一種風力機塔筒及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種風力機塔筒及其制備方法，將塔筒的橫向截面邊緣設置為周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)，該周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)的齒槽中能產(chǎn)生穩(wěn)定的旋渦，旋渦的存在減小了壁面應力，進而降低了氣動阻力，并且周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)還拉長了繞流尾跡的長度，減小了遠場尾跡區(qū)的脈動強度，旋渦脫落得到了抑制，這使得脈動阻力減小，減小塔筒的顫振，使得風力機在風力強勁的風場地帶屹立，解決了風力機塔筒的穩(wěn)定性問題，提高風力機的安全性和使用壽命。力機的安全性和使用壽命。力機的安全性和使用壽命。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種風力機塔筒及其制備方法


[0001]本專利技術(shù)屬于風力機塔筒
，具體屬于一種風力機塔筒及其制備方法。

技術(shù)介紹

[0002]塔筒是風力機的主要承載部件，所以風力機的塔筒作為風力機的關鍵部件在風力機使用壽命上起到了關鍵的作用。隨著風力機倒塌事件地不斷發(fā)生，風力機塔筒的穩(wěn)定性問題也受到了越來越多的關注。所以提高塔筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對于風力發(fā)電機的安全運行有著重大的意義。目前，塔筒為鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為了提高塔筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，經(jīng)常采用兩種方式，一種是在塔筒內(nèi)壁設置加強筋的強化設計方法，如加筋數(shù)目、加筋尺寸等；另一種方法是在塔筒外部設置剛性結(jié)構(gòu)，限制塔筒的左右擺動。上述兩種方法雖然都對塔筒進行了加固，但是上述方法也存在一定的缺點。因為塔筒在強化的過程中用鋼量也在增加，使得塔筒的制造成本以及體積重量都有所增加，這也給安裝帶來了不便。上述方法也沒有從流體動力學角度考慮風力機塔筒的設計制造，沒有從根本上解決風力機塔筒的穩(wěn)定性問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本專利技術(shù)提供一種風力機塔筒及其制備方法，在塔筒橫向截面邊緣制作周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有很好的緩震機制，對柱體繞流具有一定的減阻效果，能減緩柱體的渦激振蕩，進一步提升風力機的設計水平和開發(fā)產(chǎn)品的性能。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：一種風力機塔筒，所述塔筒橫向截面邊緣為周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)，所述周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)是凹凸槽型擬合曲線進行縮放和圓周陣列得到的封閉曲線，所述凹凸槽型擬合曲線由上凸擬合曲線一側(cè)的最低點和下凹擬合曲線一側(cè)的最高點連接得到。
[0005]進一步的，所述上凸擬合曲線和下凹擬合曲線的擬合曲線方程為：
[0006][0007]其中，k為差異度系數(shù)，k＝0.1
?
2；y1＝
?
0.15738x
12
+2.13955x1?
2.034,0≤x1≤13.4；y2＝0.30836x
22
?
2.15702x2+3.75654,0≤x2≤7。
[0008]進一步的，所述上凸擬合曲線和下凹擬合曲線通過提取巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形狀輪廓并進行曲線擬合得到。
[0009]進一步的，所述凹凸槽型擬合曲線進行縮放的縮放比例因子j由上凸擬合曲線中上凸的最高點與上凸左側(cè)最低點之間的豎直距離H和塔筒的橫向截面尺寸決定。
[0010]本專利技術(shù)還提供一種風力機塔筒的制備方法，具體步驟如下：
[0011]S1利用同心的齒頂圓、中心圓和齒根圓將巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形狀輪廓進行劃分，提取齒頂圓和中心圓之間的多個上凸形狀曲線，提取中心圓和齒根圓之間
的多個下凹形狀曲線；
[0012]S2分別將多個上凸形狀曲線和多個下凹形狀曲線的平均化形狀曲線作為上凸特征曲線和下凹特征曲線；
[0013]S3分別對上凸特征曲線和下凹特征曲線的特征點進行擬合得到上凸擬合曲線和下凹擬合曲線，將上凸擬合曲線一側(cè)的最低點和下凹擬合曲線一側(cè)的最高點連接得到仿生凹凸槽型擬合曲線；
[0014]S4根據(jù)縮放比例因子j對仿生凹凸槽型擬合曲線進行縮放，再進行圓周陣列得到仿巨人柱仙人掌截面型線，令塔筒橫向截面邊緣形狀與仿巨人柱仙人掌截面型線形狀相同，即得到仿巨人柱仙人掌塔筒。
[0015]進一步的，S2中，將多個上凸形狀曲線和多個下凹形狀曲線分別旋轉(zhuǎn)至同一旋轉(zhuǎn)軸上，得到上凸形狀曲線集和下凹形狀曲線集，選取上凸形狀曲線集和下凹形狀曲線集中最中心的平均化形狀曲線分別作為上凸特征曲線和下凹特征曲線。
[0016]進一步的，S2中，以特征圓圓心為旋轉(zhuǎn)中心，上凸形狀曲線最高點與特征圓圓心的連線為上凸形狀曲線旋轉(zhuǎn)軸，對各個上凸形狀曲線進行旋轉(zhuǎn)，將各個上凸形狀曲線旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)重疊，得到上凸形狀曲線集；對下凹形狀曲線也重復上述操作，得到下凹形狀曲線集。
[0017]進一步的，S3中，采用逆向重構(gòu)法提取上凸特征曲線和下凹特征曲線的特征點，進行非線性曲線擬合，得到上凸擬合曲線和下凹擬合曲線，將上凸擬合曲線和下凹擬合曲線按照上凸特征曲線和下凹特征曲線的大小進行縮放。
[0018]進一步的，S3中，所述上凸擬合曲線和下凹擬合曲線的擬合曲線方程為：
[0019][0020]其中，k為差異度系數(shù)，k＝0.1
?
2；y1＝
?
0.15738x
