本發(fā)明涉及風(fēng)電系統(tǒng)的建筑技術(shù)領(lǐng)域和大型高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高風(fēng)力機(jī)氣動性能的鋼-混塔架系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

作為風(fēng)能發(fā)電的主要構(gòu)筑物，風(fēng)力機(jī)逐漸朝著大功率化發(fā)展，隨之而來的風(fēng)致破壞問題愈加突出，而葉片對塔架干擾效應(yīng)是風(fēng)致破壞的重要原因之一。

強(qiáng)風(fēng)作用下風(fēng)力機(jī)體系處于停機(jī)狀態(tài)，葉片的停機(jī)位置將顯著影響塔架氣動性能。研究表明當(dāng)上游葉片旋轉(zhuǎn)至與塔架完全重合時，來流受葉片的遮擋分離并在葉片背風(fēng)面出現(xiàn)旋渦脫落，進(jìn)而導(dǎo)致葉片出現(xiàn)揮舞、擺振現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)倒塌。此外，風(fēng)力機(jī)大型化的發(fā)展趨勢導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重增加，產(chǎn)生的風(fēng)致失穩(wěn)問題也是制約風(fēng)力機(jī)體系大型化發(fā)展的瓶頸問題。

就目前來說，如何減弱葉片對塔架的氣動干擾是亟待解決的問題之一。當(dāng)葉片處于不遮擋塔架的停機(jī)位置時，雖能減弱葉片對塔架的干擾作用，但并未改變氣流的流向，而是使其直接作用于塔架迎風(fēng)面，必然導(dǎo)致塔架上部迎風(fēng)面正壓過大，進(jìn)而產(chǎn)生一系列的風(fēng)致破壞問題；但葉片停機(jī)位置的不可控導(dǎo)致并不能從根本上提高風(fēng)力機(jī)體系的氣動性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)缺陷與工程實際難題，本發(fā)明提供了一種施工方便、構(gòu)造簡單、能顯著提高風(fēng)力機(jī)氣動性能的鋼-混塔架系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種提高風(fēng)力機(jī)氣動性能的鋼-混塔架系統(tǒng)，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(gòu)成的四棱柱體結(jié)構(gòu)，下部為圓臺式混凝土結(jié)構(gòu)；所述桁架的四棱柱體結(jié)構(gòu)在與下部圓臺式混凝土結(jié)構(gòu)交接處采用焊接形式與其混凝土內(nèi)部鋼筋進(jìn)行連接，所述桁架上部與機(jī)艙交接處通過焊接在機(jī)艙底部的吸盤固定；所述桁架的四棱柱體結(jié)構(gòu)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(tǒng)氣動性能采用計算流體動力學(xué)方法進(jìn)行模擬，并與未優(yōu)化的塔架結(jié)構(gòu)的氣動力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，最終確定風(fēng)力機(jī)體系氣動性能的最優(yōu)系統(tǒng)方案。

所述桁架由若干個無多余自由度的空間靜定結(jié)構(gòu)組成。

所述桁架與下部混凝土塔筒連接時，先與塔筒內(nèi)部鋼筋焊接并采用固定連接件進(jìn)行加固。

所述桁架上部與焊接在機(jī)艙底部的吸盤固定時，先將桁架與吸盤焊接并采用固定連接件進(jìn)行加固。

所述吸盤均為鋼材所制的圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)。

所述固定連接件均采用螺栓連接，形成自錨固體系。

所述采用計算流體動力學(xué)方法進(jìn)行模擬為：

a)建立數(shù)學(xué)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(guān)系的控制方程及相應(yīng)的定解條件；

b)確定離散化方程，采用數(shù)值方法求解控制方程是先將控制方程在空間區(qū)域上進(jìn)行離散，然后對離散方程組進(jìn)行求解，包括劃分計算網(wǎng)格、建立離散方程和離散邊界條件及初始條件；

c)對流場進(jìn)行求解計算，包括給定求解控制參數(shù)、求解離散方程和判斷解的收斂性；

d)顯示計算結(jié)果，采用線值圖、矢量圖、等值線圖、流線圖或云圖顯示。

該系統(tǒng)顯著降低結(jié)構(gòu)自重，可運(yùn)用于8mw級以上的風(fēng)力機(jī)體系。

有益效果：

本發(fā)明提出了一種提高風(fēng)力機(jī)氣動性能的鋼-混塔架系統(tǒng)及方法，可有效提高結(jié)構(gòu)氣動性能，桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用顯著減小了結(jié)構(gòu)自重，可廣泛應(yīng)用于8mw級以上大型風(fēng)力機(jī)體系，此外鋼桁架具有強(qiáng)度高、整體性和耐久性好以及變形能力強(qiáng)等優(yōu)點，且設(shè)計、制作、安裝簡便，適合推廣使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明風(fēng)力機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明風(fēng)力機(jī)桁架式塔架與混凝土塔架連接部位示意圖。

