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抑制风力机涡激现象的降涡减振装置的制作方法

2022-02-22 10:00:20 来源:中国专利 TAG:


1.本发明涉及风力发电技术,具体公开抑制风力机涡激现象的降涡减振装置,属于风力机的技术领域。


背景技术:

2.当圆柱形结构物置于流场中时,一方面,其迎风面会产生正压,背风面产生负压,从而形成一个压力差使圆柱形结构物受到一个顺风向的纵向力;另一方面,在圆柱形结构物的尾流区域会发生边界层分离,大范围的边界层分离使其后方两侧会产生交替泄涡,对置于流场中的圆柱形结构物产生一个垂直于风向的周期性变化的横向力,如果柱体是弹性支撑的,周期变化的横向力将引发柱体的周期性振动,这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泄涡发放形态,这种现象称为涡激振动。当旋涡脱落频率与圆柱形结构物的固有频率接近时,圆柱形结构物的振幅会显著增大,发生共振。长细比较大的圆柱形结构物对风荷载十分敏感,在较低风速时就会发生涡激现象,此时圆柱形结构物会发生疲劳破坏从而影响其使用寿命。
3.圆柱形风力机塔筒的直径一般在4m以上,会产生上述涡激现象。为减少或消除涡激振动造成的破坏作用,延长风力机塔筒和叶片的使用寿命,主要有以下两种方法:一是通过调整结构本身的动力特性,以减小其在旋涡作用下的响应;另一类方法则是通过附加抑制装置来干涉和改变旋涡发生的条件和尾流流态,以达到减弱流体所产生的振荡力的目的,具体的方式有增加扰流条、整流罩、采用调谐质量阻尼器等,但它们在使用过程中都存在一定的局限性。扰流条在抑制振动的同时会增加圆柱形结构物受到的阻力,无法直接与塔筒表面固定,结构不稳定,且安装、拆卸不便,所以扰流块模块串联悬挂的方式无法永久使用,成本很高。整流罩能够在抑制振动的同时减小阻力,但其设计复杂,并且成本较高,适用性较差。在塔筒内设置阻尼器的方式设计也比较复杂,对于不同塔架,阻尼器的设计也不同,适用性较差;此外,阻尼器的质量取决于塔筒本身的质量和刚度,不恰当的设计不仅不能达到减振效果,反而会恶化振动情况。


技术实现要素:

