本發(fā)明屬于風電系統(tǒng)的建筑技術領域，具體涉及一種具有自適應風向流線型塔筒的新型風力機。

背景技術：

作為新能源產業(yè)的先驅者，風力機逐漸朝著大功率化發(fā)展，同時伴隨著塔筒結構呈現出超高細的特點。作為典型的風敏感結構，風力機塔筒的結構形式既要保證風力發(fā)電的工藝要求，同時必須具有足夠的強度和穩(wěn)定性。因此采取適當的工程結構構造措施，調整風力機塔筒表面風壓分布，降低整體結構所受風荷載并減小耗材，同時減弱上游渦旋尾流對下游風力機所處風場的不利影響，是結構工程師努力的方向。

就目前來說，改變風力機塔筒形狀是主要方案之一，但改變塔筒形狀也有諸多缺點。例如需要制作異型模板，增大了施工難度，最為嚴重的是，由于塔筒是固定不動的，風向的隨機性有時會增大新型塔筒結構的風荷載作用，極端情況下甚至會導致塔筒失穩(wěn)倒塌，對社會經濟及安全造成不利的影響。

技術實現要素：

本發(fā)明針對現有技術中的不足，提供一種具有自適應風向流線型塔筒的新型風力機。

為實現上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種具有自適應風向流線型塔筒的新型風力機，其特征在于，包括：塔筒、機艙、風輪、旋轉裝置和基座；所述塔筒安裝在基座上，塔筒包括上部和下部，所述上部具有流線型橫截面，所述下部為壁厚均勻的圓柱體結構；所述機艙固定安裝在塔筒的頂部，機艙中設有偏航系統(tǒng)，所述風輪安裝在機艙上；所述旋轉裝置安裝在塔筒底部的外側，旋轉裝置受偏航系統(tǒng)控制，通過齒帶結構驅動塔筒在基座上進行自適應風向旋轉。

為優(yōu)化上述技術方案，采取的具體措施還包括：

所述上部的橫截面形狀為根據傅里葉級數擬合得到的流線型。

以上部的橫截面質心為坐標原點，順風向為x軸正方向，橫風向為y軸正方向，則橫截面形狀邊緣點縱坐標y滿足：

其中，x為橫截面形狀邊緣點的橫坐標，a0、a1......an是傅里葉系數，n為≥2的正偶數，ω是三角形式傅里葉級數的形狀角頻率。

所述旋轉裝置包括電機和齒牙連接帶，所述電機安裝在下部的外側，所述齒牙連接帶連接下部和電機，下部的頂部外周處均勻固定有多個齒牙，齒牙連接帶一端與齒牙相契合，另一端與電機輸出軸相契合。

所述下部和基座由上至下依次安裝有上滾輪槽、底部滾輪和下滾輪槽，所述上滾輪槽和下滾輪槽為相對設置的環(huán)形凹槽，上滾輪槽與下部的底面固定連接，下滾輪槽與基座的頂面固定連接，所述底部滾輪同時位于上滾輪槽和下滾輪槽中。

所述下部的外周由上至下均勻地固定有多個環(huán)形卡板，所述卡板的外周設有環(huán)形的限制外殼，所述限制外殼固定在基座上，限制外殼與卡板和下部均不接觸，限制外殼的內側壁由上至下均勻地固定有多個環(huán)形卡槽，所述卡槽與下部不接觸，每個卡槽都對應于相鄰的兩個卡板之間，卡槽中均勻分布有多個側滾輪，卡槽和限制外殼的內側壁共同構成側滾輪的滾動軌道，所述側滾輪與卡板相接觸。

所述基座為半徑6m、高度1m的圓柱體結構。

所述上部高78m，下部高5m。

本發(fā)明的有益效果是：在提升風力機整體結構抗風及穩(wěn)定性能的同時，減小整體結構風荷載、降低塔筒的自身耗材并顯著減弱上游塔筒渦旋尾流對下游風力機所處風場的不利影響，且具有構造簡單、施工方便的優(yōu)點，適合推廣使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖。

圖2是本發(fā)明根據傅里葉級數擬合得到的流線型塔筒底部截面形狀示意圖。

圖3是本發(fā)明塔筒下部的結構示意圖。

圖4是本發(fā)明塔筒下部的剖視圖。

圖5是本發(fā)明齒牙連接帶、齒牙、卡板和卡槽的局部示意圖。

圖6是本發(fā)明齒牙連接帶與電機旋轉輸出軸的局部示意圖。

圖7是風力機圓形塔筒典型高度處橫截面速度流線圖。

圖8是風力機流線型塔筒典型高度處橫截面速度流線圖。

圖9是圓形和流線型塔筒的典型高度處壓力系數及阻力系數的對比示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發(fā)明。

如圖1到圖4所示的新型風力機，采用3mw水平軸大型風力機，主要包括塔筒1、機艙2、風輪3、旋轉裝置4和基座5。

塔筒1安裝在基座5上，包括上部6的流線型塔筒和下部7的圓柱形塔筒，流線型塔筒橫截面形狀為根據傅里葉級數擬合得到的減風降載流線型，材料為鋼材，高78m，底部外壁長度方向為9.0m，寬度方向為5.0m，頂部外壁長度方向為7.3m，寬度方向為4.0m，頂壁厚0.03m，底壁厚0.05m。下面給出了根據傅里葉級數擬合得到的流線型塔筒橫截面形狀公式：

式中，x是截面形狀邊緣點的橫坐標，y是截面形狀邊緣點的縱坐標，a0、a1......an是傅里葉系數，n為≥2的正偶數，ω是三角形式傅里葉級數的形狀角頻率。

該形狀公式是以截面形狀的質心為坐標原點，沿順風向為x軸正方向，橫風向為y軸正方向，且由于塔筒沿順風向是完全對稱的，因此形狀公式只給出了沿順風向塔筒截面的一側。在實際操作中，可以將n取值為10，就能夠得到流線性較好的圖形，即如表1所示，得到傅里葉系數和形狀角頻率。

