一种多功能组合式风力机塔筒

1.本发明涉及风力机领域，尤其涉及一种多功能组合式风力机塔筒。


背景技术：

2.随着社会经济的日益发展，人类对能源的需求日益增加，传统的化石能源已不能满足发展的需要。不仅如此，化石能源还会带来环境污染等问题，与绿色发展的理念相违背。近些年来，各个国家不断出台相关政策促进可再生能源的开发，其中，海上风能因其污染小、发电量大、对人类的生产生活影响小等优点受到多国的青睐。相较于传统的固定式风力机而言，浮式风力机能够适应更深的海域从而利用更多的风能。然而目前，浮式风力机领域也存在着叶片气动性能、平台水动性能和刚柔多体高阶耦合动力学等方面问题。因此，前期的浮式风力机水池模型试验尤为重要。
3.水池模型试验是检验风力机性能的一个重要方法。现阶段大多数浮式风力机模型试验采用傅汝德相似准则进行缩尺试验，试验塔筒一般分为几何相似塔筒和刚度相似塔筒，前者主要模拟塔筒的几何外形相似，等效模拟风载荷的大小；后者主要模拟塔筒的刚度相似，等效模拟塔筒的振型。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种多功能组合式风力机塔筒，适用于风力机模型试验，能够满足塔筒的刚度、质量、外形相似。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是水池模型试验中塔筒难以同时做到几何相似、刚度相似和质量相似，对试验的准确度产生影响，以及水池模型试验中塔筒模型安装较为困难。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，包括外塔筒、内塔筒，其中，所述外塔筒套装在所述内塔筒之外，所述外塔筒包括前外塔筒、后外塔筒，所述内塔筒包括第一法兰盘、第二法兰盘、直筒，所述前外塔筒与所述内塔筒相连，所述第一法兰盘位于所述内塔筒的顶部，所述第二法兰盘位于所述内塔筒的底部。
7.进一步地，实尺度塔筒与所述外塔筒间满足几何相似，即二者的外径比满足傅汝德相似定律：
8.d
sdm
＝λ
9.式中，ds和dm分别代表实尺度塔筒和模型塔筒的外径，λ为几何缩尺比。
10.进一步地，所述前外塔筒模拟外塔筒的前半部分，所述后外塔筒模拟外塔筒的后半部分。
11.进一步地，所述外塔筒的内径与所述内塔筒的外径相等，二者之间通过过盈配合。
12.进一步地，所述第一法兰盘与顶部六分力相连，用于测量塔筒顶部受到的六自由度载荷。
13.进一步地，所述第二法兰盘与底部六分力相连，用于测量塔筒底部受到的六自由
度载荷。
14.进一步地，所述直筒根据刚度相似的原则设计内径与外径，保证实尺度和模型尺度下塔筒的一阶固有频率满足傅汝德相似准则：f
sfm
＝λ-12
，从而使得风轮受到的载荷准确地传递到平台，式中，fs和fm分别表示实尺度塔筒和模型塔筒的一阶固有频率。
15.进一步地，所述外塔筒上设有槽型开口，通过在其中添加铅条的方式使得模型塔筒与实尺度塔筒满足质量相似：
16.m
smm
＝γλ317.式中，γ为海水与淡水的密度比，ms、mm分别代表实尺度塔筒和模型塔筒的质量。
18.进一步地，所述铅条通过缠绕的方式固定在所述内塔筒上，通过调整缠绑位置，使得模型塔筒与实尺度塔筒满足重心位置相似。
19.进一步地，所述槽型开口用于让各类供电线和传感器的线通过所述外塔筒，保证所述外塔筒气动外形的完整性。
20.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：
21.1、本发明通过将塔筒拆分为多个部分组合在一起，并分别设计，最终同时达到几何相似、刚度相似和质量相似，增加了风力机水池模型试验的准确性，为浮式风力机的实际应用提供了坚实的实验基础；
22.2、本发明在金属内塔筒上直接设计法兰盘减少安装步骤，泡沫外塔筒设置开口结构保证各类传感器数据线的安全通过，简化了风力机实验流程，为后续实验提供了便利性。
23.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
24.图1是本发明的一个较佳实施例的整体示意图；
25.图2是本发明的一个较佳实施例的外塔筒示意图；
26.图3是本发明的一个较佳实施例的外塔筒(前)示意图；
27.图4是本发明的一个较佳实施例的外塔筒(后)示意图；
28.图5是本发明的一个较佳实施例的内塔筒示意图；
29.图6是本发明的一个较佳实施例的内塔筒的法兰盘示意图；
30.图7是本发明的一个较佳实施例的槽型开口示意图。
31.其中，1-外塔筒，11-外塔筒(前)，12-外塔筒(后)，2-内塔筒，21-1号法兰盘，22-2号法兰盘，23-直筒，3-槽型开口。
具体实施方式
32.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
33.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
34.本实施例提供了一种多功能组合式风力机塔筒，如图1所示，为塔筒的整体示意图，结构包括：外塔筒1，内塔筒2，槽型开口3。
35.外塔筒1直接受到风载荷的作用，它与实尺度塔筒间满足几何相似，即二者的外径比满足傅汝德相似定律：d
