一种抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统及方法，塔架由上部、中部和下部的钢结构圆台式塔筒组合而成；其中，中部塔筒的直径小于上部塔筒和下部塔筒的直径；上部塔筒、中部塔筒和下部塔筒各自的塔筒直径均为自上而下呈递增趋势；所述中部塔筒厚度比上部塔筒和下部塔筒厚3‑5cm；所述上部塔筒与中部塔筒、中部塔筒与下部塔筒的连接处均采用齿轮传动连接并固定；所述上部塔筒的高度为叶片长度的1/2。本发明专利技术可显著提高强台风作用下结构的抗风稳定性能，大幅减轻结构自重并降低造价，可运用于8MW级以上的大型风力机体系。

An Intelligent Telescopic Wind Turbine Tower System and Method for Strong Typhoon Resistance

The invention relates to an intelligent telescopic wind turbine tower system and method for resisting strong typhoon. The tower is composed of steel structure cylindrical tower barrels in the upper, middle and lower parts, in which the diameter of the central tower barrel is smaller than that of the upper tower barrel and the lower tower barrel, and the respective diameter of the upper tower barrel, the middle tower barrel and the lower tower barrel is increasing from top to bottom. The thickness of the cylinder is 3 820 cm thicker than that of the upper and lower tower barrels; the connecting points of the upper tower barrel with the middle tower barrel, the middle tower barrel and the lower tower barrel are all connected and fixed by gear transmission; the height of the upper tower barrel is 1/2 of the length of the blade. The invention can remarkably improve the wind resistance stability performance of the structure under strong typhoon action, greatly reduce the weight of the structure and reduce the cost, and can be applied to large-scale wind turbine systems above 8MW level.

