[實用新型]降低風機塔筒渦激振動的結構

有效

• 申請號: 201822103626.1
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN209228541U
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 王寧;史偉濤;龐文彥;宋磊建;路緒恒
• 申請（專利權）人: 上海電氣風電集團有限公司
• 主分類號: F03D13/20
• 分類號: F03D13/20;F03D80/00
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 周乃鑫;朱成之

本實用新型公開了一種降低風機塔筒渦激振動的結構，該結構可以是塔筒頂部單段整體或部分外圍環繞一圈套筒結構，套筒結構包括用于減小渦激振動的尾部；套筒結構設置為柔性套筒結構，包饒在塔筒頂部外圍，或者套筒結構設置為剛性套筒結構并包饒在塔筒頂部外圍。另，該結構還可以是纏繞在塔筒頂部外周的螺旋管路結構，上風向設有集風口，下風向沿螺旋管路設置泄風口，集風口設置為風流入螺旋管路的入口，泄風口設置為風流出螺旋管路的出口。本實用新型依據渦振的產生機理和特點，改變筒壁流場分布，繼而影響筒壁表面泄渦來避免或減輕渦激振動，為減小風壓作用下的塔筒振動及避免共振現象發生。

技術領域

本實用新型涉及風力發電領域，特別涉及一種降低風機塔筒渦激振動的結構。

背景技術

近年來空氣質量問題成為關乎環境與人類健康的重要問題，作為清潔可再生能源的風能，也越來越多地服務于人類生產和生活。風力發電裝置有多種類型，主要為水平軸三葉輪發電機，這類發電機發電功率與葉輪直徑大小成正相關關系，因此隨著發電功率增大葉輪直徑增加，加之高度越大風力越大，風力機高度不斷提升。如圖1所示，風力發電機主要由葉片、輪轂、機艙、塔筒、過渡部分及底部支撐結構組成。塔筒承擔著為頂部結構提供有效支撐的作用。MW級風力機塔筒往往幾十上百米，受制造、運輸、吊裝能力等多方面限制塔筒一般分段建造安裝，單段長度20-30m左右，例如圖1所示的01段、02段和03段，這里的01段塔筒指頂部單段或整個塔筒上段不超過1/2塔筒高度部分。

細長塔筒受風流場作用，流體受塔筒阻擋繞過塔筒繼續流動,此時流場受塔筒干擾而改變,受構件尺度、形狀、風速、粗糙度、空氣粘性等影響流體離開構件時會有不同，在一定條件下會形成周期性不平衡風壓作用，從而導致風機發生振動，即風機的渦激振動。當不平衡風壓的周期與風機整體某階固有周期接近時(通常為風機的一階固有頻率)，風機的渦激振動會顯著增強。渦激振動的發生將對風機運行的可靠性、安全性產生不利影響。隨著風機塔架高度的增加，渦激振動已經成為行業內不可避免亟待解決的問題。

渦振的作用機理及特點如下：

(1)當風流經塔筒時，會在結構的兩側產生不對稱的旋渦脫落，使結構表面受到周期性正負壓力，在一定風速下結構所受合力的頻率與結構的自振頻率一致，此時結構發生渦激振動。

(2)渦激振動是一種簡諧振動，其振動形式通常表現為橫風向振動或扭轉振動。結構振幅較大時，結構的運動對氣體的繞流形態產生反饋作用，使旋渦脫落頻率在一定風速圍內和結構固有振動頻率相等，即渦激共振的“鎖定”現象。“鎖定”會增加結構發渦激振動的機率，增強三維結構上的渦激力的相關性。渦激振動是一種限幅振動，對結構的質量和阻尼較為敏感，當結構質量和阻尼均較小時，渦激共振振幅可能很大。在鎖定區內，渦脫頻率不再服從Strouhal關系式，而是保持在結構固有頻率值處。在鎖定區，物體振幅可達到結構橫風向尺寸的幾分之一。

(3)圓柱渦激振動與Re關系；

雷諾數Re表示慣性力與粘性力之間關系：Re＝慣性力/粘性力＝(ρ*U²/L)/(μ*U/L²)＝ρ*U*L/μ＝U*L/ν，式中，ρ：空氣密度；U風速；L結構特征尺度；μ空氣粘度；ν空氣運動粘性系數＝1.5*10^-5m²/s；

當Re<5：流動不分離；當5～15<Re<40：尾流出現一對穩定旋渦；當40<Re<3.0×10²：旋渦從圓柱后方規則地交替脫落,形成卡門渦街；當3.0×10²<Re<3.0×10⁵：亞臨界范圍旋渦以一個明確的頻率周期性地脫落；當3.0×10⁵<Re<3.5×10⁵：在臨界范圍旋渦被紊流所掩蓋，渦脫雜亂無章；當3.5×10⁵<Re：在超臨界范圍渦重新建立，渦脫重新出現周期性。所以，不同雷諾數情況下的繞流形態不同，因而其旋渦脫落的頻率及作用在結構上的氣動力也不同。