外表面具有引风沟槽以抑制涡激振动的围护结构的制作方法

本实用新型涉及围护结构技术领域，具体涉及一种外表面具有引风沟槽以抑制涡激振动的围护结构。

背景技术：

请参考图1-1，图1-1为风力发电装备构成示意图。

风力发电装备的基础为塔筒10，对整机起承载作用，起围护作用，作为示例，以一个圆形截面塔筒10为例，塔筒10可以是钢筒，也可以是钢筒与混凝土塔筒的组合。塔筒10承载着风力发电装备的机舱30、发电机、风轮机20。包括风轮机20和发电机的风力发电机组完成获取风能并转化成电能的任务。转化成的电能经电力传输电缆40或电力输送母排传输，图中所示的电力传输电缆40从机舱30引出后由塔筒10顶部的电缆挡圈限位，电缆挡圈固定于电缆挡圈固定板50，然后经马鞍面支架60后沿塔筒100的内壁垂下至变流柜70处。塔筒10的下端还设有塔架门80。

转化获得的电能经过风力发电机组的开关柜控制，借助电力传输电缆40或电力输送母排导线输运至完成电力电能变换任务的变流器(在变流柜70内)，再经过变流器处理后可获得能与电网对接规则要求的电能。因此，风力发电装备的塔筒10可以说是是风力发电的塔杆，在风力发电机组装备中主要起支撑作用。

同时，塔筒10承载由机舱30、风轮机20、发电机产生的结构风荷载或由此引发的顺风向振动和横风向振动，即：风致结构振动问题。

请参考图1-2，图1-2为塔筒分段吊装的示意图。

塔筒10目前一般分段安装，如图2所示，作为举例，从下至上依次为第一塔筒段11、第二塔筒段12、第三塔筒段13、第四塔筒段14、第五塔筒段15。风力发电装备的安装过程中，首先将第一塔筒段11安装于塔筒10的地基基础90上，然后其他塔筒段被逐段吊装，在相互连接之后，塔 筒10顶部(图2中的第五塔筒段15)与机舱30的偏航系统连接，机舱30与发电机对接，发电机(或齿轮箱)再与风轮机20对接。

具体吊装过程如下：

吊装塔筒10前，先清洁与第一塔筒段11连接的地基基础90的基础环，把多根螺栓(如120根)螺纹处抹油后放在基础环内圈处，同时将风力发电装备的控制柜吊入到基础环内；

对第一塔筒段11的上端安装吊具，此处由主吊承担对第一塔筒段11上端的吊起，也同时对第一塔筒段11的下端安装吊具，此处由塔筒辅吊承担吊起任务，两吊车同时起吊，当第一塔筒段11的高度大于第一塔筒段11最大直径后，主吊提升第一塔筒段11上端的高度，辅吊停下，当第一塔筒段11吊到垂直地面位置后把辅吊移开，卸掉第一塔筒段11下端的吊具；

将第一塔筒段11的法兰面连接好后，把螺栓从下往上穿，带好螺母后用电动扳手拧紧，至少对螺母实施拧紧3遍工序(等到整台风力发电装备吊装工序完成后，再用力矩扳手对塔筒连接螺母实施拧紧到要求的力矩值)；

其余的塔筒段与第一塔筒段11吊装过程相同，把最上段的塔筒段吊装完毕后，准备吊装机舱。

以上这些对接、连接的安装工序都在对风电场小地域环境局部风不可预测的情况下开展施工。因此，在吊装安装过程中，常会遇到大小变化不定的阵风或持续的小风，而如上所述，这些阵风或持续风有可能对塔筒诱发振动，破坏围护结构稳定、危及现场人身和设备的安全，推迟安装工期。例如，吊装第四塔筒段14后，第四塔筒段14存在振动，导致第五塔筒段15无法对准；甚至，紧固的螺栓可能会在震动作用下断裂，从而危及安全。

目前，风电行业吊装过程工程安全要求明确规定：风速大于6m/s时禁止叶片组吊装；风速大于8m/s时严禁机舱吊装；风速大于10m/s时严禁塔筒吊装。可见，现场吊装进度、安装工期明显受到局部区域风况的限制。对于高海拔、高山地域风电场的建设而言，工期更是容易受到影响。

