一种俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置

本发明属于电力，具体涉及一种俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，主要用于抑制输电塔等格构式塔架钢管构件的微风振动现象。

背景技术：

1、现有的1000kv特高压输电线路，由于其档距较大，铁塔高度较高，传统的角钢塔已经不能满足结构强度的需求，所以一般选用钢管塔。圆截面钢管杆件的空气动力学性能好，风压体型系数仅为角钢杆件的1/2左右，因此采用钢管可以有效减小塔身风荷载，提升结构承载能力。

2、但是某些长细比较大的特别是趋于水平布置的钢管杆件，在风速较小时容易发生横向的涡激振动，电力工程上常称为“微风振动”。这种持续反复的振动会造成杆塔螺栓连接松动、连接螺栓受拉破坏及连接板的疲劳破坏；此外，由于铁塔与导地线的振动耦合作用，挂点部位钢管杆件的高频振动会与导线的高阶振动产生共振。为确保特高压输电线路的安全运行，有必要对钢管塔杆件采取抑制措施，这也是实际工程中设计人员急需解决的问题。

3、目前，关于钢管塔杆件微风振动的抑制措施较少，主要有三种方式：一是增大杆件的刚度，如在水平钢管内灌注混凝土；二是改变杆件的截面形状，如顺着杆件方向布置间断短肋或缠绕阻尼绳等；三是增加杆件振动阻尼，如在钢管上设置减振装置，在连接处设置阻尼材料等。这些措施大多都是被动控制，虽然结构形式简单，但是，面对复杂多变的风场环境，不能根据不同工况实时自动调节，难以达到最佳的抑制效果。

技术实现思路

1、为了解决上述抑制效果不佳的问题，本发明提供了一种俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，旨在避免钢管塔杆件的微风振动现象，以保证钢管塔在长期微风作用下的安全运行。

2、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、一种俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，包括两个完全相同的扰流结构，每个扰流结构各自包括固定单元、扰流单元和储能控制组件；两个扰流结构之间通过多根控制杆相连，形成一个整体；所述的扰流单元包括设置在其外圈的两个大小不等的导流翼和设置在其径向面内的超磁致伸缩件，在超磁致伸缩件的端部密贴压电片；所述的固定单元两端间隔设置磁铁，所述的扰流单元在风荷载作用下，带动超磁致伸缩件转动，超磁致伸缩件受到固定单元变化磁场的作用，超磁致伸缩件发生变形挤压压电片，压电片产生电能并被储能控制组件储存，储能控制组件控制控制杆的转动速度。

4、作为进一步的技术方案，所述的扰流单元与固定单元之间留有一定间隙，使得扰流单元能够相对固定单元而自由转动，但不能发生沿杆件轴向的滑移。

5、作为进一步的技术方案，所述的固定单元为两个半圆形卡瓦，所述的半圆形卡瓦与钢管塔杆件接触内壁涂有粘弹性材料。

6、作为进一步的技术方案，每个半圆形卡瓦的中间部分为半管结构，半管结构的两端分别设有半环状翼缘，两个半环状翼缘相互平行，半环状翼缘之间形成半环形空间。

7、作为进一步的技术方案，在两个所述的半环状翼缘上间隔设置磁铁。

8、作为进一步的技术方案，所述的扰流单元包括双翼转盘，所述的双翼转盘由两个通过连接件相连的半圆形瓦片组成，在其中一个半圆形瓦片的外圈中心位置凸设一个长导流翼，在另外一个半圆形瓦片的外圈中心位置设一个短导流翼。

9、作为进一步的技术方案，所述长、短导流翼的大小、质量不一，使得初始状态短导流翼和长导流翼分别位于双翼转盘的上、下两端，转动完能自行恢复原位。

10、作为进一步的技术方案，所述的导流翼为一个v形板，两相邻双翼转盘之间通过多根控制杆连接。

11、作为进一步的技术方案，所述的双翼转盘的径向面上设置凹槽，所述的压电片和超磁致伸缩件紧密贴合置于其中。

12、作为进一步的技术方案，压电片与双翼转盘的凹槽内壁间隙设有弹性垫片，提供预紧力和支撑。

13、作为进一步的技术方案，所述的储能控制组件包括控制器、蓄电池、驱动器、风速传感器，所述的压电片产生的电流通过蓄电池存储，蓄电池为控制器、驱动器和风速传感器供电，所述控制器根据风速传感器监测到的数值，通过调节驱动器改变控制杆的自转速度。

14、作为进一步的技术方案，所述的驱动器固定在双翼转盘内侧面，所述的控制杆两端插入到驱动器的滚子轴承内并卡紧，所述的控制杆绕各自中心轴旋转，转动时，控制杆距钢管塔杆件最近点处的切向速度方向与风速方向相反。

