。

连接部141具有折弯结构，一端连接水平设置的翼体3，另一端连接斜向上设置的小翼142，具体结构可参考图5、图7来实现。连接部141和小翼142均可采用由壳板组合成的中空结构，以减轻重量。

一种浮式风电风机，包括机舱10、风轮20和上述用于浮式风电风机的气动阻力装置，所述风轮20连接在所述机舱10上，且风轮20面竖直设置，所述气动阻力装置设置在所述机舱10上。风轮20可为常见的三叶片式水平轴风轮20。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，其特征在于，包括左翼和右翼，所述左翼和右翼对称固定在风机机舱的左右两侧并向两侧延伸，风机机舱的前端安装有水平轴风轮，左翼和右翼具有相同的结构，均包括上壳板、下壳板、内部支撑梁、前缘挡板和翼梢小翼，所述上壳板和下壳板扣合成具有空腔的翼体，所述翼体水平设置，所述内部支撑梁设置在所述翼体内，起到支撑内部空腔的作用，所述翼体的一端连接固定在机舱的侧面上，所述翼梢小翼连接固定在翼体的另一端上；所述前缘挡板可转动安装在所述上壳板上，其转轴平行于左翼或右翼的延伸方向，前缘挡板连接有驱动机构，所述驱动机构用于驱动前缘挡板绕其转轴转动，以调整前缘挡板的迎风面积。

2.根据权利要求1所述的一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，其特征在于，所述上壳板上设置有若干通口，所述前缘挡板盖合在所述通口上，一个通口对应一块前缘挡板，使得前缘挡板盖合时上壳板成为一个封闭的整体；所述驱动机构包括液压杆、液体泵、液压缸、液箱和液体管路，所述液体泵和液箱设置在所述翼体内的内部支撑梁上，液箱、液体泵和液压缸通过所述液体管路依次相连，所述液压缸的一端铰接在所述内部支撑梁上，另一端与所述液压杆的一端相连，液压杆的另一端穿过所述通口铰接在所述前缘挡板的背面。

3.根据权利要求1所述的一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，其特征在于，还包括姿态传感器，所述姿态传感器设置在机舱的顶部，用于探测风机的姿态，所述风机的姿态包括纵摇、横摇的角度和加速度，姿态传感器与各所述驱动机构相连，用于根据风机的姿态和风速调节各前缘挡板的迎风角度。

4.根据权利要求1所述的一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，其特征在于，所述翼体呈柱状，柱状的一端与机舱的侧面相连，另一端与所述翼梢小翼相连，柱状垂直于风轮面的竖直截面呈水平的翼型；所述翼型水平方向的最大宽度与竖直方向的最大宽度之比为4：1。

5.根据权利要求4所述的一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，其特征在于，所述翼型靠近风机风轮的一端为翼体前缘，翼型背离风机风轮的一端为翼体后缘，翼体前缘的曲率小于翼体后缘的曲率；所述上壳板和下壳板的形状对称，每个所述翼体内均设置有两根所述内部支撑梁，两根内部支撑梁平行于翼体的延伸方向并贯通翼体的空腔。

6.根据权利要求1所述的一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，其特征在于，所述翼梢小翼包括一体化设置的连接部和小翼，所述连接部用于与所述翼体相连，所述小翼在平行于风轮面的平面方向上斜向上延伸，延伸的方向为渐远离机舱的方向，且沿着向上延伸的方向渐变薄。

7.根据权利要求6所述的一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，其特征在于，所述小翼内侧在平行于风轮面的平面方向上的轮廓线呈直线，该轮廓线与竖直线之间的夹角为15°-20°。

8.根据权利要求6所述的一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，其特征在于，所述小翼包括小翼底面、小翼顶面、小翼前缘和小翼后缘，所述小翼前缘位于靠近风机风轮的一侧，小翼后缘位于背离风机风轮的一侧，小翼整体呈渐向上变窄的锥体，锥体的水平截面为翼型，翼型的一端对应小翼前缘，另一端对应小翼后缘，小翼前缘的曲率小于小翼后缘的曲率。

9.根据权利要求8所述的一种用于浮式风电风机的气动阻力装置，其特征在于，所述小翼前缘向远离风轮面的一侧渐斜向上延伸，小翼前缘在垂直于风轮面的竖直面上的轮廓线呈直线，该轮廓线与竖直线的夹角为30°-50°，小翼后缘竖直向上延伸。

10.一种浮式风电风机，其特征在于，包括机舱、风轮和如权利要求1至9任一项所述的用于浮式风电风机的气动阻力装置，所述风轮连接在所述机舱上，且风轮面竖直设置，所述气动阻力装置设置在所述机舱上。