一种用于抑制下风式风力机噪声的变螺旋角开槽装置的制作方法

本实用新型涉及风力机，尤其是涉及一种用于抑制下风式风力机噪声的变螺旋角开槽装置。

背景技术：

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到重视，国际上各国都在大力发展风电事业。随着风电装机容量的不断扩大，风力机的噪声问题日益突出。如果不认真研究解决，将成为制约风力发电发展的一个主要障碍。风力机噪声根据来源可以分为机械噪声和气动噪声。随着风力机设计和制造水平的提高，风力机的机械噪声已经大大降低，而气动噪声仍然是一个难以解决的问题。风力机气动噪声根据产生原理可以分为：低频气动噪声、来流湍流干扰噪声和叶片自噪声[1]。目前对叶片自噪声、来流湍流干扰噪声的研究较多，对风力机低频气动噪声的研究较少。随着风力机尺寸的不断增大，风力机低频气动噪声问题将越来越突出[2]，如不解决，将成为制约风电事业发展的主要障碍，因此亟需开展风力机低频气动噪声抑制研究。

风力机按照风轮和塔架的相对位置可以分为上风式风力机(风轮在塔架的上游)和下风式风力机(风轮在塔架的下游)。风力机在发电过程中，风经过塔架由于塔架的阻塞，会影响风的大小和方向，同时会造成风力机叶片表面的载荷波动，这就是风力机的塔影效应[3]。风力机的低频气动噪声是指由于风力机叶片通过塔架的速度亏损区域或尾流区与塔架的脱落涡相互作用产生的非定常载荷噪声，塔影效应中塔架尾流的非定常性是风力机产生低频噪声的主要原因。对于下风式风力机由于气流要先流经塔架再流到风力机的叶片，因此下风式风力机的塔影效应比上风式风力机要严重得多。对于上风式风力机，塔影效应产生的低频气动噪声较小，而对于下风式风力机，塔影效应产生的低频气动噪声很大，是需要重点解决的问题。

目前减弱风力机塔影效应的手段主要有定子磁链定向矢量控制技术[4]、自适应尾缘技术[5]等。其中定子磁链定向矢量控制技术是采用复杂的控制系统来避免由于塔影效应导致发电功率跳跃现象；采用自适应尾缘技术，是利用翼型尾缘的气动弹性变形来降低风力机在塔影效应作用下的载荷波动。然而这些方法都是采用主动控制技术，并且不是从源头来降低塔影效应的影响。由于大部分的塔架是采用圆柱形塔架，目前国内外对于圆柱尾流控制已经开展了大量的研究工作，取得了一系列成果。本实用新型采用圆柱尾流控制手段减弱风力机塔架尾流的非定常性来降低风力机的低频气动噪声水平。

对于下风式风力机，风力机塔影效应是圆柱形塔架的尾流对风力机桨叶产生作用，因此要降低风力机的低频气动噪声本质上就是要对圆柱形塔架的尾流进行控制。现有研究指出对于低频气动噪声较大的下风式风力机，可采用流动控制方法通过抑制圆柱形塔架尾流卡门涡街的发展，减弱叶片经过塔架尾流时的表面载荷波动，从而降低风力机的低频气动噪声。抑制圆柱形塔架尾流卡门涡街的发展，降低下风式风力机的低频气动噪声，有主动控制方法和被动控制方法。主动控制方法：如在风力机塔架上采用吹/吸气方案，则需要在塔架的四周都布置吹/吸气装置，同时安装复杂的控制系统，这就增加了设备的成本和设备出故障的概率，并且需要较大的能量输入。若采用被动控制方法，则必须首先考虑该控制方法对风轮在塔架各个方位都有效果，安装横隔板、安装整流罩等方法都只针对圆柱形塔架一个方向的尾流有控制效果，因此也不适宜采用。螺旋沟槽是近年来提出的一种新型的圆柱尾流控制装置[6,7]，对各个方向的来流都有控制效果，在高雷诺数下也能够有效抑制圆柱尾流的卡门涡街结构，具有很好的减阻效果，这些特点对于减弱风力机的塔影效应，降低风力机的低频气动噪声水平都是非常有利的。

参考文献：

1.WagnerS,BareibR,GuidatiG.Wind turbine noise[M].Berlin:Springer,1996:200-210.