4.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足,提供抑制风力机涡激现象的降涡减振装置,以较小的成本灵活实现抑制风力机塔筒涡激振动的发明目的,解决现有涡激振动抑制装置设计复杂、成本高且适用性较差的技术问题。
5.为了实现上述目标,本发明采用如下技术方案:一种抑制风力机涡激现象的降涡减振装置,包括塔筒上端固定板、塔筒下端固定板、多根粗绳;每一根粗绳的两端分别固定在塔筒上端固定板和塔筒下端固定板上,多根粗绳与塔筒上端固定板以及塔筒下端固定板组成的降涡减振装置安装在引起涡激现象的主要塔筒段,或者振动频率与涡脱落频率相近的塔筒段。
6.进一步地,也可充分利用固定在风力机塔筒顶部的可以随机舱偏航的法兰盘代替
塔筒上端固定板,每一根粗绳的两端分别固定在法兰盘和塔筒下端固定板上。
7.进一步地,粗绳采用直径5cm~8cm左右的麻绳、尼龙绳等非金属材质的多股线绳。
8.进一步地,粗绳的数量为双数,例如6对~10对;粗绳左右成对地、等角度间隔地布置在塔筒外表面上;成对的两根粗绳在塔筒横截面上的连线穿过塔筒横截面的圆心,关于塔筒中心线左右对称。
9.进一步地,粗绳固定在上端固定板时,有一对粗绳在塔筒横截面上的连线与当地主风向垂直;其它粗绳对以此为参考,等角度间隔地布置,当地主风向根据当地一年的风玫瑰图来确定。
10.进一步地,粗绳固定好以后,每根粗绳与塔筒外表面有一最小距离,该距离在粗绳拉紧后满足1~2个粗绳直径的距离。
11.进一步地,粗绳具有较好的弹性,在风吹过时可以产生不规则的弹性振动。所述的粗绳固定的拉紧度要保证在来流风的作用下,粗绳左右摆动幅度不超过1~2个麻绳直径,确保不与塔筒发生接触。
12.进一步地,粗绳可以固定在风力机塔筒顶端的法兰盘上,如果法兰盘与塔筒固定连接而不可旋转,粗绳的数量、布置以及与塔筒下端固板的固定方式与粗绳固定在塔筒上端固定板、塔筒下端固定板上的情形相同。
13.进一步地,粗绳固定在风力机塔筒顶端的法兰盘上,法兰盘如果可随风力机机舱进行偏航,则有一对粗绳布置在塔筒最两侧,该对粗绳在塔筒横截面上的连线穿过塔筒横截面的圆心且与风力机主轴方向垂直;其它1~3根粗绳均匀布置塔筒迎风侧,此时,其它1~3根粗绳固定在法兰盘的迎风侧,而法兰盘的背风侧无需布置粗绳,下部固定盘采用滑环式固定方式,粗绳绕塔筒发生周向扭转后,下部固定盘在粗绳重力作用下也能发生滑动,使粗绳整体保持垂直的而非扭曲的状态。
14.风吹过风力机圆柱形塔筒时,在塔筒后面会交替产生脱落的旋涡,交替产生低压涡流。这个交替的负压涡从圆柱形塔筒的两侧交替脱落,有一定的频率,对塔筒稳定性产生一定的影响,严重地造成塔筒的前后振动和左右摇摆。风力机塔筒的这种现象发生在风速达到一定值之后,与风力机是否运行不存在关系。风力机塔筒是数米粗的厚铁板焊接的大圆柱形筒,这样有强度和刚度的圆柱体在风的作用发生摇摆,其根本原因为前后压差和左右压差的作用。为了改变这种现象,就要把交替产生的脱落涡破坏,打碎变成细小的涡,或者变成无规则无规律的脱落涡。
15.粗绳总体也为圆柱体,当风吹过粗绳时,在其下游也产生交替的脱落涡。把粗绳布置在圆柱形塔架的最两侧。这样风吹过来后,两侧粗绳产生的脱落涡会对塔架周围流体的流动产生影响,对其原有分离点的分离涡造成破坏。
16.与塔筒类似,粗绳在风吹过时交替产生的脱落涡也会导致粗绳像拨动琴弦一样,左右和前后晃动。这个晃动导致粗绳脱落涡形成的尾流也在左右晃动。尾流的晃动进一步加大了粗绳对塔筒原有流场的扰动,改变其脱落涡的结构、频率,从有序变为无序;在两侧的同时干扰下,塔筒脱落涡的脱落从有规则变为不规则,从固定频率变为非固定频率。这些都从气动力学的根本原理上加大了对塔筒的保护。
17.从上面分析可以看出,粗绳不能完全紧贴在塔筒表面。那样,两侧粗绳和塔筒形成整体,其规则有序的脱落涡不会改变,只是分离点和脱落频率发生改变。粗绳不能完全紧贴