请参考图2～图3-6，图2为现有技术中具有一定抑制振动功能的塔筒 结构示意图；图3-1～图3-6分别为圆柱涡脱(绕流脱体)与雷诺数六个区间的关系示意图，雷诺数(Re)的六个区间从图3-1至图3-6分别是，Re﹤5、5＜Re﹤15、40＜Re﹤150、150＜Re﹤3×10⁵、3×10⁵＜Re﹤3×10⁶、Re＞3×10⁶。

根据物体结构周围气流绕流模式的不同，将结构分为钝体和像飞行器的机翼或船帆这样的流线体。

当Re﹤5时，流体流动将附着在圆柱体的整个表面上，即流动不分离。

当5＜Re﹤40时，流动仍然是对称的，但出现了流动分离，在背风面形成两个对称排列的稳定漩涡，随着雷诺数的增大漩涡向外拉长，发生畸形。

40＜Re﹤150时，从雷诺数Re＝40开始，漩涡将从圆柱体表面后方交替脱落，流入到圆柱体背后附近流体中形成剪切层，不稳定的剪切层很快卷成漩涡，向下游流动，形成卡门涡街，即涡激振动。此时的漩涡脱落是规则的，且具有周期性。

150＜Re﹤300时，是从层流向紊流过渡的转变期，此时周期性的漩涡脱落被不规则的紊流所覆盖。

300＜Re﹤3×10⁵时，称为亚临界区，圆柱体尾流在分离后主要表现为紊流尾流，漩涡脱落开始不规则，涡脱频率的周期可以大致定出，但涡脱时的干扰力将不再对称，而是随机的。

3×10⁵＜Re﹤3×10⁶时，称为超临界区，漩涡脱落点向后移动，已经无法辨认涡街，成了完全无周期的涡流。

3×10⁶＜Re，称为跨临界区，圆柱体后方尾流十分紊乱，但又呈现出有规律的漩涡脱落。

当均匀气流流经(横掠、绕流)钝体(圆柱体)时，在圆柱体横断面背后产生的周期性的漩涡脱落会对结构物(塔筒表面接触面)产生一个周期性变化的作用力——涡激力。被绕流的塔筒结构物下端与地下的地基基础构成单自由端振动体系(即塔筒的上端浸没在空气流中，塔筒最下端被固定在地基基础上)，当漩涡脱落频率与塔筒结构物的某阶自振频率相一致时，塔筒表面受到的周期性的涡激力(不平衡力)将引起塔筒体系结构的 涡激共振(vortex-induced vibration)响应。

涡脱频率等于结构体系的塔筒及其基础振动体系的固有频率的条件，是在一定风速下才能满足的，但是固有频率为的塔筒及其基础振动体系将对漩涡的脱落产生某种反馈作用，使得涡脱的频率在一定的风速范围内被塔筒及其基础振动体系的振动频率所“俘获”，使其在这一风速范围内不随着风速的改变而改变，这种现象被称为锁定，锁定将扩大塔筒结构受涡激发生共振的风速范围。

现代大型MW级风力发电机组的塔筒高度可达60～100m，塔筒10顶部装有主机架、副机架、轮毂和叶片(即风轮机20)等主要部件。风力发电机组运行时，塔筒10受到的载荷除了顶部零部件产生的重力和风轮旋转产生的动载荷外，还要受到自然风的作用，包括顺风向和横风向两种作用形式。风吹动叶轮旋转时会对塔筒产生弯矩和力，这种由顺风向产生的弯矩和力是塔筒10发生破坏的主要原因。风绕过塔筒10时产生的涡流还会引起使塔筒10发生共振破坏的横向振动。

风吹过塔筒10时，尾流左右两侧产生成对的、交替排列的及旋转方向相反的反对称漩涡，即卡门漩涡。漩涡以一定频率脱离塔筒10，使塔筒10发生垂直于风向的横向振动，也称风诱发的横向振动，即涡激振动。当漩涡的脱离频率接近塔筒固有频率时，塔筒10容易发生共振而破坏。

