降低风机塔筒涡激振动的结构的制作方法

本实用新型涉及风力发电领域，特别涉及一种降低风机塔筒涡激振动的结构。

背景技术：

近年来空气质量问题成为关乎环境与人类健康的重要问题，作为清洁可再生能源的风能，也越来越多地服务于人类生产和生活。风力发电装置有多种类型，主要为水平轴三叶轮发电机，这类发电机发电功率与叶轮直径大小成正相关关系，因此随着发电功率增大叶轮直径增加，加之高度越大风力越大，风力机高度不断提升。如图1所示，风力发电机主要由叶片、轮毂、机舱、塔筒、过渡部分及底部支撑结构组成。塔筒承担着为顶部结构提供有效支撑的作用。MW级风力机塔筒往往几十上百米，受制造、运输、吊装能力等多方面限制塔筒一般分段建造安装，单段长度20-30m左右，例如图1所示的01段、02段和03段，这里的01段塔筒指顶部单段或整个塔筒上段不超过1/2塔筒高度部分。

细长塔筒受风流场作用，流体受塔筒阻挡绕过塔筒继续流动,此时流场受塔筒干扰而改变,受构件尺度、形状、风速、粗糙度、空气粘性等影响流体离开构件时会有不同，在一定条件下会形成周期性不平衡风压作用，从而导致风机发生振动，即风机的涡激振动。当不平衡风压的周期与风机整体某阶固有周期接近时(通常为风机的一阶固有频率)，风机的涡激振动会显著增强。涡激振动的发生将对风机运行的可靠性、安全性产生不利影响。随着风机塔架高度的增加，涡激振动已经成为行业内不可避免亟待解决的问题。

涡振的作用机理及特点如下：

(1)当风流经塔筒时，会在结构的两侧产生不对称的旋涡脱落，使结构表面受到周期性正负压力，在一定风速下结构所受合力的频率与结构的自振频率一致，此时结构发生涡激振动。

(2)涡激振动是一种简谐振动，其振动形式通常表现为横风向振动或扭转振动。结构振幅较大时，结构的运动对气体的绕流形态产生反馈作用，使旋涡脱落频率在一定风速围内和结构固有振动频率相等，即涡激共振的“锁定”现象。“锁定”会增加结构发涡激振动的机率，增强三维结构上的涡激力的相关性。涡激振动是一种限幅振动，对结构的质量和阻尼较为敏感，当结构质量和阻尼均较小时，涡激共振振幅可能很大。在锁定区内，涡脱频率不再服从Strouhal关系式，而是保持在结构固有频率值处。在锁定区，物体振幅可达到结构横风向尺寸的几分之一。

(3)圆柱涡激振动与Re关系；

雷诺数Re表示惯性力与粘性力之间关系：Re＝惯性力/粘性力＝(ρ*U²/L)/(μ*U/L²)＝ρ*U*L/μ＝U*L/ν，式中，ρ：空气密度；U风速；L结构特征尺度；μ空气粘度；ν空气运动粘性系数＝1.5*10^-5m²/s；

当Re<5：流动不分离；当5～15<Re<40：尾流出现一对稳定旋涡；当40<Re<3.0×10²：旋涡从圆柱后方规则地交替脱落,形成卡门涡街；当3.0×10²<Re<3.0×10⁵：亚临界范围旋涡以一个明确的频率周期性地脱落；当3.0×10⁵<Re<3.5×10⁵：在临界范围旋涡被紊流所掩盖，涡脱杂乱无章；当3.5×10⁵<Re：在超临界范围涡重新建立，涡脱重新出现周期性。所以，不同雷诺数情况下的绕流形态不同，因而其旋涡脱落的频率及作用在结构上的气动力也不同。

(4)涡振产生条件：St＝fv*D/U；式中，St：斯托罗哈数；U：风与塔筒相对速度；fv：涡脱频率；D：塔筒直径。

(5)锁定风速条件：U＝fv*D/St。

(6)涡激振特点：a、是一种一定风速区发生的有限振幅振动；b、只在某一风速区域内发生；c、最大振幅对结构阻尼有很大的依赖；d、断面形状的微小变化对响应很敏感；e、涡激振动可以激起弯曲振动，也可以激振扭转振动。

涡激振动作为一种周期性动载荷引起的结构振动现象，将对风机塔筒焊接点处的疲劳将产生不利影响。此外，在风机安装或停机等风机控制系统控制策略无法执行的状态下，风机涡激振动的发生将对风机的结构安全产生非常不利的影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种降低风机塔筒涡激振动的结构，依据涡振产生机理和特点，改变筒壁流场分布，继而影响筒壁表面泄涡来避免或减轻涡激振动，为减小风压作用下的塔筒振动及避免共振现象发生。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种降低风机塔筒涡激振动的套筒结构，所述套筒结构包括用于减小涡激振动的尾部；所述套筒结构设置为柔性套筒结构，包饶在塔筒顶部外围，或者，所述套筒结构设置为刚性套筒结构并包饶在塔筒顶部外围。

