[实用新型]降低风机塔筒涡激振动的结构

说明书

本实用新型公开了一种降低风机塔筒涡激振动的结构，该结构可以是塔筒顶部单段整体或部分外围环绕一圈套筒结构，套筒结构包括用于减小涡激振动的尾部；套筒结构设置为柔性套筒结构，包饶在塔筒顶部外围，或者套筒结构设置为刚性套筒结构并包饶在塔筒顶部外围。另，该结构还可以是缠绕在塔筒顶部外周的螺旋管路结构，上风向设有集风口，下风向沿螺旋管路设置泄风口，集风口设置为风流入螺旋管路的入口，泄风口设置为风流出螺旋管路的出口。本实用新型依据涡振的产生机理和特点，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。

技术领域

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。