图2中，在塔筒10外壁缠绕设置螺旋线10a(或螺旋板)，用来抑制塔筒10表面发生的旋涡脱落。其中，螺旋线10a(或螺旋板)在不同的螺距布置时，有不同的横向振荡抑制效果；螺旋线10a高度增加利于破坏涡街发放周期，涡街生成及发放更不规则，利于抑制涡激振动，同时噪声、塔筒前后产生的阻力也逐渐增大，沿着风向俯仰振动幅度会增大。

上述技术方案存在下述技术问题：

螺旋线10a抑制振动的效果依然不够理想。

螺旋线10a(或螺旋板)在塔筒表面的覆盖率会影响横向振荡抑制效果，覆盖率达到(或超过)50％时，抑制横向振动的效果会更好，但此时螺旋线10a(或螺旋板)与空气流的风致噪声对自然环境生物的严重影响是生态法规所不允许的；基于此，即便安装螺旋线10a(或螺旋板)也仅 仅用在吊装阶段，无法考虑长期运行。

有鉴于此，如何改善风力发电装备安装受到区域风况限制的情况，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种外表面具有引风沟槽以抑制涡激振动的围护结构，该围护结构的涡激振动得以抑制，安装受区域风况限制的情况得以改善，并且在安装后也可以持续抑制涡激振动。

本实用新型实施例提供一种外表面具有引风沟槽以抑制涡激振动的围护结构，所述围护结构的外表面设有若干向上以及若干向下倾斜的引风沟槽，若干所述引风沟槽沿所述围护结构的高度方向、周向分布，上风向来流经所述引风沟槽后向上或向下偏离并能够形成旋涡。

可选地，所述引风沟槽呈弧形，以使所述上风向来流进入所述引风沟槽并从其出风口流出后能够形成漩涡。

可选地，沿高度方向，相邻的上、下所述引风沟槽一一对应且倾斜方向相反；相邻且出风口相对的上、下所述引风沟槽，引出的气流能够相互碰撞形成旋涡。

可选地，沿高度方向，相邻的上、下所述引风沟槽倾斜方向相反且错离布置，相邻且出风口朝向相反的上、下所述引风沟槽，引出的气流能够交汇形成旋涡。

可选地，沿周向，倾斜向上的所述引风沟槽与倾斜向下的所述引风沟槽依次间隔布置。

可选地，沿周向，相邻的所述引风沟槽突出方向相反；沿高度方向，相邻的所述引风沟槽倾斜方向和突出方向均相反。

可选地，相邻的上下左右四个所述引风沟槽形成呈内凹的菱形状的沟槽单元，上下的所述沟槽单元相对或在周向上错开。

可选地，所述引风沟槽为直线形，沿高度方向，相邻的上、下所述引风沟槽一一对应且倾斜方向相反，上风向来流经所述引风沟槽引出后，相对的相邻出风口引出的气流能够相互碰撞形成旋涡。

可选地，沿周向，倾斜向上的所述引风沟槽与倾斜向下的所述引风沟槽依次间隔布置。

可选地，所述引风沟槽的深度为2-5mm。

可选地，所述围护结构的外表面通过真空浸渍工艺形成防腐涂层，所述防腐涂层在真空浸渍时形成所述引风沟槽。

可选地，所述围护结构为电视塔或风力发电机的塔筒。

可选地，所述引风沟槽设于所述围护结构的上部。

可选地，述的外表面具有引风沟槽以抑制涡激振动的围护结构，其特征在于，所述围护结构内壁设有振动监测装置。。

上述围护结构其外表面设置引风沟槽，引导流经引风沟槽的上风向来流偏离原方向，并产生漩涡，可以直接产生漩涡，也可以碰撞或交汇后形成漩涡。如背景技术部分所述，卡门涡街现象所产生的涡激振动时由于：“在圆柱体横断面背后产生的周期性的漩涡脱落会对结构物产生一个周期性变化的作用力——涡激力。”本方案中，通过设置引风沟槽而产生漩涡，从而增强围护结构外表面整体漩涡的旋转动量，增强边界层的粘滞力，以阻止、抑制漩涡在围护结构两侧(相对于上风向来流)脱落，从而达到抑制涡激振动的目的。