15、本发明的有益效果如下：

16、本发明的主要功能是自供电和自适应扰流，且可以适应于各方向来风，首先，微风作用下钢管构件的背风侧会形成卡门涡街，所述的长、短导流翼干扰风场，破坏涡旋；其次，由于长、短导流翼受风面积不同，受力大小不同，会产生一个绕钢管塔杆件的转动力矩，带动双翼转盘转动至长、短导流翼连线与风向平行，此时控制杆呈现相对风向的最优布置形式。此外，双翼转盘转动使得超磁致压缩件受到变化的磁场作用，超磁致伸缩件发生形变挤压压电片，产生电能并收集利用；同时，控制器根据风速传感器监测到的数值，通过调节驱动器改变控制杆的自转速度，使本装置的微风振动抑制效果达到最佳，因此，本发明克服了传统抑制措施被动控制的单一性，实现了微风振动的半主动控制，可以在不同风速下自适应调节，具有较宽的工作频带，且本发明可以自由旋转以适应复杂多变的多方向来流，控制杆相对风向始终保持最优的布置形式，抑制效果显著。进一步的，本发明无需外部供电可实现自供电，结合超磁致伸缩件和压电片对风能加以俘获，持续运行能力强，节能环保。本发明质量轻、易于安装且对钢管杆件无损伤，能够在大范围频带内对钢管杆件的微风振动进行有效抑制，具有良好的经济和社会效益。

技术特征：

1.一种俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，其特征在于，包括两个完全相同的扰流结构，两个扰流结构包括固定单元、扰流单元和储能控制组件；每个扰流结构之间通过多根控制杆相连，形成一个整体；所述的扰流单元包括设置在其外圈的两个大小不等的导流翼和设置在其径向面内的超磁致伸缩件，在超磁致伸缩件的端部密贴压电片；所述的固定单元两端间隔设置磁铁，所述的扰流单元在风荷载作用下，带动超磁致伸缩件转动，超磁致伸缩件受到固定单元变化磁场的作用，发生变形挤压压电片产生电能并被储能控制组件储存，储能控制组件控制控制杆的转动速度。

2.如权利要求1所述的俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，其特征在于，所述的固定单元为两个半圆形卡瓦，两端分别设有半环状翼缘，翼缘上间隔设置磁铁。

3.如权利要求1所述的俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，其特征在于，所述的扰流单元包括双翼转盘，所述的双翼转盘由两个通过连接件相连的半圆形瓦片组成，在其中一个半圆形瓦片的外圈中心位置凸设一个长导流翼，在另外一个半圆形瓦片的外圈中心位置设一个短导流翼。

4.如权利要求3所述的一种俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，其特征在于，所述长、短导流翼的大小、质量不一，使得初始状态短导流翼和长导流翼分别位于双翼转盘的上、下两端，转动完能自行恢复原位。

5.如权利要求3所述的俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，其特征在于，所述的导流翼为一个v形板，两相邻双翼转盘之间通过多根控制杆连接。

6.如权利要求3所述的俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，其特征在于，所述的双翼转盘径向面上设置凹槽，所述的压电片和超磁致伸缩件紧密贴合置于其中。

7.如权利要求6所述的俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，其特征在于，压电片与双翼转盘的凹槽内壁间隙设有弹性垫片，提供预紧力和支撑。

8.如权利要求1所述的俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，其特征在于，所述的储能控制组件包括控制器、蓄电池、驱动器、风速传感器，所述的压电片产生的电流通过蓄电池存储，所述控制器根据风速传感器监测到的数值，通过调节驱动器改变控制杆的自转速度。

9.如权利要求8所述的俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，其特征在于，所述的驱动器固定在双翼转盘内侧面，所述的控制杆的两端插入到驱动器的滚子轴承内并卡紧。

10.如权利要求9所述的俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，其特征在于，所述的控制杆绕各自中心轴旋转，转动时，控制杆距钢管塔杆件最近点处的切向速度方向与风速方向相反。

技术总结
本发明公开了一种俘能式钢管输电塔微风振动自适应扰流装置，包括两个完全相同的扰流结构，两者之间通过控制杆相连。扰流结构包括固定单元、扰流单元和储能控制组件，所述的扰流单元包括设置在其外圈的两个大小不等的导流翼和设置在其径向面内的超磁致伸缩件，在超磁致伸缩件的端部密贴压电片；所述的固定单元两端间隔设置磁铁，超磁致伸缩件在变化磁场的作用下挤压压电片产电，储能控制组件储存电能并控制控制杆的转动速度。该装置可以根据不同风速自适应调节，自由旋转以适应复杂多变的多方向来流，将风能转化为电能加以俘获利用，具有良好的应用前景。

技术研发人员：毕文哲,田利,马震,靳庆通
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13