在塔筒表面原因之二,是留出空间为粗绳的晃动留下空间,这个晃动的幅度和频率随风的强弱发生改变,在风速增大时,加强干扰,进一步减弱塔筒本身尾流的影响。
18.从上面分析也可以看出,脱落涡在塔筒表面两侧交替产生,因此需要从两侧同时干扰。所以,粗绳需要成对安装。对于上端安装在固定板或固定法兰盘和下部也固定安装的粗绳,其安装位置是固定的,但风场一年的风速会经常发生变化,因此根据风场的一年的风向玫瑰图知道主风向后,有一对粗绳的安装位置连线要和风场的主风向垂直。这样,这一对粗绳在主风向上保护了塔筒。其他位置的粗绳对,在其他出现频率较低的风向上保护塔筒。
19.对于圆柱形塔筒,其迎风的半边圆面的流场比较稳定,最前端为驻点。流体从最前端向两侧流动,然后有规律地在两侧脱落。由于多对粗绳安装,此时迎风侧半圆面的粗绳在迎风面流体的作用下,也产生摆动和扰动,这种扰动本身打乱了规则的气流,然后气流在塔筒迎风面两侧分离时遇到两侧摆动的粗绳,流场进一步被打乱,分离涡脱落变得不规则,大的脱落涡变成了小的脱落涡。
20.当粗绳上端所固定的法兰盘可随风力机叶轮偏航时,此时有一对粗绳安装在塔筒的两侧,且垂直主轴的位置上,由于法兰盘随风向偏航,故这一对粗绳的连线位置会随主轴偏航而转动,始终垂直于主风向,并且一直在两侧对塔筒的分离点和分离涡进行干扰。塔筒主风侧的粗绳,在前方进行干扰,产生双重作用。这种条件下,在背风侧不设置粗绳的原理是塔筒背风侧已经处于涡脱落后期,从流场的下游来对上游流场进行干扰,效果甚微。再加上粗绳的结构相对于塔筒而言非常小,其在下游干涉的作用更加不显著。
21.对于粗绳上部安装在可随风力机叶轮偏航的法兰盘时,粗绳随偏航而发生位置变化,这要求粗绳下部的法兰盘成滑环式的固定在下部塔筒周围。当粗绳位置发生改变时,在粗绳的重力作用下,其下部也能随之发生改变。
22.本发明采用上述技术方案,具有以下有益效果:(1)本发明提出一种安装在风力机塔筒上的降涡减振装置,该装置通过固定上下端固定板连接与塔筒外表面保持一定距离的粗绳,粗绳成对布置在塔筒外表面上且有一对粗绳的连线与当地主风向垂直,多对粗绳在圆柱分离点的上游和分离点位置产生多重扰动,改变脱落涡的结构、频率和大小,可以把圆柱形有规则的分离涡变成无规则无固定频率的分离涡,同时可以将大涡变成小涡,从而有效缓解涡激现象,粗绳可用廉价的麻绳和尼龙绳,结构简单,成本低,实施方便。
23.(2)本发明还可以将降涡减振装置设计成随风力机偏航系统偏航的装置,利用风力机塔筒顶端的法兰盘固定粗绳的一端,采用滑环固定方式固定粗绳的另一端,粗绳绕塔筒轴向扭转时始终有一对粗绳对准风向对塔筒迎风面两侧的分离点进行干扰,此种方式充分利用塔筒已有构件且只需在塔筒的迎风侧布置粗绳,减少固定板及粗绳的使用,进一步减少成本。
附图说明
24.图1为本发明具体实施例1的降涡减振装置安装在风机上的整体结构示意图。
25.图2为本发明具体实施例2降涡减振装置安装在风机上的整体结构示意图。
26.图3为未安装本发明降涡减振装置时塔筒表面产生脱落涡的示意图。
27.图4为本发明具体实施例1降涡减振装置的粗绳位置及粗绳弹性振动的示意图。
28.图5为本发明具体实施例2降涡减振装置的粗绳位置及粗绳弹性振动的示意图。
29.图6为安装本发明具体实施例1降涡减振装置后塔筒表面产生脱落涡的示意图。
30.图7为安装本发明具体实施例2降涡减振装置后塔筒表面产生脱落涡的示意图。
31.图中标号说明:1、塔筒涡激降涡减振装置,2、塔筒上端固定板,3、粗绳,4、塔筒下端固定板,5、风力机机舱,6、风力机塔筒。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不应将此理解为本发明的保护范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明的发明构思所实现的技术方案均落入本发明的保护范围。
