一种风力机塔筒及其制备方法

本发明属于风力机塔筒，具体属于一种风力机塔筒及其制备方法。

背景技术：

1、塔筒是风力机的主要承载部件，所以风力机的塔筒作为风力机的关键部件在风力机使用寿命上起到了关键的作用。随着风力机倒塌事件地不断发生，风力机塔筒的稳定性问题也受到了越来越多的关注。所以提高塔筒结构稳定性，对于风力发电机的安全运行有着重大的意义。目前，塔筒为钢结构和钢筋混凝土结构，为了提高塔筒结构稳定性，经常采用两种方式，一种是在塔筒内壁设置加强筋的强化设计方法，如加筋数目、加筋尺寸等；另一种方法是在塔筒外部设置刚性结构，限制塔筒的左右摆动。上述两种方法虽然都对塔筒进行了加固，但是上述方法也存在一定的缺点。因为塔筒在强化的过程中用钢量也在增加，使得塔筒的制造成本以及体积重量都有所增加，这也给安装带来了不便。上述方法也没有从流体动力学角度考虑风力机塔筒的设计制造，没有从根本上解决风力机塔筒的稳定性问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种风力机塔筒及其制备方法，在塔筒横向截面边缘制作周期性凹凸槽结构，该结构具有很好的缓震机制，对柱体绕流具有一定的减阻效果，能减缓柱体的涡激振荡，进一步提升风力机的设计水平和开发产品的性能。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种风力机塔筒，所述塔筒横向截面边缘为周期性凹凸槽结构，所述周期性凹凸槽结构是凹凸槽型拟合曲线进行缩放和圆周阵列得到的封闭曲线，所述凹凸槽型拟合曲线由上凸拟合曲线一侧的最低点和下凹拟合曲线一侧的最高点连接得到。

3、进一步的，所述上凸拟合曲线和下凹拟合曲线的拟合曲线方程为：

4、

5、其中，k为差异度系数，k＝0.1-2；y1＝-0.15738x12+2.13955x1-2.034,0≤x1≤13.4；y2＝0.30836x22-2.15702x2+3.75654,0≤x2≤7。

6、进一步的，所述上凸拟合曲线和下凹拟合曲线通过提取巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形状轮廓并进行曲线拟合得到。

7、进一步的，所述凹凸槽型拟合曲线进行缩放的缩放比例因子j由上凸拟合曲线中上凸的最高点与上凸左侧最低点之间的竖直距离h和塔筒的横向截面尺寸决定。

8、本发明还提供一种风力机塔筒的制备方法，具体步骤如下：

9、s1利用同心的齿顶圆、中心圆和齿根圆将巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形状轮廓进行划分，提取齿顶圆和中心圆之间的多个上凸形状曲线，提取中心圆和齿根圆之间的多个下凹形状曲线；

10、s2分别将多个上凸形状曲线和多个下凹形状曲线的平均化形状曲线作为上凸特征曲线和下凹特征曲线；

11、s3分别对上凸特征曲线和下凹特征曲线的特征点进行拟合得到上凸拟合曲线和下凹拟合曲线，将上凸拟合曲线一侧的最低点和下凹拟合曲线一侧的最高点连接得到仿生凹凸槽型拟合曲线；

12、s4根据缩放比例因子j对仿生凹凸槽型拟合曲线进行缩放，再进行圆周阵列得到仿巨人柱仙人掌截面型线，令塔筒横向截面边缘形状与仿巨人柱仙人掌截面型线形状相同，即得到仿巨人柱仙人掌塔筒。

13、进一步的，s2中，将多个上凸形状曲线和多个下凹形状曲线分别旋转至同一旋转轴上，得到上凸形状曲线集和下凹形状曲线集，选取上凸形状曲线集和下凹形状曲线集中最中心的平均化形状曲线分别作为上凸特征曲线和下凹特征曲线。

14、进一步的，s2中，以特征圆圆心为旋转中心，上凸形状曲线最高点与特征圆圆心的连线为上凸形状曲线旋转轴，对各个上凸形状曲线进行旋转，将各个上凸形状曲线旋转轴旋转重叠，得到上凸形状曲线集；对下凹形状曲线也重复上述操作，得到下凹形状曲线集。

15、进一步的，s3中，采用逆向重构法提取上凸特征曲线和下凹特征曲线的特征点，进行非线性曲线拟合，得到上凸拟合曲线和下凹拟合曲线，将上凸拟合曲线和下凹拟合曲线按照上凸特征曲线和下凹特征曲线的大小进行缩放。

16、进一步的，s3中，所述上凸拟合曲线和下凹拟合曲线的拟合曲线方程为：

17、

18、其中，k为差异度系数，k＝0.1-2；y1＝-0.15738x12+2.13955x1-2.034,0≤x1≤13.4；y2＝0.30836x22-2.15702x2+3.75654,0≤x2≤7。

19、进一步的，s4中，缩放比例因j的计算公式：

20、

21、其中，r为常规风力机塔筒半径；h为齿顶圆与中心圆之间的竖直距离；上凸拟合曲线中上凸的最高点与上凸左侧最低点之间的距离h；r1为齿顶圆半径；r为中心圆半径；r2为齿根圆半径；r1＝(1.05-1.1)*r，r2＝2r-r1；k为差异度系数，k＝0.1-2；a、b、c为上凸拟合曲线的拟合曲线方程y1的系数：a＝-0.15738，b＝2.13955，c＝-2.034，y1＝-0.15738x12+