12
+2.13955x1?
2.034,0≤x1≤13.4；y2＝0.30836x
22
?
2.15702x2+3.75654,0≤x2≤7。
[0021]進一步的，S4中，縮放比例因j的計算公式：
[0022][0023]其中，R為常規(guī)風力機塔筒半徑；h為齒頂圓與中心圓之間的豎直距離；上凸擬合曲線中上凸的最高點與上凸左側(cè)最低點之間的距離H；r1為齒頂圓半徑；r為中心圓半徑；r2為齒根圓半徑；r1＝(1.05
?
1.1)*r，r2＝2r
?
r1；k為差異度系數(shù)，k＝0.1
?
2；a、b、c為上凸擬合曲線的擬合曲線方程y1的系數(shù)：a＝
?
0.15738，b＝2.13955，c＝
?
2.034，y1＝
?
0.15738x
12
+
[0024]2.13955x1?
2.034,0≤x1≤13.4。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)至少具有以下有益效果：
[0026]本專利技術(shù)提供一種風力機塔筒，塔筒的橫向截面邊緣為周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)，該周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)的齒槽中能產(chǎn)生穩(wěn)定的旋渦，旋渦的存在減小了壁面應力，進而降低了氣動阻力，并且周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)還拉長了繞流尾跡的長度，減小了遠場尾跡區(qū)的脈動強度，旋渦脫落得到了抑制，這使得脈動阻力減小，減小塔筒的顫振，使得風力機在風力強勁的風場
地帶屹立，解決了風力機塔筒的穩(wěn)定性問題，提高風力機的安全性和使用壽命。
[0027]為了從根本上解決塔筒穩(wěn)定性問題，人們發(fā)現(xiàn)仿生學作為連接自然界和科學的紐帶，可以將仿生的設計理念應用在風力機塔筒的設計制造中，為風力機的設計制造提供新思路和新方法。因此本專利技術(shù)提取了巨人柱仙人掌截面邊緣的齒形凹槽形狀，并將其應用在風力機塔筒的設計制造中，進一步提升風力機的設計水平和開發(fā)產(chǎn)品的性能。
[0028]本專利技術(shù)還提供一種風力機塔筒的制備方法，通過提取巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形狀輪廓得到多個單個周期的上凸形狀曲線和下凹形狀曲線，并對多個單個周期的上凸形狀曲線和下凹形狀曲線進行了平均化處理，最終得到凹凸槽型擬合曲線，通過對凹凸槽型擬合曲線進行縮放和圓周陣列得到了能夠反映巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形狀輪廓的仿巨人柱仙人掌截面型線，將仿巨人柱仙人掌截面型線應用在風力機塔筒的設計制造中，仿巨人柱仙人掌的風力機塔筒與圓柱形的風力機塔筒相比，仿巨本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種風力機塔筒，其特征在于，所述塔筒橫向截面邊緣為周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)，所述周期性凹凸槽結(jié)構(gòu)形狀是凹凸槽型擬合曲線(30)進行縮放和圓周陣列得到的封閉曲線形狀，所述凹凸槽型擬合曲線(30)由上凸擬合曲線(28)一側(cè)的最低點和下凹擬合曲線(29)一側(cè)的最高點連接得到。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風力機塔筒，其特征在于，所述上凸擬合曲線(28)和下凹擬合曲線(29)的擬合曲線方程為：其中，k為差異度系數(shù)，k＝0.1
?
2；y1＝
?
0.15738x
12
+2.13955x1?
2.034,0≤x1≤13.4；y2＝0.30836x
22
?
2.15702x2+3.75654,0≤x2≤7。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風力機塔筒，其特征在于，所述上凸擬合曲線(28)和下凹擬合曲線(29)通過提取巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形狀輪廓并進行曲線擬合得到。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風力機塔筒，其特征在于，所述凹凸槽型擬合曲線(30)進行縮放的縮放比例因子j由上凸擬合曲線(28)中上凸的最高點與上凸左側(cè)最低點之間的豎直距離H和塔筒的橫向截面尺寸決定。5.一種風力機塔筒的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：S1利用同心的齒頂圓(1)、中心圓(2)和齒根圓(3)將巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形狀輪廓進行劃分，提取齒頂圓(1)和中心圓(2)之間的多個上凸形狀曲線(8)，提取中心圓(2)和齒根圓(3)之間的多個下凹形狀曲線(9)；S2分別將多個上凸形狀曲線(8)和多個下凹形狀曲線(9)的平均化形狀曲線作為上凸特征曲線(13)和下凹特征曲線(19)；S3分別對上凸特征曲線(13)和下凹特征曲線(19)的特征點進行擬合得到上凸擬合曲線(28)和下凹擬合曲線(29)，將上凸擬合曲線(28)一側(cè)的最低點和下凹擬合曲線(29)一側(cè)的最高點連接得到仿生凹凸槽型擬合曲線(30)；S4根據(jù)縮放比例因子j對仿生凹凸槽型擬合曲線(30)進行縮放，再進行圓周陣列得到仿巨人柱仙人掌截面型線(32)，令塔筒橫向截面邊緣形狀與仿巨人柱仙人掌截面型線(32)形狀相同，即得到仿巨人柱仙人掌塔筒(26)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種風力機塔筒的制備方法，其特征在于，S2中，將多個上凸形狀曲線(8)和多個下凹形狀曲線(9)分別旋轉(zhuǎn)至同一旋轉(zhuǎn)軸上，得到上凸形狀曲線集(1...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馬祺敏，張洋，王加浩，張家忠，
申請(專利權(quán))人：西安交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：