33.实施例1:粗绳固定在塔筒上端固定板的降涡减振装置如图1所示,在风力机装机时,塔筒涡激降涡减振装置1安装在风力机塔筒6上,具体是安装在振动频率与涡脱落频率相近的塔筒段上,塔筒涡激降涡减振装置1包括:塔筒上端固定板2、塔筒下端固定板4、多根粗绳3,塔筒上端固定板2安装在靠近风力机机舱5的塔筒段上,塔筒下端固定板4安装在塔筒上端固定板2安装区域下方的塔筒段上;粗绳3采用直径5cm左右的麻绳、尼龙绳等非金属材质的多股线绳,上端连接塔筒上端固定板2,下端连接塔筒下端固定板4。
34.粗绳成对地布置在塔筒外表面上,成对的两根粗绳在塔筒横截面上的连线穿过塔筒横截面的圆心,每对粗绳关于塔筒中心线左右对称,有一对粗绳在塔筒横截面上的连线与当地主风向垂直,其余粗绳对以该对粗绳为参考等角度间隔地布置在塔筒外表面上,安装好所有的粗绳对后,将粗绳拉紧,每根粗绳与塔筒表面有一定的距离满足1~2个麻绳直径。
35.在来流风或塔筒表面风影响下,粗绳会交替产生脱落涡,卡门涡街现象。在这种脱落涡的影响下,粗绳发生摆动,摆动表现为前后、左右的不规则往返运动,此外在高度上也表现为不规整的扭曲摆动,整体为三维不规则摆动,不同位置三维扭曲摆动的粗绳的作用不同。未安装本发明降涡减振装置时塔筒表面产生的脱落涡如图3所示,本实施例中粗绳位置及粗绳弹性振动方向如图4所示。
36.对于连线与主风向垂直的粗绳对,粗绳的摆动持续破坏了塔筒两侧分离点附近的流体流态,使塔筒分离点发生了动态改变,也使分离点在高度上发生动态变化,这就破坏了光滑塔筒脱落涡的频率,以及在高度上的一致性。
37.主风向两侧粗绳交替产生的高频小尺寸涡,对大涡产生诱导作用。粗绳动态摆动时,其涡的产生的频率和涡尺寸大小发生动态变化,小尺寸涡对大尺寸塔筒分离涡持续高效干扰,破坏其有序性、沿高度的一致性。
38.在本发明中,除了上述连线与主风向垂直的粗绳对,还有多根处于塔筒迎风面的粗绳,这些粗绳在塔筒表面流体的影响下也在发生三维的摆动,在塔筒分离涡的上游对流场进行干扰,破坏光滑塔筒表面有序的流动;在塔筒背风侧的粗绳此时不产生作用,当来流风风向发生改变时,这些粗绳发挥上述作用。
39.粗绳多对布置,除了根据当地风玫瑰确定主方向布置了一对粗绳,也充分考虑了风向变化引起的不同方向的涡激现象。当风向与某一对粗绳不垂直时,通过分离点上游及
附近的多条粗绳,以及此时塔筒两侧不对称粗绳的干扰,破坏塔筒的有序、稳定和高度方向一致的分离涡结构,减小涡激效应。安装本实施例的降涡减振装置后,塔筒表面产生的脱落涡如图6所示。
40.实施例2:粗绳固定在法兰盘的降涡减振装置如图2所示,用风力机塔筒6顶部固定的法兰盘代替塔筒上端固定板2作为粗绳3的上端固定装置时,如果法兰盘与塔筒6固定连接,粗绳3的数量、布置和下部固定方式与实施例1相同,粗绳对塔筒涡激现象的干扰原理也同实施例1相同。
41.如果风力机塔筒6顶部的法兰盘可随风力机叶轮在风向改变的情况下进行偏航,则粗绳3的布置方式如图2、图5右侧所示。有一对粗绳3布置在塔筒6最两侧,其连线穿过塔筒6中心线,且与风力机主轴方向垂直。当风力机偏航时,这一对粗绳3的位置也会随偏航发生变化,其连线始终保持垂直于风向。这就相当于,在所有的粗绳3中,这一对粗绳3始终起到主要的扰流作用。其它2根粗绳3均匀布置在塔筒6的迎风侧,在分离点上游进行干扰。本实施例降涡减振装置的粗绳位置及粗绳弹性振动方向的如图5所示。
42.当偏航时,塔筒顶端可随着偏航法兰盘带动粗绳发生位置变化,下部滑环式固定方式,当粗绳绕塔筒发生周向的扭转后,在粗绳重力作用下,其下部也能发生滑动。由于偏航不是持续、短时间频繁偏航,故有足够时间使粗绳整体尽量保持垂直的而非扭曲的状态。安装本实施例的降涡减振装置后,塔筒表面产生的脱落涡如图7所示。
43.以上所述仅为本发明的实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
再多了解一些

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