CN210769152U - 塔架的筒节、塔架及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种塔架的筒节、塔架及风力发电机组。该筒节的外周面上沿周向间隔或者连续压制有向内凹陷的多个凹部，凹部的深度尺寸由边缘向中间逐渐加大，以使气流在筒节的外周面形成为湍流边界层。本实用新型通过在筒节的外周面上设置向内凹陷的多个凹部，可以介入自然力空气流流场，使得上风向来流对塔架绕流形成的层流边界层改变为湍流边界层，打破层流边界层流动、流态的相关性，阻止脉动压力一致性，从根本上抑制涡激振动的成因。

Description

塔架的筒节、塔架及风力发电机组

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，具体涉及一种筒节、塔架及风力发电机组。

背景技术

现代大型兆瓦级风力发电机组的塔架高度可达60m～100m，塔架用来支撑顶部的机舱及叶轮系统，同时为电缆和控制柜提供空间。风力发电机组运行时，塔架受到的载荷除了顶部零部件产生的重力和风轮旋转产生的动载荷外，还要受到自然风的作用。

风吹过塔架时，尾流左右两侧产生成对的、交替排列的及旋转方向相反的反对称漩涡，即卡门漩涡。卡门漩涡以一定频率脱离塔架，使塔架发生垂直于风向的横向振动，也称风诱发的横向振动，即涡激振动。当漩涡的脱离频率接近塔架固有频率时，塔架容易发生共振而破坏。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种筒节、塔架及风力发电机组，该筒节可以抑制塔架在吊装和运行过程中的涡激振动。

一方面，本实用新型实施例提出了一种塔架的筒节，筒节的外周面上沿周向间隔或者连续压制有向内凹陷的多个凹部，凹部的深度尺寸由边缘向中间逐渐加大，以使气流在筒节的外周面形成为湍流边界层。

根据本实用新型实施例的一个方面，凹部沿垂直于自身深度方向的横截面形状为圆形，且凹部的最大深度尺寸d与最大直径尺寸D的比值d/D＝0.05～0.5。

根据本实用新型实施例的一个方面，凹部的最大深度尺寸d与最大直径尺寸D的比值d/D＝0.1～0.2。

根据本实用新型实施例的一个方面，凹部沿垂直于自身深度方向的横截面形状为椭圆形，凹部的长轴或者短轴沿筒节的周向设置，凹部的最大深度d与长轴或者短轴的最大长度尺寸L的比值d/L＝0.1～0.5。

根据本实用新型实施例的一个方面，凹部的最大深度尺寸为5mm-10mm。

根据本实用新型实施例的一个方面，沿自下至上的方向，凹部的最大深度逐渐增加。

根据本实用新型实施例的一个方面，多个凹部沿筒节的周向呈波浪状设置。

根据本实用新型实施例的一个方面，多个凹部在筒节的外周面上呈行列对齐或者交错设置。

另一方面，本实用新型实施例还提供了一种塔架，其应用于风力发电机组，该塔架设置于地面与风力发电机组的机舱之间，塔架包括沿竖直方向依次分布的多个筒节，其中，靠近机舱设置的至少一个筒节为如前所述的任一种筒节。

另一方面，本实用新型实施例还提供了一种风力发电机组，其包括如前所述的塔架。

本实用新型实施例提供的塔架的筒节、塔架及风力发电机组，通过在筒节的外周面上设置向内凹陷的多个凹部，可以介入自然力空气流流场，使得上风向来流对塔架绕流形成的层流边界层改变为湍流边界层，打破层流边界层流动、流态的相关性，阻止脉动压力一致性，从根本上抑制涡激振动的成因。

附图说明

下面将参考附图来描述本实用新型示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本实用新型实施例提供的一种塔架的结构示意图；

图2是气流在普通筒节的外周面形成的层流边界层的示意图；

图3是气流在具有凹部的筒节的外周面形成的湍流边界层的示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种塔架的筒节的结构示意图；

图5是图4所示的筒节的横截面的结构示意图。

其中：

1-筒节；11-凹部；21-第一筒节；22-第二筒节；

3-机舱；4-导流罩；5-叶片；10-塔架。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本实用新型的具体结构进行限定。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了更好地理解本实用新型，下面结合图1至图5对本实用新型实施例提供的塔架的筒节、塔架及风力发电机组进行详细描述。

