一種提高風力機氣動性能的鋼‑混塔架系統及方法與流程
2023-10-10 07:13:04 9
本發明涉及風電系統的建築技術領域和大型高聳結構抗風技術領域，具體涉及一種提高風力機氣動性能的鋼-混塔架系統及方法。
背景技術：
作為風能發電的主要構築物，風力機逐漸朝著大功率化發展，隨之而來的風致破壞問題愈加突出，而葉片對塔架幹擾效應是風致破壞的重要原因之一。
強風作用下風力機體系處於停機狀態，葉片的停機位置將顯著影響塔架氣動性能。研究表明當上遊葉片旋轉至與塔架完全重合時，來流受葉片的遮擋分離並在葉片背風面出現旋渦脫落，進而導致葉片出現揮舞、擺振現象，甚至導致結構整體失穩倒塌。此外，風力機大型化的發展趨勢導致結構自重增加，產生的風致失穩問題也是制約風力機體系大型化發展的瓶頸問題。
就目前來說，如何減弱葉片對塔架的氣動幹擾是亟待解決的問題之一。當葉片處於不遮擋塔架的停機位置時，雖能減弱葉片對塔架的幹擾作用，但並未改變氣流的流向，而是使其直接作用於塔架迎風面，必然導致塔架上部迎風面正壓過大，進而產生一系列的風致破壞問題；但葉片停機位置的不可控導致並不能從根本上提高風力機體系的氣動性能。
技術實現要素：
針對現有技術缺陷與工程實際難題，本發明提供了一種施工方便、構造簡單、能顯著提高風力機氣動性能的鋼-混塔架系統及方法。
本發明提供的技術方案是：
一種提高風力機氣動性能的鋼-混塔架系統，塔架由桁架和混凝土塔筒組合而成，所述塔架上部是由桁架構成的四稜柱體結構，下部為圓臺式混凝土結構；所述桁架的四稜柱體結構在與下部圓臺式混凝土結構交接處採用焊接形式與其混凝土內部鋼筋進行連接，所述桁架上部與機艙交接處通過焊接在機艙底部的吸盤固定；所述桁架的四稜柱體結構的垂直長度由葉片長度確定，要求垂直長度比葉片長5-10m左右；所述鋼-混塔架系統氣動性能採用計算流體動力學方法進行模擬，並與未優化的塔架結構的氣動力數據進行對比，最終確定風力機體系氣動性能的最優系統方案。
所述桁架由若干個無多餘自由度的空間靜定結構組成。
所述桁架與下部混凝土塔筒連接時，先與塔筒內部鋼筋焊接並採用固定連接件進行加固。
所述桁架上部與焊接在機艙底部的吸盤固定時，先將桁架與吸盤焊接並採用固定連接件進行加固。
所述吸盤均為鋼材所制的圓形或橢圓形結構。
所述固定連接件均採用螺栓連接，形成自錨固體系。
所述採用計算流體動力學方法進行模擬為：
a)建立數學模型，包括建立控制方程和確定邊界條件及初始條件兩個方面，該模型能夠反映工程問題或者物理問題中各個量之間關係的控制方程及相應的定解條件；
b)確定離散化方程，採用數值方法求解控制方程是先將控制方程在空間區域上進行離散，然後對離散方程組進行求解，包括劃分計算網格、建立離散方程和離散邊界條件及初始條件；
c)對流場進行求解計算，包括給定求解控制參數、求解離散方程和判斷解的收斂性；
d)顯示計算結果，採用線值圖、矢量圖、等值線圖、流線圖或雲圖顯示。
該系統顯著降低結構自重，可運用於8mw級以上的風力機體系。
有益效果：
本發明提出了一種提高風力機氣動性能的鋼-混塔架系統及方法，可有效提高結構氣動性能，桁架結構的應用顯著減小了結構自重，可廣泛應用於8mw級以上大型風力機體系，此外鋼桁架具有強度高、整體性和耐久性好以及變形能力強等優點，且設計、製作、安裝簡便，適合推廣使用。
附圖說明
圖1為本發明風力機的整體結構示意圖。
圖2為本發明風力機桁架式塔架與混凝土塔架連接部位示意圖。
圖3為本發明風力機桁架式塔架與機艙連接部位示意圖。
圖4為本發明螺栓結構示意圖。
圖5為本發明風力機與傳統風力機速度流線對比圖(左圖為鋼-混塔架風力機體系速度流線圖，右圖為鋼結構塔筒風力機體系速度流線圖)。
圖6為本發明風力機與傳統風力機湍動能對比圖(左圖為鋼-混塔架風力機體系湍動能圖；右圖為鋼結構塔筒風力機體系湍動能)。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