2.李晓东,许影博,江旻.风力机气动噪声研究现状与发展趋势[J].应用数学和力学,2013,34(10):1083-1090.

3.Jung S S,Cheung W S,Cheong C L,et al.Experimental identification of acoustic emission characteristics of large wind turbines with emphasis on infrasound and low-frequency noise[J].Journal of the Korean physical society,2008,53(4):1897-1905.

4.Miyakawa T,Shinohara K,Yamamoto K,et al.A suppression method of tower shadow effect in wind power system using a wound rotor induction generator[A].Electric machines and drives conference[C].Miami,Florida,2009.

5.Buhl T,Gaunaa M,Bak C.Potential load reduction using airfoils with variable trailing edge geomery[J].Journal of solar energy engineering,2005,127(4):503-516.

6.Huang S.VIV suppression of a two-degree-of-freedom circular cylinder and drag reduction of a fixed circular cylinder by the use of helical grooves[J].Journal of fluids and structures,2011,27:1124-1133.

7.Alonzo Garcia A,C del Gutierrez,Jimenez Bernal J A.large eddy simulation of the subcritical flow over a U-grooved circular cylinder[J].Advances in mechanical engineering,2014,ID 418398.

技术实现要素：

本实用新型旨在提供通过在下风式风力机塔架上设置变螺旋角沟槽对圆柱形塔架的尾流进行控制，减弱风力机塔影效应，以实现降低低频气动噪声目的的一种用于抑制下风式风力机噪声的变螺旋角开槽装置。

本实用新型设有变螺旋角开槽装置，所述变螺旋角开槽装置固定在风力机塔架上，变螺旋角开槽装置顶端与风力机塔架顶端齐平，变螺旋角开槽装置具有3个区域：区域1、区域2和区域3，所述区域2为螺旋沟槽加密区；在变螺旋角处采用二次光滑过渡，螺旋沟槽底部设有光滑倒角。

所述变螺旋角开槽装置可在风力机塔架上等截面开槽。

所述风力机塔架可采用圆柱形塔架，在圆柱形塔架上，确定区域1和区域3中设置开槽的螺旋角α为30°～60°；区域2中设置开槽的螺旋角β为10°～25°；区域2的长度H为(0.1～0.3)R，R为风力机叶片翼展直径，区域2的中线与风力机叶片的叶尖轨迹线最低点处于同一水平面上；开槽总长度L为(0.5～1.5)R。

所述螺旋沟槽加密区的位置与风力机叶片位置有关，螺旋沟槽加密区在风力机叶片内侧。

以下给出本实用新型的工作原理：

对于下风式风力机，在圆柱形塔架上开槽可以有效抑制卡门涡街的发展；变螺旋开槽装置螺旋角在靠近风力机桨叶桨尖处较小，远离桨尖较大，以更好地抑制在桨尖附近圆柱尾流的卡门涡街结构。变螺旋角沟槽底部设有倒角，以光滑过渡，减小摩擦。

本实用新型的优点如下：

本实用新型采用圆柱形塔架变螺旋角开槽装置来抑制下风式风力机在工作过程中所产生的低频气动噪声，属于被动流动控制技术。螺旋沟槽不仅能够抑制圆柱尾流卡门涡街的发展，还能起到减阻作用。变螺旋角沟槽装置针对桨尖部分噪声较大的特点，更好地抑制桨尖部分的低频噪声。本实用新型用于抑制下风式风力机噪声，采用的风力机低频气动噪声抑制方法结构简单，实现方便，不需要额外复杂的控制系统，降噪效果显著，是一种有潜力的下风式风力机噪声抑制方案。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2为本实用新型实施例的螺旋角大小示意图。