sdm
＝λ。式中，ds和dm分别代表实尺度塔筒和模型塔筒的外径，λ为几何缩尺比。
36.如图2、图3、图4所示，外塔筒1由外塔筒(前)11、外塔筒(后)12组成。外塔筒(前)11模拟外塔筒的前半部分，与内塔筒2相连。外塔筒(后)12模拟外塔筒的后半部分，且进行开口让各类供电线和传感器的线通过其中，最大程度的保证外塔筒1的几何外形相似。外塔筒1的内径与内塔筒2的外径相等，二者之间通过过盈配合，能够较好地保证与内塔筒2的紧密相连。
37.如图5、图6所示，内塔筒2由1号法兰盘21、2号法兰盘22和直筒23组成。1号法兰盘21位于内塔筒2顶部，与顶部六分力相连，测量塔筒顶部受到的六自由度载荷。2号法兰盘22位于内塔筒2底部，与底部六分力相连，测量塔筒底部受到的六自由度载荷。直筒根据刚度相似的原则设计内径与外径，保证实尺度和模型尺度下塔筒的一阶固有频率满足傅汝德相似准则：f
sfm
＝λ-12
，从而使得风轮受到的载荷可以准确地传递到平台。式中，fs和fm分别表示实尺度塔筒和模型塔筒的一阶固有频率。
38.如图7所示，外塔筒1上设有槽型开口3，通过在其中添加铅条的方式使的模型塔筒与实尺度塔筒满足质量相似：m
smm
＝γλ3，铅条可以通过缠绕的方式固定在内塔筒2上，通过调整缠绑位置，使得模型塔筒与实尺度塔筒满足重心位置相似。式中，γ为海水与淡水的密度比，ms、mm分别代表实尺度塔筒和模型塔筒的质量。
39.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，包括外塔筒、内塔筒，其中，所述外塔筒套装在所述内塔筒之外，所述外塔筒包括前外塔筒、后外塔筒，所述内塔筒包括第一法兰盘、第二法兰盘、直筒，所述前外塔筒与所述内塔筒相连，所述第一法兰盘位于所述内塔筒的顶部，所述第二法兰盘位于所述内塔筒的底部。2.如权利要求1所述的多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，实尺度塔筒与所述外塔筒间满足几何相似，即二者的外径比满足傅汝德相似定律：d
s
d
m
＝λ式中，d
s
和d
m
分别代表实尺度塔筒和模型塔筒的外径，λ为几何缩尺比。3.如权利要求1所述的多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，所述前外塔筒模拟外塔筒的前半部分，所述后外塔筒模拟外塔筒的后半部分。4.如权利要求1所述的多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，所述外塔筒的内径与所述内塔筒的外径相等，二者之间通过过盈配合。5.如权利要求1所述的多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，所述第一法兰盘与顶部六分力相连，用于测量塔筒顶部受到的六自由度载荷。6.如权利要求1所述的多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，所述第二法兰盘与底部六分力相连，用于测量塔筒底部受到的六自由度载荷。7.如权利要求1所述的多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，所述直筒根据刚度相似的原则设计内径与外径，保证实尺度和模型尺度下塔筒的一阶固有频率满足傅汝德相似准则：f
s
f
m
＝λ-12
，从而使得风轮受到的载荷准确地传递到平台，式中，f
s
和f
m
分别表示实尺度塔筒和模型塔筒的一阶固有频率。8.如权利要求1所述的多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，所述外塔筒上设有槽型开口，通过在其中添加铅条的方式使得模型塔筒与实尺度塔筒满足质量相似：m
s
m
m
＝γλ3式中，γ为海水与淡水的密度比，m
s
、m
m
分别代表实尺度塔筒和模型塔筒的质量。9.如权利要求8所述的多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，所述铅条通过缠绕的方式固定在所述内塔筒上，通过调整缠绑位置，使得模型塔筒与实尺度塔筒满足重心位置相似。10.如权利要求1所述的多功能组合式风力机塔筒，其特征在于，所述槽型开口用于让供电线和各类传感器的线通过所述外塔筒，保证所述外塔筒气动外形的完整性。

技术总结
本发明公开了一种多功能组合式风力机塔筒，涉及风力机领域，包括外塔筒、内塔筒，所述外塔筒套装在所述内塔筒之外，所述外塔筒包括前外塔筒、后外塔筒，所述内塔筒包括第一法兰盘、第二法兰盘、直筒，所述前外塔筒与所述内塔筒相连，所述第一法兰盘位于所述内塔筒的顶部，所述第二法兰盘位于所述内塔筒的底部。本发明增加了风力机水池模型试验的准确性，为浮式风力机的实际应用提供了坚实的实验基础，简化了风力机实验流程，为后续实验提供了便利性。性。性。


技术研发人员：温斌荣 朱德政 田新亮 张航 彭志科 张显涛 郭孝先 彭涛 齐磊 李志川
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/6