参阅图1，本实用新型实施例提供了一种塔架10，应用于风力发电机组，塔架10可以是钢筒，也可以是钢筒与混凝土塔架的组合。塔架10顶部设置有机舱3，机舱3连接发电机(图中未示出)、轮毂(图中未示出)，轮毂连接叶片5，轮毂的外周侧还设置有导流罩4。

塔架10设置于地面与机舱3之间，在风力发电机组中主要起支撑作用。塔架10包括沿竖直方向依次分布的多个筒节，图1示出了在塔架10顶部以下预定高度处设置三个筒节，该预定高度优选地大于等于叶片5的长度。在转动过程中，叶片5会周期性地出现在塔架10顶部以上或者对应于塔架10外表面。叶片5在顶部以上时叶片5背面(朝向上风向来流的一面为正面)为空气流；而在塔架10外表面位置时，叶片5背面正对塔架10外表面，此时，气流在叶片5背面容易产生气流滞止的塔影现象，造成相应的叶片5在塔架10前方经过时顺着风向的弯矩出现脉动性降低。

塔架10的安装过程中，各个筒节被逐段吊装。在吊装安装过程中，常会遇到大小变化不定的阵风或持续的小风，而如上所述，这些阵风或持续风有可能对塔架诱发振动，破坏筒节稳定、危及现场人身和设备的安全，推迟安装工期。例如，吊装第二个筒节后，塔架10存在振动，导致第三个筒节无法对准；甚至，紧固的螺栓可能会在振动作用下断裂，从而危及安全。

在塔架10的吊装过程中，吊装靠近地面的筒节时，例如吊装第一筒节21和第二筒节22时，由于塔架10的刚度足够，塔架不会出现由于特定风速下的漩涡脱落导致的振动。当吊装的塔架10达到一定的高度，例如靠近机舱3的第三个筒节1时，由于筒节的外周面光滑，整个塔架的频率会和特定风速下的漩涡脱落频率相同，导致塔架10长时间摆动，影响机舱的吊装。

为了顺利吊装较高的筒节，例如靠近机舱3设置的第三个筒节1，在筒节1的外周面上沿周向间隔或者连续压制有向内凹陷的多个凹部11，凹部11的深度尺寸由边缘向中间逐渐加大，以使风在筒节1的外周面形成为湍流边界层。由于筒节1的外周面上的多个凹部11，流过塔架表面的气流不会发生漩涡脱落，也就避免了共振，能够使得吊装塔架顺利进行；在吊装完塔架后，也能够使得塔架顶部的部件顺利进行吊装。

图2示出了气流在普通筒节的外周面形成的层流边界层的示意图。如图2所示，普通筒节为具有光滑外周面的筒状圆柱体结构，例如本实施例图1中的第一筒节21和第二筒节22，当均匀气流流经(横掠、绕流)普通筒节的光滑外周面时，在光滑外周面形成层流边界层，这时层流边界层的分离点靠近光滑圆柱前部，这样造成后部尾流区域较大，后部尾流区域产生的周期性的漩涡脱落会对普通筒节的表面接触面产生一个周期性变化的作用力，即涡激力，使得普通筒节受到气流的阻力较大。

图3示出了气流在具有凹部的筒节的外周面形成的湍流边界层的示意图。如图3所示，当气流流过具有凹部11的筒节1的外周面时，由于多个凹部11的存在，气流在筒节1外周面形成的层流边界层会被打断，形成湍流边界层，气流会在筒节1的外周面形成长距离贴附，而且分离点位于后部，形成后部的尾流区较小，筒节受到气流的阻力也较小，同时在凹部11的表面的尾流区域不易形成有规律脱落的卡门漩涡，这样就避免了漩涡脱落频率与塔架10的固有频率相同，避免了塔架10的涡激振动。

由此，当在塔架10顶部的第三个筒节1的外周面上设置多个凹部11时，上风向气流绕流塔架10整体上被分成两段情形，上部第三个筒节1有凹部11的段落，下部普通筒节如第一筒节21、第二筒节22没有凹部11的段落；这也就打破了整体上风向来流沿着塔架10外表面时的上下相关性，塔架10上部具有凹部11的筒节1及下部没有凹部11的普通筒节的共同作用将削弱、降低或阻止塔架10外表面边界层绕流脱体时的涡激共振响应，从根本上阻止塔架10上部涡激诱发的振动。