附图说明

图1-1为风力发电装备构成示意图；

图1-2为塔筒分段吊装的示意图；

图2为具有一定抑制振动功能的塔筒结构示意图；

图3-1～3-6分别为圆柱涡脱(绕流脱体)与雷诺数六个区间的关系示 意图；

图4为本实用新型所提供塔筒一种具体实施例的结构示意图；

图5为图4中塔筒部分外表面的平面展开的第一示例图；

图6为图5的A部位局部放大示意图；

图7为图4中塔筒部分外表面的平面展开的第二示例图；

图8为图7中B部位的局部放大示意图；

图9为图4中塔筒部分外表面形成的引风沟槽的第三示例图，示出部分引风沟槽；

图10为图4中塔筒部分外表面形成的引风沟槽的第四示例图，示出部分引风沟槽。

图1-1～图3-6中附图标记说明如下：

10塔筒、11第一塔筒段、12第二塔筒段、13第三塔筒段、14第四塔筒段、15第五塔筒段、10a螺旋线、20风轮机、30机舱、40电力传输电缆、50电缆挡圈固定板、60马鞍面支架、70变流柜、80塔架门、90地基基础；

图4-10中附图标记说明如下：

100塔筒、200机舱、300叶片、400塔筒基础、101引风沟槽。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图4，图4为本实用新型所提供塔筒一种具体实施例的结构示意图；图5为图4中塔筒部分外表面的平面展开的第一示例图。

本文实施例中，围护结构具体为风力发电机组的塔筒100，以下各实施例也以此为例进行示例说明，塔筒100顶部设有机舱200、机舱200连接叶片300，塔筒100底部连接于塔筒基础400。如图5所示，塔筒100 的外表面设有若干向上倾斜的引风沟槽101以及若干向下倾斜的引风沟槽101，若干引风沟槽101沿塔筒100外表面的高度方向、周向分布，图5中在塔筒100顶部以下L高度范围内，布满引风沟槽101(虚线框I内的塔筒100外表面部分均布置有引风沟槽101)。则上风向来流经过塔筒100外表面时，进入引风沟槽101后形成的气流会向上或向下偏离，本实施例同时要求偏离后的气流能够形成漩涡。

具体可以继续参考图5理解，该实施例中的引风沟槽101呈弧形，这样，当上风向来流进入弧形的引风沟槽101后形成的气流，能够形成漩涡。

再请参考图6，图6为图5的A部位局部放大示意图。

沿高度方向，相邻的上、下引风沟槽101一一对应且倾斜方向相反。以左侧中部两个相邻的弧形引风沟槽101为例，二者弧形突出方向一致，均朝右突出，且该两个上、下相邻的引风沟槽101，其出风口相对(几乎正对，角度与引风沟槽101的弧度有关)。弧形引风沟槽101出风口处气流本身就形成漩涡，而由于两个引风沟槽101出风口相对，两个引风沟槽101引出的漩涡气流还能够相互碰撞，碰撞后可以形成(旋转角)动量相反的一对旋涡，漩涡交汇后具有更高的旋转动量，呈顺时针或逆时针旋转。可以理解，为了从出风口吹出时即形成漩涡气流，引风沟槽101不限于图中所示的圆弧形，也可以是其他能够形成弯曲度以形成漩涡的形状。

还可以参考图7，图7为图4中塔筒100部分外表面的平面展开的第二示例图；图8为图7中B部位的局部放大示意图。

沿高度方向，相邻的上、下引风沟槽101倾斜方向相反且错离布置。图6中，上、下相邻两个弧形引风沟槽101的出风口位置上下对应，而图8中，上、下引风沟槽101的出风口位置错离一定距离，朝向相反。则弧形突出方向一致且相邻的上、下引风沟槽101，引出的气流同样能够交汇形成旋涡，不同于图6出风口相对碰撞的情形，此处相错使得两股漩涡(弧形引风沟槽101出风口处气流本身就形成漩涡)可以交汇形成具有更高旋转动量的漩涡。图6、8中，实际上是设置若干呈“菱形”的沟槽单元(每 个引风沟槽101的出风口或进风口并不相交)，且沟槽单元均是内凹形，图6的上下沟槽单元相对，图8中上下沟槽单元相错开。