优选地，所述刚性套筒结构的上风向端呈环状且贴近并不接触塔筒筒壁，下风向端设置为翼型或者棱柱；所述刚性套筒结构的高度方向上任意截面为有翼型剖面状或者圆周与三角形结合状。

优选地，所述刚性套筒结构的上下端部通过采用使所述刚性套筒结构在风压作用下自由转动以自动对正风向的连接结构体进行固定。

优选地，所述刚性套筒结构的连接结构体包含套筒端部连接端、套筒和塔筒交接处、塔筒连接和外伸部分、连接器滑轨部分；所述套筒和塔筒交接处部分为所述连接器滑轨部分和所述套筒端部连接段之间的接触面；所述连接器滑轨部分通过所述塔筒连接和外伸部分与塔筒外壁连接；所述塔筒连接和外伸部分与所述连接器滑轨部分环绕塔筒一周形成滑轨，所述连接器滑轨部分外表面与所述套筒端部连接段形成滑道。

优选地，所述塔筒连接和外伸部分与所述连接器滑轨部分二者通过焊接连接或制造成一体铸造件；所述连接器滑轨部分为球形状或者其他形状突起状；所述套筒端部连接段作为套筒连接件设置为连续或者沿圆周相对均匀地布置若干块。

优选地，所述滑轨设置于所述刚性套筒结构的顶部和底部，所述刚性套筒结构的顶部及底部的滑轨的结构相同。

优选地，所述套筒和塔筒交接处部分设置为光滑接触，或者，所述套筒和塔筒交接处部分设置为磁性连接。

优选地，所述刚性套筒结构的连接结构体包含：

连接刚性套筒结构和塔筒的滑轨，其设置为磁性导轨，该滑轨一端与塔筒连接，另一端为滑轨轨道；该滑轨包含第一滑轨和第二滑轨；

套筒顶端部，其与第一滑轨的轨道凹槽相配合形成的多个表面设置为顶部的磁力面；

套筒底端部，其与第二滑轨的轨道凹槽相配合形成的多个表面设置为底部的磁力面；所述底部的磁力面与顶部的磁力面配合形成若干对磁力斥力面。

优选地，所述若干对磁力斥力面对应的各对斥力分别为第一对斥力、第二对斥力和第三对斥力；所述第一对斥力和所述第二对斥力均为大小相等且方向相反的一对水平方向平衡的斥力；所述第三对斥力为一对垂直方向平衡的斥力。

优选地，所述第一轨道连接有第一轨道结构支撑加强构件，所述第二轨道连接有第二轨道结构支撑加强构件；所述第一轨道结构支撑加强构件和所述第二轨道结构支撑加强构件均沿轴向连续焊接一圈并可间断地周向均布。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：(1)本实用新型通过对塔筒顶部单段整体或部分外围环绕一圈套筒，该套筒具有一定尾部形状，可以改善尾部流场，从而减小涡振。套筒上下端设计有具体连接形式，可以使套筒自由滑动，并可以根据机翼理论在风力作用下自动变向，迎接来风。(2)本实用新型套筒可作为柔性包绕，由于流体粘性作用不宜过长，在风力作用下迎风向自动贴合塔筒，背风部分脱离塔筒表面而产生类似翼型的形状，避开紧背部低压区域，改善背部流场，从而减小涡振。(3)本实用新型对塔筒顶部单段外周缠绕螺旋管路，上风向设有集风口，下风向沿管路设置泄风口，以扰乱塔筒下风向的尾流，达到减小涡振目的。

附图说明

图1现有技术的塔筒及风力机整体示意图；

图2本实用新型实施例一的塔筒顶段套筒结构示意图；

图3本实用新型实施例一的塔筒顶段套筒连接方式示意图；

图4本实用新型实施例一的塔筒顶段套筒的上部连接示意图；

图5本实用新型实施例一的塔筒顶段套筒的下部连接示意图；

图6本实用新型实施例二的管路结构中上风向示意图；

图7本实用新型实施例二的管路结构中侧向示意图；

图7a本实用新型图7对应的A局部侧向视图；

图8本实用新型实施例二的管路结构中下风向示意图；

图8a本实用新型实图8对应的B局部正向视图；

图9本实用新型实施例二的螺距及导程示意图。

具体实施方式

本实用新型公开了一种降低风机塔筒涡激振动的结构，为了使本实用新更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