一種提高風力機氣動性能的鋼-混塔架系統及方法，上部桁架的高度由設計所需的葉片長度來確定，來流氣流可經空隙從上部塔架穿過；在確定好下部混凝土塔筒和上部桁架塔筒高度後進行下部塔筒的建造，混凝土澆築高度在實際筒高下部的2m位置處；將上部桁架與下部塔筒伸出的鋼筋進行焊接並用固定連接件進行加固，然後將2m未澆築混凝土的下部塔筒重新澆築；上部桁架與機艙連接時先與橢圓形吸盤採用固定連接件加固，形成自錨體系，橢圓形吸盤與機艙採用焊接的形式固定。
如圖1至圖4所示，基於上述方法的一種提高風力機氣動性能的鋼-混塔架系統及方法，其結構體系由上部桁架式塔架1、下部混凝土塔架2、葉片3、輪轂4和機艙5等部分組成。所述塔架由桁架和混凝土塔筒組合而成，塔架上部是四稜柱體，下部是圓臺式混凝土結構，如圖1所示；所述四稜柱體高度由葉片長度確定，要求垂直高度要比葉片長5-10m左右；所述桁架在與下部塔架交接處採用焊接形式與其混凝土內部鋼筋進行連接，所述桁架上部與機艙交接處通過焊接在機艙底部的吸盤固定，見圖2-4；所述鋼-混塔架系統氣動性能採用計算流體動力學方法進行分析，並與未優化的塔架結構的氣動力數據進行對比，最終確定最優系統方案。
所述採用計算流體動力學方法進行模擬為：
a)建立數學模型，包括建立控制方程和確定邊界條件及初始條件兩個方面，該模型能夠反映工程問題或者物理問題各個量之間關係的控制方程及相應的定解條件；
b)確定離散化方程，採用數值方法求解控制方程是先將控制方程在空間區域上進行離散，然後對離散方程組進行求解，包括劃分計算網格、建立離散方程和離散邊界條件及初始條件；
c)對流場進行求解計算，包括給定求解控制參數、求解離散方程和判斷解的收斂性；
d)顯示計算結果，採用線值圖、矢量圖、等值線圖、流線圖或雲圖顯示。
該系統顯著降低結構自重，可運用於8mw級以上的風力機體系。
實施例1
本實施例以國內某3mw大型水平軸風力機(葉片翼展長44.5m)為例，如圖1所示，根據已知的葉片長度確定上部桁架的高度，規定桁架垂直高度比葉片長6m，本實施例中採用高度為50m的四稜柱體桁架，來流氣流可經空隙從上部塔架穿過，用於減弱塔架對氣流的阻隔效應和葉片對塔架的遮擋效應，並減小整體結構自重；確定好下部混凝土塔筒和上部桁架塔筒高度後進行下部塔筒的建造，混凝土澆築高度在實際筒高下部的2m位置處；將上部桁架與下部塔筒伸出的鋼筋進行焊接並用固定連接件7進行加固，固定連接件7與安裝在下部塔筒的吸盤6固定，如圖2所示，然後將2m未澆築混凝土的下部塔筒重新澆築，用於降低結構重心並保證塔筒結構的整體穩定性；上部桁架與機艙連接時先與橢圓形吸盤8採用固定連接件9加固，形成自錨體系，如圖3所示，橢圓形吸盤與機艙採用焊接的形式固定。桁架式塔架相對於現有的鋼結構塔架具有質量輕、施工快捷等優點。桁架式塔架的設置不僅可提高風力機體系的氣動性能，還顯著降低結構自重，可順應風力機體系大型化發展的趨勢。
本實施例通過對傳統的和具有鋼-混塔架系統的風力機體系進行數值模擬，對比驗證了鋼-混塔架系統的優越性，圖5和圖6給出了採用上述計算流體動力學方法進行模擬得到的鋼結構塔架和鋼-混塔架速度流線和湍動能對比示意圖。由圖可知，與傳統的風力機體系相比，鋼-混塔架系統的應用使得來流直接經桁架空隙穿過，未在葉片對塔架遮擋部位形成顯著的壓力附著區，且桁架式塔架背風區也未出現壓力附著區。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，依據本發明的技術實質，對以上實施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進等，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍之內。