需要说明的是，靠近机舱3设置的筒节1的数量为至少一个，例如可以为两个，以进一步抑制塔架10的涡激振动。

本实用新型实施例提供的塔架的筒节1，通过在外周面设置向内凹陷的多个凹部11，可以介入自然力空气流流场，使得上风向来流对塔架绕流形成的层流边界层改变为湍流边界层，打破层流边界层流动、流态的相关性，阻止脉动压力一致性，从根本上抑制涡激振动的成因，即阻止塔架后方背风侧两侧卡门漩涡现象的发生、阻止塔架涡激响应的放大及抑制塔架被诱发振动。

下面结合附图进一步详细描述本实用新型实施例提供的筒节1的具体结构。

参阅图4，如前所述，靠近机舱3设置的筒节1的外周面上设置有向内凹陷的多个凹部11。筒节1可以由钢板上压制出凹部11后，再卷制成筒节1。

可选地，凹部11沿垂直于自身深度方向的横截面形状为圆形或者椭圆形。当气流经过时，可以减小对气流的阻力，保证形成的脉动具有一定的动量。

筒节1外周面的凹部11可以干扰上风向来流，从而使上风向来流具有一定的紊流强度。而当上风向来流具有一定的紊流强度时，上风向来流中已经携带各种能量的漩涡，具有各种频率成分的能量，这些能量分散性较大，具有脉动性，此时经过塔架10的外表面时，塔架10顶部的筒节1的外表面结构对上风向来流的整合作用是发生在上风向来流中已经有漩涡基础上的。而在杂乱无章的上风向来流基础上再将其改造成与塔架振动基频相同的漩涡是不容易的客观事实，因此，凹部11的干涉使得涡激振动得以抑制。

可选地，凹部11沿垂直于自身深度方向的横截面形状为圆形时，凹部的最大深度尺寸d与最大直径尺寸D的比值d/D＝0.05～0.5。凹部11的最大直径尺寸需要满足一定的设计要求，避免过小出现堵塞现象，也避免过大造成通流截面积较大。并且，实验表明，满足一定比例的深度/直径之比的凹部11的结构，增大了筒节的表面换热效果，但遇风阻力几乎不增加。

优选地，凹部11的最大深度尺寸d与最大直径尺寸D的比值d/D＝0.1～0.2。采用该优选的深度/直径的比值范围，换热效果可以增加1.5-2.0倍，但阻力的增加可以忽略不计，即，该比值可以保证加速气流作用的发挥的同时，最佳地实现筒节的散热效果。

可选地，凹部11沿垂直于自身深度方向的截面形状为椭圆形时，凹部11的长轴或者短轴沿筒节1的周向设置，凹部11的最大深度d与长轴或者短轴的最大长度尺寸L的比值d/L＝0.1～0.5。

由于筒节1的外周面设置凹部11以抑制涡激振动的主要机理在于打破边界层，致力于从根本上消除涡激成因，故凹部11的深度较小，不会影响塔架外表面的强度，产生噪音也会很低，能够达到环境标准，因此不仅在安装阶段可以使用，安装之后也可以长期使用。

可选地，凹部11的最大深度尺寸为5mm-10mm，易于加工制造，同时该深度又可以避免潮湿环境下霉菌填满凹部11。从抑制涡激振动的机理来说，本方案从绕流脱体引起的涡激振动成因出发，涡激振动的抑制效果更好，也不会诱发其他振动。

进一步可选地，沿自下至上的方向，凹部11的最大深度逐渐增加。凹部11的深度越深，对边界层的破坏越明显，抑制振动的能力也越强，如前所述，从下至上，筒节1的振动破坏逐渐增强。凹部11的深度从下至上增加可以顺应涡激振动的抑制需求，以打破上风向来流沿着塔架10外表面时的局部上下相关性，阻止脉动压力一致性，从根本上阻止涡激成因。

参阅图5，多个凹部11沿筒节1的周向呈波浪状设置。波浪状的界面结构可以驱使并诱发凹部11内的流体振动，这种基本的振动在凹部11的边界层内诱导出更高层次的谐振动，可以激发流体流动从层流提前转化为湍流，具备更高动量，以抑制逆压梯度下绕流脱体的回流现象发生，继而抑制或阻止边界层分离塔架10外表面，抑制涡激振动。