除了上述形成漩涡的方式，还可以参考图9，图9为图4中塔筒100部分外表面形成的引风沟槽101的第三示例图，示出部分引风沟槽101。

图9与图6类似，也是沿高度方向，相邻的上、下所述引风沟槽101一一对应且倾斜方向相反，上风向来流经上、下所述引风沟槽101引出后能够相互碰撞形成旋涡，即出风口位置也是相对。不同的是，此时的引风沟槽101并不是弧形沟槽，而是直线形沟槽。可以理解，当设置为弧形沟槽时，上、下相邻两个引风沟槽101的出风口可以设置为正对或接近正对，直接相撞，无其他方向的分量，更容易形成动量相对较大的漩涡；直线型的引风沟槽101，由于倾斜设置，出风口不能完全相对，形成的漩涡动量相对较小。另外，弧形的引风沟槽101本身会形成漩涡气流，碰撞或交汇后的漩涡动量会进一步增加。但从图9可看出，与弧形引风沟槽101不同，上下引风沟槽101交汇处均会碰撞形成漩涡。而图6中，两个出风口(如上部右侧两个引风沟槽101)未相对设置，出风口的气流交汇吹出，破坏气流边界层，也能够从另一角度抑制涡激振动的成因，这也是设置菱形沟槽单元时的优势，一方面无论风向如何，沟槽单元的一半引出气流形成漩涡，而另一半用于吹出气流破坏边界层。

上述实施例的目的是在塔筒100外表面设置引风沟槽101，引导流经引风沟槽101的上风向来流偏离原方向，并产生漩涡，可以直接产生漩涡(弧形的引风沟槽101)，也可以碰撞或交汇后形成漩涡。如背景技术部分所述，卡门涡街现象所产生的涡激振动时由于：“在圆柱体横断面背后产生的周期性的漩涡脱落会对结构物(塔筒100表面接触面)横风向产生一个周期性变化的作用力——涡激力。”本方案中，通过设置引风沟槽101相当于为上风向来流形成“根部或根基”，同时经引风沟槽101后的气流产生漩涡，从而增强塔筒100外表面整体漩涡的旋转动量，增强边界层的气流对塔筒100外表面的依附，直接产生漩涡，或碰撞或交汇后形成漩涡可促使边界层提前转捩湍流，具备更高动量抑制逆压梯度下绕流脱体的回流现象 发生，抑制或阻止了边界层分离塔筒100外表面，使得塔筒100局部段落(或节)(有引风沟槽101的段落)相对绕流气流的空气动力系数变小，从而降低涡激共振振幅，达到抑制涡激振动的目的；同时打破局部高度卡门涡街现象的相关性，阻止横风向脉动压力的一致性、根本上阻止涡激成因和阻止涡激力同方向、同方向的合成力的大小。

基于对旋转动量的提升需求，本方案中，引风沟槽101可能具有较大的布置密度，相邻的引风沟槽101也尽可能地邻近，以便产生尽可能多的漩涡以及较大动量的漩涡。

另外，本实用新型开设引风沟槽101的目的是增强塔筒100外表面的漩涡旋转动量，避免漩涡脱落，引风沟槽101只要能够产生漩涡即可，故引风沟槽101的深度较小，不会影响塔筒100外表面的强度，也几乎不会产生噪音。优选地引风沟槽101深度在2-5mm，能够产生所需动量的漩涡，这相对于背景技术中螺旋线形成的螺旋槽而言，深度几乎可以忽略，故而解决了螺旋线的噪音问题，降低成本(螺旋线一旦定型、固定后不可控制，只要有风，就会产生噪声，相应地也会增加结构阻力，造成顺风向振动幅度加大，塔筒基础被迫加强)。而且，从抑制涡激振动的机理来说，本方案从漩涡脱落的本质出发，直接抑制漩涡脱落，从而使得横向涡激振动的抑制效果更好，也不会诱发其他振动。