实施例一：

如图2所示，本实用新型的降低风机塔筒涡激振动的结构设计方法是在塔筒顶部单段整体或部分外围环绕一圈套筒205，该套筒205具有一定尾部形状，可以改善尾部流场，从而减小涡振。套筒上下端设计有具体连接形式，可以使套筒自由滑动，并可以根据机翼理论在风力作用下自动变向，迎接来风。

套筒可作为柔性包绕(即类似厚牛皮纸等具有一定柔韧度材料)，由于流体粘性作用不宜过长，在风力作用下迎风向自动贴合塔筒，背风部分脱离塔筒表面而产生类似翼型的形状，避开紧背部低压区域，改善背部流场，从而减小涡振。

本实施例中，柔性包绕层周长大于其对应包绕部位塔筒周长，而任意挤压形状后其最大纵向延伸长度应小于(1+D)m以保证其任意情况下不与叶轮产生干涉，其中D为塔筒最大直径。包绕层是具有特定柔性韧性的材料，上下端可通过顶段塔筒的上下法兰直接固定。

刚性套筒形式如图2所示，套筒包绕在塔筒顶段的外周。上风向端呈环状，尽量贴近而不接触塔筒筒壁，依据施工精度及材料刚度等条件确定合适的间隔距离。下风向端设有一定翼型或直接棱柱处理。该套筒在高度方向上，任意截面表现为有翼型的剖面形状或圆周与三角形组合。

套筒在周向上最大投影长度应保证不与叶片产生干涉并留有一定安全距离。最大套筒可整体包绕也可分段包绕。刚性套筒的上下端采用一定结构进行固定，该结构可保证刚性套筒可以在风压作用下自由转动以自动对正风向。

(1)套筒端部连接方式一，具体如下：

本实施例中，可采用如图3所示形式固定套筒上下端。

如图2和图3结合所示，201为塔筒外壁，202为塔筒连接和外伸部分，203为连接器滑轨部分，205为套筒，206为套筒端部连接段。

连接器滑轨部分203属于塔筒外伸部分，通过塔筒连接和外伸部分202与塔筒外壁201紧固。连接器滑轨部分203形状可以是球形，也可为其他形状突起。

本实施例中，塔筒连接和外伸部分202及连接器滑轨部分203环绕塔筒一周形成连续轨道，保证套筒205可以在风压作用下通过滑轨结构自由滑动。具体地，塔筒连接和外伸部分202和连接器滑轨部分203共同构成滑轨，二者通过焊接连接或可制造成一体铸造件。该滑轨通过塔筒连接和外伸部分202与塔筒外壁201焊接，通过连接器滑轨部分203外表面与套筒端部连接段206组成滑道。滑轨仅设置于套筒顶部及底部，顶部及底部的结构形式相同，滑轨位置如图2中的P点所示。

套筒端部连接段206作为套筒连接件可以连续，也可仅沿圆周相对均匀地布置几块，起到有效连接和支撑套筒205重量作用即可。

套筒和塔筒交接处部分204为连接器滑轨部分203和套筒端部连接段206的接触面，该套筒和塔筒交接处部分204设置为光滑接触，保证套筒和塔筒两者光滑接触。此时，对接触面处加润滑减小接触面间摩擦，保障套筒205通过套筒端部连接段206(即连接件)沿滑道的顺畅滑动，保证套筒205在风力作用下能上风向(圆头部分)迎风，下风向(尖角部分)背风位于尾流区。另，套筒和塔筒交接处部分204也可作磁性连接，使二者不必接触，通过磁极相斥性减小接触面间摩擦，即利用重力和磁场斥力保证滑轨的自由滑动和可靠连接。

本实施例中，应当尽可能减少摩擦阻力及对材料的磨损，可通过一定材料、加工工艺、结构优化等作不断优化改良。

(2)套筒端部连接方式二：

本实用新型的滑轨可以做磁性导轨，使滑轨摩擦降到最低。如图4和图5所示，此为另一种滑轨设计方法，用于套筒与塔筒的连接，但本实用新型并不限于此截面结构形式。

如图4所示的顶端连接处，211为套筒；210为套筒顶端部，用于与滑轨配合的结构；212为滑轨，一端与塔筒连接，另一端为滑轨轨道，底部通过加强件215(扁铁)支撑加强；213为塔筒外壁。

