[发明专利]一种提高风力机气动性能的钢-混塔架系统及方法

说明书

本发明涉及一种提高风力机气动性能的钢‑混塔架系统及方法，塔架由桁架和混凝土塔筒组合而成，所述塔架上部是由桁架构成的四棱柱体结构，下部为圆台式混凝土结构；所述桁架的四棱柱体结构在与下部圆台式混凝土结构交接处采用焊接形式与其混凝土内部钢筋进行连接，所述桁架上部与机舱交接处通过焊接在机舱底部的吸盘固定；所述桁架的四棱柱体结构的垂直长度比叶片长5‑10m；所述钢‑混塔架系统气动性能采用计算流体动力学方法进行模拟，并与未优化的塔架结构的气动力数据进行对比，最终确定风力机体系气动性能的最优系统方案，该系统显著降低结构自重，可运用于8MW级以上的大型风力机体系。

技术领域

本发明涉及风电系统的建筑技术领域和大型高耸结构抗风技术领域，具体涉及一种提高风力机气动性能的钢-混塔架系统及方法。

背景技术

作为风能发电的主要构筑物，风力机逐渐朝着大功率化发展，随之而来的风致破坏问题愈加突出，而叶片对塔架干扰效应是风致破坏的重要原因之一。

强风作用下风力机体系处于停机状态，叶片的停机位置将显著影响塔架气动性能。研究表明当上游叶片旋转至与塔架完全重合时，来流受叶片的遮挡分离并在叶片背风面出现旋涡脱落，进而导致叶片出现挥舞、摆振现象，甚至导致结构整体失稳倒塌。此外，风力机大型化的发展趋势导致结构自重增加，产生的风致失稳问题也是制约风力机体系大型化发展的瓶颈问题。

就目前来说，如何减弱叶片对塔架的气动干扰是亟待解决的问题之一。当叶片处于不遮挡塔架的停机位置时，虽能减弱叶片对塔架的干扰作用，但并未改变气流的流向，而是使其直接作用于塔架迎风面，必然导致塔架上部迎风面正压过大，进而产生一系列的风致破坏问题；但叶片停机位置的不可控导致并不能从根本上提高风力机体系的气动性能。

发明内容

针对现有技术缺陷与工程实际难题，本发明提供了一种施工方便、构造简单、能显著提高风力机气动性能的钢-混塔架系统及方法。

本发明提供的技术方案是：

一种提高风力机气动性能的钢-混塔架系统，塔架由桁架和混凝土塔筒组合而成，所述塔架上部是由桁架构成的四棱柱体结构，下部为圆台式混凝土结构；所述桁架的四棱柱体结构在与下部圆台式混凝土结构交接处采用焊接形式与其混凝土内部钢筋进行连接，所述桁架上部与机舱交接处通过焊接在机舱底部的吸盘固定；所述桁架的四棱柱体结构的垂直长度由叶片长度确定，要求垂直长度比叶片长5-10m左右；所述钢-混塔架系统气动性能采用计算流体动力学方法进行模拟，并与未优化的塔架结构的气动力数据进行对比，最终确定风力机体系气动性能的最优系统方案。

所述桁架由若干个无多余自由度的空间静定结构组成。

所述桁架与下部混凝土塔筒连接时，先与塔筒内部钢筋焊接并采用固定连接件进行加固。

所述桁架上部与焊接在机舱底部的吸盘固定时，先将桁架与吸盘焊接并采用固定连接件进行加固。

所述吸盘均为钢材所制的圆形或椭圆形结构。

所述固定连接件均采用螺栓连接，形成自锚固体系。

所述采用计算流体动力学方法进行模拟为：

a)建立数学模型，包括建立控制方程和确定边界条件及初始条件两个方面，该模型能够反映工程问题或者物理问题中各个量之间关系的控制方程及相应的定解条件；

b)确定离散化方程，采用数值方法求解控制方程是先将控制方程在空间区域上进行离散，然后对离散方程组进行求解，包括划分计算网格、建立离散方程和离散边界条件及初始条件；

c)对流场进行求解计算，包括给定求解控制参数、求解离散方程和判断解的收敛性；

d)显示计算结果，采用线值图、矢量图、等值线图、流线图或云图显示。