进一步地，多个凹部11在筒节1的外周面上呈行列对齐设置。整体上，具有凹部11的筒节1绕流气流紧贴筒节1的外表面，后部外表面不发生边界层分离和卡门漩涡现象，阻碍筒节1后方两侧漩涡的形成；多个凹部11在筒节1的外周面上呈行列对齐设置，从本质上可以增强对凹部11内边界层的干扰，从而进一步提升抑制涡激振动的能力。

进一步地，多个凹部11在筒节1的外周面上呈行列交错设置。上风向来流引出的气流汇入该多个凹部11后可以碰撞，引起漩涡，加强干扰，且增加整体漩涡动量，有助于阻止绕流脱体现象的发生。

另外，风力发电机组通过风轮机和发电机将获取的风能转化成电能，电能经过风力发电机组的开关柜控制，借助电力传输电缆或电力输送母排导线输运至完成电力电能变换任务的变流器，再经过变流器处理后可获得能与电网对接规则要求的电能。其中，电力传输电缆从机舱3引出后沿塔架10的内壁垂下至变流器处。

由于在具有凹部11的筒节1的外周面形成的湍流边界层比普通筒节的光滑外周面形成的层流边界层具有更高的对流换热系数，使得筒节1具有更多的换热面积，筒节1的散热效果是普通筒节的散热效果2倍以上，增强了塔架10的散热效果。由此，风力发电机组在运行时，塔架10能够为内部的电控柜和电力传输电缆或电力输送母排导线提供更好的冷却效果。

另外，本实用新型实施例还提供了一种风力发电机组，其包括如前所述的任一种塔架10。

风力发电机组在吊装如前所述的塔架10的过程中，塔架10更稳定，不易产生涡激振动，避免安装附加扰流设备带来吊装的复杂性和成本；风力发电机组在运行过程中，塔架10受到的阻力更小，在塔架10尾部不易形成卡门旋涡，能有效降低机组发生振动的几率。另外，塔架10顶部的筒节1由于设置多个凹部11，可以增强塔架10的散热效果，能够为塔架内的电控柜和电缆提供更好的冷却效果。

可以理解的是，本实用新型实施例提高的筒节1并不限于塔架10，也可以是其他具有类似结构并具有涡激振动抑制需求的结构，例如电视塔。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种塔架的筒节(1)，其特征在于，所述筒节(1)的外周面上沿周向间隔或连续压制有向内凹陷的多个凹部(11)，所述凹部(11)的深度尺寸由边缘向中间逐渐加大，以使气流在所述筒节(1)的外周面形成为湍流边界层。

2.根据权利要求1所述的筒节(1)，其特征在于，所述凹部(11)沿垂直于自身深度方向的横截面形状为圆形，且所述凹部(11)的最大深度尺寸d与最大直径尺寸D的比值d/D＝0.05～0.5。

3.根据权利要求2所述的筒节(1)，其特征在于，所述凹部(11)的最大深度尺寸d与最大直径尺寸D的比值d/D＝0.1～0.2。

4.根据权利要求1所述的筒节(1)，其特征在于，所述凹部(11)沿垂直于自身深度方向的横截面形状为椭圆形，所述凹部(11)的长轴或者短轴沿所述筒节的周向设置，所述凹部(11)的最大深度d与长轴或者短轴的最大长度尺寸L的比值d/L＝0.1～0.5。

5.根据权利要求1至4任一项所述的筒节(1)，其特征在于，所述凹部(11)的最大深度尺寸为5mm-10mm。

6.根据权利要求5所述的筒节(1)，其特征在于，沿自下至上的方向，所述凹部(11)的最大深度逐渐增加。

7.根据权利要求1所述的筒节(1)，其特征在于，多个所述凹部(11)沿所述筒节(1)的周向呈波浪状设置。

8.根据权利要求1所述的筒节(1)，其特征在于，多个所述凹部(11)在所述筒节(1)的外周面上呈行列对齐或者交错设置。

9.一种塔架(10)，应用于风力发电机组，所述塔架(10)设置于地面与所述风力发电机组的机舱(3)之间，所述塔架(10)包括沿竖直方向依次分布的多个筒节，其特征在于，靠近机舱(3)设置的至少一个所述筒节为如权利要求1至8任一项所述的筒节(1)。

10.一种风力发电机组，其特征在于，包括如权利要求9所述的塔架。

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