【技术实现步骤摘要】
一种抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统及方法
本专利技术涉及风电系统的建筑
和大型高耸结构抗风
，具体涉及一种抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统及方法。
技术介绍
中国地处北太平洋西岸，东南沿海地区每年都将遭受数十个台风影响，造成重大人员财产损失，我国风电场多集中于东南沿海等风能资源较为丰富的地区，受台风影响的频率更高。作为风力发电的主要构筑物，风力机逐渐朝着大功率化发展，强台风作用下体系风致破坏问题愈加突出。风力机塔架是保证结构安全防止风力机体系失稳倒塌的重要构件。研究表明：强台风作用下风力机承受的荷载逐渐大于临界载荷，结构的应力刚化产生的应力刚度矩阵将抵消结构本身的刚度矩阵，风力机在很小的扰动下产生了较大挠度；随着风速的逐渐增大，风力机体系逐渐由挥舞摆振向失稳过渡，达到无法恢复原有平衡的状态；风速进一步增大后，随之而来的将是塔架折断、整机倒塌。因此，塔架的抗强台风性能和耐久性成为了制约风力机体系大型化发展的瓶颈问题。就目前来说，如何提高结构的抗风性能是亟待解决的问题之一。增加塔筒壁厚虽能增强结构的抗风性能，但亦会导致经费投入大幅上涨、结构自重显著增大和施工难度加大等问题，进而产生一系列潜在的风险，但塔架的不可控使得并不能从根本上提高风力机体系的稳定性。
技术实现思路
针对现有技术缺陷与工程实际难题，本专利技术提供了一种施工方便、构造简单、能显著提高风力机抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统。本专利技术提供的技术方案是：一种抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统，塔架系统由上部、中部和下部的钢结构圆台式塔筒组合而成；其中，中部塔筒的直径小于上部塔筒和下部塔筒的直径；上部塔筒、中部塔筒和下部塔筒各自的塔筒直径均为自上而下呈递增趋势；所述中部塔筒厚度比上部塔筒和下部塔筒厚3-5cm；所述上部塔筒与中部塔筒、中部塔筒与下部塔筒的连接处均采用齿轮传动连接并固定；所述上部塔筒的高度为叶片长度的1/2。进一步的，基于瞬态分析理论进行稳定性能分析，并与常态下风力机体系进行对比，最终确定该风力机塔架系统的尺寸方案。进一步的，所述塔架可自由伸缩，并根据风速进行高度调整。进一步的，塔筒通过筒身端部的齿轮、齿槽传动连接固定。进一步的，风力机稳定性能均基于瞬态分析理论进行分析：a)建立物理模型并逐渐施加风荷载，当风力机承受的荷载大于临界载荷时，结构的应力刚化产生的应力刚度矩阵将抵消结构本身的刚度矩阵，结构在很小的扰动下将产生较大挠度且扰动消失后无法恢复至原有平衡状态，即结构已发生屈曲失稳；b)结构在屈曲失稳时计算获得的屈曲系数可作为评价结构抗风稳定性能的重要参数。有益效果：本专利技术提出了一种抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统及方法，当强台风来临时可通过降低塔架高度进而提高结构稳定性能，智能伸缩式塔架的应用显著减轻了结构自重，可广泛应用于8MW级以上大型风力机体系，此外分段伸缩式塔架具有施工安装简便、耐久性好和变形能力强等优点，且设计、制作、安装简便，适合推广使用。附图说明图1为本专利技术风力机的整体结构示意图。图2为本专利技术风力机上部(下部)塔筒和齿槽示意图。图3为本专利技术风力机中部塔筒和齿轮示意图。图4为本专利技术齿槽结构示意图。图5为本专利技术齿轮结构示意图。图6为本专利技术风力机塔筒厚度示意图(左图为上部和下部塔筒厚度示意图；右图为中部塔筒厚度示意图)。图7为本专利技术风力机与传统风力机屈曲模态对比图(左图为钢结构塔架屈曲模态图；中图为未伸缩组合塔架屈曲模态图；右图为伸缩后组合塔架屈曲模态图)。图中：1-上部塔架，2-中部塔架，3-下部塔架，4-叶片，5-轮毂，6-机舱。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。一种抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统及方法，塔架的上部、中部和下部均为钢结构圆台，上部与中部、中部与下部采用齿轮传动连接并固定，为便于伸缩塔架中部直径均小于上部和下部直径；在减小塔筒中部直径的同时，通过增加壁厚来弥补直径减小带来的结构强度不足等缺点，设置塔筒中部厚度比上部和下部塔筒厚3-5cm；此外，保证上部塔筒的高度至少为叶片长度的1/2，进一步保证塔筒中部直径的减小不会降低结构的强度和稳定性。如图1至图6所示，基于上述方法的一种抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统及方法，其结构体系由上部塔架1、中部塔架2、下部塔架3、叶片4、轮毂5和机舱6等部分组成。所述塔架由分段式变截面变厚度塔筒组合而成，上部、中部和下部均为钢结构圆台，中部直径小于上部和下部直径，如图1所示；所述塔架的上部与中部、中部与下部连接处均采用齿轮传动连接并固定，见图2-5所示；所述中部塔筒厚度均比上部和下部塔筒厚3-5cm，如图6所示，所述上部塔筒的高度约为叶片长度的1/2；所述抗强台风的智能伸缩式风力机塔架基于瞬态分析理论进行稳定性能分析，并与常态下风力机体系进行对比，最终确定该风力机塔架系统的最优方案。所述采用计算流体动力学方法进行模拟为：a)建立物理模型并逐渐施加风荷载，当风力机承受的荷载大于临界载荷时，结构的应力刚化产生的应力刚度矩阵将抵消结构本身的刚度矩阵，结构在很小的扰动下将产生较大挠度且扰动消失后无法恢复至原有平衡状态，即结构已发生屈曲失稳；b)结构在屈曲失稳时计算获得的屈曲系数可作为评价结构抗风稳定性能的重要参数。该系统可显著提高强台风作用下结构的抗风稳定性能，大幅减轻结构自重并降低造价，可运用于8MW级以上的大型风力机体系。实施例1本实施例以国内某5MW大型水平轴风力机(塔架高度为124m，叶片长为60m)为例，如图1所示，根据已知的叶片长度确定塔筒上部高度，规定上部塔筒高度约为叶片长度的1/2，本实施例中确定上部塔筒(1)高度为36m，中部塔筒(2)高50m，下部塔筒(3)高38m，其中上部塔筒直径由6.0-6.28m自上而下递增，下部塔筒直径由6.68-7.0m自上而下递增；中部塔筒直径均小于上部和下部直径，设置中部直径为6.0-6.1m自上而下递增。塔架的上部与中部、中部与下部连接处均采用齿轮传动连接，未伸缩时保证两个齿轮在非啮合状态，伸缩时保证齿轮在啮合状态；保证塔筒连接部位筒壁壁厚比其它位置大约3cm，此外，在保证原有结构壁厚的基础上塔筒中部壁厚等量增加4cm。分段伸缩式塔架的设置不仅结构的抗风稳定性能，大幅减轻结构自重并降低造价，可顺应风力机体系大型化发展的趋势。本实施例通过对传统的风力机和具有智能伸缩式塔架的风力机体系进行屈曲分析，对比验证了伸缩式塔架系统的优越性，图7给出了本专利技术风力机与传统风力机屈曲模态对比图，其中自左向右分别为钢结构塔架屈曲模态图、未伸缩组合塔架屈曲模态图和伸缩后组合塔架屈曲模态图。由图可知：施加相同的强台风风荷载后，与传统的风力机体系相比，采用变截面组合塔架后结构整体屈曲系数大于单一钢结构塔架的屈曲系数，由2.385增至2.584；通过缩短中间塔架高度后发现结构整体屈曲系数增至2.896，由此说明改变塔架结构型式并缩短塔架后结构抗屈曲性能增加了23％。以上所述，仅是本专利技术的较佳实施例，并非对本专利技术作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本专利技术技术方案范围内，依据本专利技术的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本专利技术技术方案的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统，其特征在于：塔架系统由上部、中部和下部的钢结构圆台式塔筒组合而成；其中，中部塔筒的直径小于上部塔筒和下部塔筒的直径；上部塔筒、中部塔筒和下部塔筒各自的塔筒直径均为自上而下呈递增趋势；所述中部塔筒厚度比上部塔筒和下部塔筒厚3‑5cm；所述上部塔筒与中部塔筒、中部塔筒与下部塔筒的连接处均采用齿轮传动连接并固定；所述上部塔筒的高度为叶片长度的1/2。

【技术特征摘要】
1.一种抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统，其特征在于：塔架系统由上部、中部和下部的钢结构圆台式塔筒组合而成；其中，中部塔筒的直径小于上部塔筒和下部塔筒的直径；上部塔筒、中部塔筒和下部塔筒各自的塔筒直径均为自上而下呈递增趋势；所述中部塔筒厚度比上部塔筒和下部塔筒厚3-5cm；所述上部塔筒与中部塔筒、中部塔筒与下部塔筒的连接处均采用齿轮传动连接并固定；所述上部塔筒的高度为叶片长度的1/2。2.根据权利要求1所述的抗强台风的智能伸缩式风力机塔架系统，其特征在于：基于瞬态分析理论进行稳定性能分析，并与常态下风力机体系进行对比，最终确定该风力机塔架系统的尺寸方案。3.根据权利要求1所述的抗强台风的智...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯世堂，徐璐，余文林，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32