圖3為本發(fā)明風(fēng)力機(jī)桁架式塔架與機(jī)艙連接部位示意圖。

圖4為本發(fā)明螺栓結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明風(fēng)力機(jī)與傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)速度流線對比圖(左圖為鋼-混塔架風(fēng)力機(jī)體系速度流線圖，右圖為鋼結(jié)構(gòu)塔筒風(fēng)力機(jī)體系速度流線圖)。

圖6為本發(fā)明風(fēng)力機(jī)與傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)湍動能對比圖(左圖為鋼-混塔架風(fēng)力機(jī)體系湍動能圖；右圖為鋼結(jié)構(gòu)塔筒風(fēng)力機(jī)體系湍動能)。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

一種提高風(fēng)力機(jī)氣動性能的鋼-混塔架系統(tǒng)及方法，上部桁架的高度由設(shè)計所需的葉片長度來確定，來流氣流可經(jīng)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后進(jìn)行下部塔筒的建造，混凝土澆筑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(jìn)行焊接并用固定連接件進(jìn)行加固，然后將2m未澆筑混凝土的下部塔筒重新澆筑；上部桁架與機(jī)艙連接時先與橢圓形吸盤采用固定連接件加固，形成自錨體系，橢圓形吸盤與機(jī)艙采用焊接的形式固定。

如圖1至圖4所示，基于上述方法的一種提高風(fēng)力機(jī)氣動性能的鋼-混塔架系統(tǒng)及方法，其結(jié)構(gòu)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(jī)艙5等部分組成。所述塔架由桁架和混凝土塔筒組合而成，塔架上部是四棱柱體，下部是圓臺式混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1所示；所述四棱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采用焊接形式與其混凝土內(nèi)部鋼筋進(jìn)行連接，所述桁架上部與機(jī)艙交接處通過焊接在機(jī)艙底部的吸盤固定，見圖2-4；所述鋼-混塔架系統(tǒng)氣動性能采用計算流體動力學(xué)方法進(jìn)行分析，并與未優(yōu)化的塔架結(jié)構(gòu)的氣動力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，最終確定最優(yōu)系統(tǒng)方案。

所述采用計算流體動力學(xué)方法進(jìn)行模擬為：

a)建立數(shù)學(xué)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(guān)系的控制方程及相應(yīng)的定解條件；

b)確定離散化方程，采用數(shù)值方法求解控制方程是先將控制方程在空間區(qū)域上進(jìn)行離散，然后對離散方程組進(jìn)行求解，包括劃分計算網(wǎng)格、建立離散方程和離散邊界條件及初始條件；

c)對流場進(jìn)行求解計算，包括給定求解控制參數(shù)、求解離散方程和判斷解的收斂性；

d)顯示計算結(jié)果，采用線值圖、矢量圖、等值線圖、流線圖或云圖顯示。

該系統(tǒng)顯著降低結(jié)構(gòu)自重，可運(yùn)用于8mw級以上的風(fēng)力機(jī)體系。

實施例1

本實施例以國內(nèi)某3mw大型水平軸風(fēng)力機(jī)(葉片翼展長44.5m)為例，如圖1所示，根據(jù)已知的葉片長度確定上部桁架的高度，規(guī)定桁架垂直高度比葉片長6m，本實施例中采用高度為50m的四棱柱體桁架，來流氣流可經(jīng)空隙從上部塔架穿過，用于減弱塔架對氣流的阻隔效應(yīng)和葉片對塔架的遮擋效應(yīng)，并減小整體結(jié)構(gòu)自重；確定好下部混凝土塔筒和上部桁架塔筒高度后進(jìn)行下部塔筒的建造，混凝土澆筑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(jìn)行焊接并用固定連接件7進(jìn)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，然后將2m未澆筑混凝土的下部塔筒重新澆筑，用于降低結(jié)構(gòu)重心并保證塔筒結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；上部桁架與機(jī)艙連接時先與橢圓形吸盤8采用固定連接件9加固，形成自錨體系，如圖3所示，橢圓形吸盤與機(jī)艙采用焊接的形式固定。桁架式塔架相對于現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)塔架具有質(zhì)量輕、施工快捷等優(yōu)點。桁架式塔架的設(shè)置不僅可提高風(fēng)力機(jī)體系的氣動性能，還顯著降低結(jié)構(gòu)自重，可順應(yīng)風(fēng)力機(jī)體系大型化發(fā)展的趨勢。

本實施例通過對傳統(tǒng)的和具有鋼-混塔架系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)體系進(jìn)行數(shù)值模擬，對比驗證了鋼-混塔架系統(tǒng)的優(yōu)越性，圖5和圖6給出了采用上述計算流體動力學(xué)方法進(jìn)行模擬得到的鋼結(jié)構(gòu)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(tǒng)的風(fēng)力機(jī)體系相比，鋼-混塔架系統(tǒng)的應(yīng)用使得來流直接經(jīng)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(qū)，且桁架式塔架背風(fēng)區(qū)也未出現(xiàn)壓力附著區(qū)。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。