图3为本实用新型实施例的开槽位置示意图。

图4为本实用新型实施例的圆柱形塔架沟槽剖面位置示意图。

图5为本实用新型实施例的圆柱形塔架沟槽剖面尺寸示意图。

图6为本实用新型实施例的沟槽尺寸信息示意图。

图7为本实用新型实施例的半圆槽示意图。

图8为本实用新型实施例的椭圆槽示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型实施例设有变螺旋角开槽装置，所述变螺旋角开槽装置固定在风力机塔架上，变螺旋角开槽装置顶端与风力机塔架顶端齐平，变螺旋角开槽装置具有3个区域：区域1、区域2和区域3，所述区域2为螺旋沟槽加密区，螺旋沟槽加密区的位置与风力机叶片位置有关，螺旋沟槽加密区在风力机叶片内侧。在变螺旋角处采用二次光滑过渡，螺旋沟槽底部设有光滑倒角。

所述变螺旋角开槽装置在风力机塔架上等截面开槽。

所述风力机塔架采用圆柱形塔架。

第一步：在圆柱形塔架上确定开槽位置：从塔架顶处4开始设置等截面开槽。

第二步：参见图2，在圆柱形塔架上，确定开槽螺旋角大小。在区域1、3中设置开槽的螺旋角α为30°～60°；区域2中设置比区域1、3更小的螺旋角，以更好地抑制桨尖附近的卡门涡街，区域2的螺旋角β为10°～25°。

第三步：设计开槽长度。参见图1和3，区域2的长度H为(0.1～0.3)R(R为风力机叶片翼展直径)，区域2的中线5与风力机叶片6的叶尖轨迹线7最低点S点处于同一水平面上。开槽总长度L为(0.5～1.5)R。因为确定了区域2的长度与位置，区域1长度为从塔架顶端4起到区域2上端，区域3长度为区域2下端起到距离塔架顶端L处。因此只要确定了区域2的长度，再根据S点的位置即可得出区域1和区域3的长度。

第四步：设计开槽的深度、宽度以及槽的几何形状。槽为等截面槽。槽应与水平来流接触面积最大，以更好地抑制卡门涡街的效果。在槽底设有倒角，倒角与塔架需要光滑过渡。参见图4，以圆柱形塔架上的剖面CGID为例介绍沟槽,该剖面的边CG与圆柱直径重合,边CD与圆柱形塔架母线8重合，与沟槽相交于O、F两点。

采用底部设有倒角的沟槽，参见图5和6，槽的深度N(0.01D～0.15D)，槽的宽度M(0.001R～0.07R)。在槽底设有倒角，槽的壁面10、11应与倒角相切，光滑过渡，减小摩擦。采用椭圆形曲线设计倒角形状，通过控制参数控制槽的形状。槽的壁面11深度为n，倒角深度a(0～N)，壁面10宽度为m，倒角宽度b(0～0.5M)。曲线满足椭圆形方程(1)。竖直壁面10宽度m满足关系式(2)；壁面11深度n满足关系式(3)。为了使得水平来流1尽可能流入沟槽，沟槽在出口处切线12的方向须与水平来流9方向一致，即与圆柱形塔架母线8垂直。在图6中，AB两点分别对应椭圆的长/短轴(或短/长轴)顶点，所构成曲线表示椭圆的四分之一弧线。R为风力机叶片直径，D为圆柱形塔架直径。

M＝m+2b (2)

N＝n+a (3)

参见图6，以槽OF为例，已知A点的坐标为(XA，YA)，根据上述几何关系可知：A的坐标为(n，0)，B的坐标为(a+n，b)。因此，只需给定a、b、n、m的长度，即可知道A、B两点的坐标，即可得到所需的沟槽大小与形状。

当n＝m＝0,a＝b＝N＝M/2时，A的坐标(O，0)，B的坐标(a，b)。此时A点与原点O重合，槽为半圆槽，槽的半径r＝N，α＝90°，半圆槽形状满足方程(4)。槽的形状与大小如附图7。此圆的直径与圆柱形塔架母线8重合。槽出口处切线12与水平来流9相切，沟槽底部均匀过渡。所构成的曲线为二分之一圆弧。

x²+(y-b)²＝a² (4)

当n＝m＝0,a≠b时，A的坐标(O，0)，B的坐标(a，b)。此时A点与原点O重合,槽为半椭圆槽，满足方程(5)，槽的形状与大小如图8所示。椭圆形沟槽在出口点E处的切线12与水平来流9方向一致，即与圆柱形塔架的母线8垂直。沟槽底部均匀过渡，所构成的曲线表示椭圆的二分之一弧线。