滑轨212的轨道凹槽与套筒顶端部210配合的三个表面做成磁力面，即套筒顶端部210与滑轨212接触的内外两个表面及下部端面设为磁力面，并沿塔筒周向连续一周。

套筒底端部209与套筒顶端部210结构相同。同理，滑轨214的轨道凹槽与套筒底端部209配合的三个表面做成磁力面，即套筒底端部209与滑轨214接触的内外两个表面及上部端面设为磁力面。本实施例中的套筒底部的三个磁力面与套筒顶部的三个磁力面组成三对磁力斥力面，则上下两套导轨与套筒上下端面配合后组成如图4和图5所示的三组斥力：力1与力1’、力2与力2’、力3与力3’。

其中，力1与力1’组成大小相等方向相反的一对水平方向平衡的斥力；力2与力2’组成大小相等方向相反的一对水平方向平衡斥力。由于磁体间相对距离越近斥力越大，当力1斥力面间距减小时，斥力会使其距离增大，而当力1’斥力面间距减小时同样的，力1’接触面的斥力又会作用更大斥力使其距离增大，最终达到套筒顶端部210两侧距滑轨有一个相对平衡的位置，并始终保持间隙，避免摩擦。

力3与力3’为垂直方向一对平衡斥力，但由于重力要大于磁力作用，力3所在的一对接触面往往需要将特殊处理，增加润滑、打磨圆角、或者有条件的话增加力3表面斥力使其大小可平衡重力与力3’面的二力之和，保持整个滑轨在风力作用下可以无摩擦地相对滑动。

如图3和图4所示，215、216分别为上、下轨道结构支撑加强构件，沿塔筒周向可连续焊接一圈可间断地沿塔筒外周均布。

综上所述，本实施例一的以上的两种套筒端部连接形式(即图3和图4、5所示)中，轨道设置为沿塔筒一周的环形结构(第一种形式通过塔筒连接和外伸部分202实现；第二种形式中，顶部通过滑轨212和上轨道结构支撑加强构件215一端实现，底部通过轨道214、下轨道结构支撑加强构件216一端实现)可直接与塔筒焊接连接或利用塔筒本身锥度在套筒自重作用下进行紧密套接，或局部点焊连接；也可再优化接触位置结构进行连接。

实施例二：

如图6、图7和图8结合所示，本实施例二中，对塔筒顶部单段外周缠绕螺旋管路，上风向设有集风口，下风向沿管路设置泄风口，以扰乱塔筒下风向的尾流，达到减小涡振目的。

其中，集风口为风流入螺旋管路的入口，应具有大开口形式便于更多气体流入螺旋管内。泄风口为风流出螺旋管路的出口，应较集风口小，以使气流具有较尾流更大流速冲出螺旋管。

上述为伯努利方程的一种应用，根据伯努利方程：

式中p为流体中某点压强；v为该点流体流动速度；ρ为流体密度；g为重力加速度；z为该点所在高度；C为一常数。

基于上述并以最底部一对出入口为例并假定入口在出口之上，可得：

式中，νin为流体在入口某处的速度；pin为流体入口处压强；ρ为流体密度；g为重力加速度；zin为入口处所在高度；νout为流体在出口某处的速度；pout为流体入口处压强；zout出口处所在高度。

由于风具有粘性，在沿筒壁流动时在塔筒表面形成一边界层，且在与入流成一定夹角位置处边界层分离造成紊流及塔筒背面的粘涡，因此塔筒背风面压力迅速降低，即pin＞pout。且对于流体而言向上流动时势能增加动能不足，因此更多风将更容易向低处流动，因此将上部集风口与下部临近泄风口看作一对出入口有Zin＞Zout,因此vout>vin冲出气体速度更大可对尾流进行扰动，破坏原始流场。

本实施例二的具体设计方法如下：

螺旋管路的缠绕管直径50-300mm区间选取。

如图9所示，螺旋管路中，导距hw尺寸大小约为塔筒直径的4.5到5倍，导距hw尺寸范围内可并置三条缠绕管，则螺距lw为导距hw的三分之一。

本实施例二中，可使用轻型材料降低重力，管壁与筒壁间有小间距也可采取一定方式做耐磨处理。缠绕管顶部可与顶部机舱相连随叶轮转动而转动，从而使得集风口始终处于上风向，泄风口处于下风向。缠绕管底部可设置支撑滑槽，限定其位移。

集风口主要特点为喇叭口状，喇叭开口大向连接处逐渐缩小，该喇叭口具体形式可多种，(图7a所示为其中一种)。喇叭口内可设置更有效的集风装置，如叶轮，使射入风更有效流入缠绕管。另，集风口可单独安装，也可与缠绕管做成一体。

如图8a所示，泄风孔可直接开于集风口背面不大于120度范围之内，泄风孔直径小于缠绕管直径，泄风孔孔距不小于泄风孔孔直径距离。泄风孔个数不宜过多，大小可相等或者不必相等，也可在缠绕管上下壁设置泄风孔。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。