请重新查看图5-9，沿塔筒100的周向，倾斜向上的所述引风沟槽101与倾斜向下的所述引风沟槽101依次间隔布置，即同一圈的引风沟槽101是倾斜方向交错布置。另外，针对圆弧形或其他形状的引风沟槽101，鉴于其走向，如图5所示，在交错布置时，同一圈相邻的引风沟槽101，不仅倾斜方向相反，而且突出方向也最好相反，使得碰撞或交汇更易于形成。如图6、8所示的相邻四个引风沟槽101形成近似向内收缩的菱形。

如此设置，当上风向来流风向改变时，每一圈均有对应的引风沟槽101进行引流，从而无论风向如何变动，在相邻两圈之间的若干位置都能产生相应的局部漩涡，抑制漩涡脱落，抑制振动。

当然，每一圈都按照同一方向布置也是可以的，可以参考图10，图10 为图4中塔筒100部分外表面形成的引风沟槽101的第四示例图，示出部分引风沟槽101。以图4为视角，当上风向来流自左向右时，自上向下，第二、三排的引风沟槽101之间的若干位置会形成漩涡；当上风向来流自右向左时，则会在第一、二排之间以及第三、四排之间的若干位置形成漩涡。因此，上述每一圈引风沟槽101按照不同倾斜方向间隔布置的方式，使得产生漩涡的位置更多，更能保证漩涡的旋转动量，从而提高抑制涡激振动的能力。

从上述实施例可以看出，本方案需要形成气流的漩涡，故只要上风向来流经引风沟槽101出风口排出后形成的气流能够形成具有所需动量的漩涡，就能够实现本实用新型的目的，至于引风沟槽101如何排布，并不受实施例的限制。

本实用新型方案，可以在整个塔筒100的外表面设置引风沟槽101，以最大程度地抑制涡激振动。当然，也可以如图4所示，仅在塔筒100上部设置引风沟槽101，图4中塔筒100自上向下L段对应于叶片300的高度。塔筒100上部振动属于相对明显的位置，危害也最大，故在上部设置引风沟槽101抑制涡激振动也可以满足基本的振动抑制需求。

如上所述，引风沟槽101内的空气流被驱赶并沿着槽内获得加速，直接产生漩涡，或碰撞或交汇后形成漩涡促使边界层提前转捩湍流，具备更高动量抑制逆压梯度下绕流脱体的回流现象发生，抑制或阻止了边界层分离塔筒100外表面，使得塔筒100上叶片300经过位置处相对绕流气流的空气动力系数变小，可以降低涡激共振(横风向)振幅的同时，抑制顺风向振动。

经发明人研究，当叶片300进过塔筒100迎风面时，叶片300和塔筒壁之间会形成缩放通道(先渐缩再渐扩)，在渐缩通道内，气流出现拥塞滞止现象，此时会造成该叶片300与其他位置叶片受力不等，传递到叶根造成对变桨轴承的脉动性荷载疲劳破坏。当设置引风沟槽101后，叶片300经过迎风面时，引风沟槽101会将加快气流引出，或交汇吹气或形成漩涡， 即气流可以更快速地通过，减小与其他位置叶片背面空气流状态的差距，减缓滞止现象，减小对变桨轴承的脉动性荷载疲劳破坏，达到削弱塔影效应的目的。

需要说明的是，上述的围护结构以塔筒100为例，显然凡是类似结构的环状结构物均可以采用如上方案以达到抑制振动的目的，例如电视塔，在电视塔的外表面按照如上方式设置引风沟槽101，此处不再赘述。

具体在形成引风沟槽101时，可以在围护结构的外表面通过真空浸渍工艺形成防腐涂层，防腐涂层可以保护围护结构的外表面，在形成防腐涂层的同时即可形成引风沟槽101，即引风沟槽101在真空浸渍时同时形成，工艺上易于实现。除了真空浸渍形成，也可以直接在围护结构外表面切割形成。当然，为了避免切割可能引起的应力集中，可以在围护结构外表面套设一层塑料层，然后在塑料层上切割形成环形凹槽101，相应地形成环形凸台102。

另外，可以在围护结构内壁设置振动监测装置，以便监测设置引风沟槽101后的振动情况，一方面，有助于操作人员掌握围护结构的当前振动情况；另外，也可以与未设置引风沟槽101的围护结构进行比较。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。