22、2.13955x1-2.034,0≤x1≤13.4。

23、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

24、本发明提供一种风力机塔筒，塔筒的横向截面边缘为周期性凹凸槽结构，该周期性凹凸槽结构的齿槽中能产生稳定的旋涡，旋涡的存在减小了壁面应力，进而降低了气动阻力，并且周期性凹凸槽结构还拉长了绕流尾迹的长度，减小了远场尾迹区的脉动强度，旋涡脱落得到了抑制，这使得脉动阻力减小，减小塔筒的颤振，使得风力机在风力强劲的风场地带屹立，解决了风力机塔筒的稳定性问题，提高风力机的安全性和使用寿命。

25、为了从根本上解决塔筒稳定性问题，人们发现仿生学作为连接自然界和科学的纽带，可以将仿生的设计理念应用在风力机塔筒的设计制造中，为风力机的设计制造提供新思路和新方法。因此本发明提取了巨人柱仙人掌截面边缘的齿形凹槽形状，并将其应用在风力机塔筒的设计制造中，进一步提升风力机的设计水平和开发产品的性能。

26、本发明还提供一种风力机塔筒的制备方法，通过提取巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形状轮廓得到多个单个周期的上凸形状曲线和下凹形状曲线，并对多个单个周期的上凸形状曲线和下凹形状曲线进行了平均化处理，最终得到凹凸槽型拟合曲线，通过对凹凸槽型拟合曲线进行缩放和圆周阵列得到了能够反映巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形状轮廓的仿巨人柱仙人掌截面型线，将仿巨人柱仙人掌截面型线应用在风力机塔筒的设计制造中，仿巨人柱仙人掌的风力机塔筒与圆柱形的风力机塔筒相比，仿巨人柱仙人掌表面齿形凹槽的结构能够进一步减少风力机塔筒所受的气动阻力，减小塔筒的颤振，使得风力机在风力强劲的风场地带屹立，解决了风力机塔筒的稳定性问题，提高风力机的安全性和使用寿命。

技术特征：

1.一种风力机塔筒，其特征在于，所述塔筒横向截面边缘为周期性凹凸槽结构，所述周期性凹凸槽结构形状是凹凸槽型拟合曲线(30)进行缩放和圆周阵列得到的封闭曲线形状，所述凹凸槽型拟合曲线(30)由上凸拟合曲线(28)一侧的最低点和下凹拟合曲线(29)一侧的最高点连接得到。

2.根据权利要求1所述的一种风力机塔筒，其特征在于，所述上凸拟合曲线(28)和下凹拟合曲线(29)的拟合曲线方程为：

3.根据权利要求1所述的一种风力机塔筒，其特征在于，所述上凸拟合曲线(28)和下凹拟合曲线(29)通过提取巨人柱仙人掌周期性凹凸槽的截面形状轮廓并进行曲线拟合得到。

4.根据权利要求1所述的一种风力机塔筒，其特征在于，所述凹凸槽型拟合曲线(30)进行缩放的缩放比例因子j由上凸拟合曲线(28)中上凸的最高点与上凸左侧最低点之间的竖直距离h和塔筒的横向截面尺寸决定。

5.一种风力机塔筒的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述的一种风力机塔筒的制备方法，其特征在于，s2中，将多个上凸形状曲线(8)和多个下凹形状曲线(9)分别旋转至同一旋转轴上，得到上凸形状曲线集(12)和下凹形状曲线集(18)，选取上凸形状曲线集(12)和下凹形状曲线集(18)中最中心的平均化形状曲线分别作为上凸特征曲线(13)和下凹特征曲线(19)。

7.根据权利要求6所述的一种风力机塔筒的制备方法，其特征在于，s2中，以特征圆圆心(4)为旋转中心，上凸形状曲线最高点(10)与特征圆圆心(4)的连线为上凸形状曲线旋转轴(11)，对各个上凸形状曲线(8)进行旋转，将各个上凸形状曲线旋转轴(11)旋转重叠，得到上凸形状曲线集(12)；对下凹形状曲线(9)也重复上述操作，得到下凹形状曲线集(18)。

8.根据权利要求5所述的一种风力机塔筒的制备方法，其特征在于，s3中，采用逆向重构法提取上凸特征曲线(13)和下凹特征曲线(19)的特征点，进行非线性曲线拟合，得到上凸拟合曲线(28)和下凹拟合曲线(29)，将上凸拟合曲线(28)和下凹拟合曲线(29)按照上凸特征曲线(13)和下凹特征曲线(19)的大小进行缩放。

9.根据权利要求5所述的一种风力机塔筒的制备方法，其特征在于，s3中，所述上凸拟合曲线(28)和下凹拟合曲线(29)的拟合曲线方程为：

10.根据权利要求5所述的一种风力机塔筒的制备方法，其特征在于，s4中，缩放比例因j的计算公式：

技术总结
本发明提供一种风力机塔筒及其制备方法，将塔筒的横向截面边缘设置为周期性凹凸槽结构，该周期性凹凸槽结构的齿槽中能产生稳定的旋涡，旋涡的存在减小了壁面应力，进而降低了气动阻力，并且周期性凹凸槽结构还拉长了绕流尾迹的长度，减小了远场尾迹区的脉动强度，旋涡脱落得到了抑制，这使得脉动阻力减小，减小塔筒的颤振，使得风力机在风力强劲的风场地带屹立，解决了风力机塔筒的稳定性问题，提高风力机的安全性和使用寿命。

技术研发人员：马祺敏,张洋,王加浩,张家忠
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11