表1流線型塔筒橫截面形狀公式的相關系數取值

圓柱形塔筒為厚度均勻的的圓筒狀結構，材料為鋼材，高5m，外壁半徑為2.5m，壁厚0.05m。基座5為鋼筋混凝土圓柱結構，高度為1m，半徑為6m。

機艙2固定安裝在塔筒1的頂部，尺寸為12m×4m×4m，材料為鋼材，機艙2中設有偏航系統(tǒng)。風輪3安裝在機艙2上，長度為44.5m，由復合材料構成。旋轉裝置4包括電機8和齒牙連接帶9，其中電機8安裝在下部7的外側，受偏航系統(tǒng)控制，通過齒牙連接帶9驅動塔筒1在基座5上進行自適應風向旋轉。旋轉裝置4的具體結構參見圖4，電機8中心距離基座5中心為12m，電機8的旋轉輸出軸上環(huán)向固定連接有12個齒結構，且通過齒結構與齒牙連接帶9一一契合，如圖6所示。齒牙連接帶9是帶有120個齒牙的帶狀結構，如圖5所示，齒牙連接帶9另一側與下部7圓周處安裝的齒牙10一一契合，下部7圓周邊緣均勻固定安裝72個齒牙10。

風力機采用電動的偏航系統(tǒng)來調整塔筒1、風輪3和輪轂的位置并使其對準風向，偏航系統(tǒng)包括感應風向的風向標、信號處理系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)等，風向標作為感應元件將風向的變化用電信號傳遞到信號處理系統(tǒng)，經過比較后信號處理系統(tǒng)產生順時針或逆時針的無線偏航指令，并通過信號傳輸系統(tǒng)無線發(fā)送給控制臺，控制臺根據無線偏航指令控制電機8的旋轉輸出軸轉動，旋轉輸出軸帶動齒牙連接帶9轉動，進而帶動塔筒1旋轉。當對風完成后，風向標失去電信號，電機8停止工作，偏航過程結束。

塔筒1在旋轉過程中，會產生較大的摩擦力，并且由于自身的重力因素，容易產生傾斜和偏移現象，故在塔筒1底部和側部均設置有滾輪裝置。具體結構參見圖3-5，下部7和基座5之間由上至下依次設有上滾輪槽11、底部滾輪12和下滾輪槽13，上滾輪槽11與下部7的底面固定連接，下滾輪槽13固定安裝在基座5上，上滾輪槽11和下滾輪槽13相對設置有環(huán)形的凹槽，底部滾輪12均勻分布在環(huán)形凹槽內，且同時與上滾輪槽11和下滾輪槽13接觸。其中，上滾輪槽11和下滾輪槽13尺寸相同，安裝方向相反，尺寸為總厚度0.46m，徑向長度為0.78m，其中凹槽深度0.25m，寬度0.50m，底部滾輪12為20個球體，采用剛性復合材料制成，厚度0.15m，半徑0.25m，內嵌在上滾輪槽11和下滾輪槽13相對設置的環(huán)形凹槽內，環(huán)向均勻布置。

此外，下部7的外周由上至下依次固定安裝有多個環(huán)形卡板14(圖中為四個)，卡板14的外周還設有環(huán)形的限制外殼15，限制外殼15的頂面位于齒牙10的下方，底面固定在基座5上，內側壁固定連接有多個環(huán)形卡槽16(圖中為四個)，卡板14和卡槽16均位于限制外殼15和下部7外側壁之間，卡槽16和限制外殼15的內側壁共同構成側滾輪的滾動軌道，每個滾動軌道內均勻分布有多個側滾輪17，側滾輪17同時與卡板14、卡槽16和限制外殼15相接觸，其中，限制外殼15和卡板14、下部7均不接觸。圖中，卡板14和卡槽16均沿圓形塔筒外側豎向均勻布置4層，卡板14、卡槽16和限制外殼15均采用鋼材，共同起到固定塔筒1的作用，將塔筒1固定在限制外殼15內，提高風力機整體穩(wěn)定性。4層卡板14均外伸0.45m，高度0.20m，4層卡槽16均外伸0.42m，高度為0.35m，其中凹槽寬度0.28m，高度0.20m，限制外殼15高度為5m，頂部厚度為1.5m，中間厚度為1m，底部厚度為1.4m，側滾輪17同樣采用剛性復合材料制成的空心球體，半徑0.14m，內嵌在對應高度的卡槽16和限制外殼15形成的滾動軌道內，環(huán)向均勻布置60個。

塔筒1、機艙2、風輪3、上滾輪槽11和卡板14為一整體固結體系，其中塔筒1的上部6截面的形狀為根據傅里葉級數擬合得到的減風降載流線型，此類流線型塔筒具有導流減渦降風載的作用，塔筒1的下部7截面是圓形，方便旋轉且用以連接旋轉裝置4?；?、下滾輪槽13和限制外殼15為一整體固結體系，側滾輪17內嵌在對應高度的卡槽16和限制外殼15形成的滾動軌道內，分別接觸卡板14、卡槽16和限制外殼15，底部滾輪12內嵌在上滾輪槽11和下滾輪槽13相對設置的環(huán)形凹槽內，分別接觸上滾輪槽11和下滾輪槽13。塔筒1旋轉時，側滾輪17在塔筒1側面滾動軌道內滾動，底部滾輪12在上、下滾輪槽內滾動，可以大大減小塔筒1旋轉時的摩擦力。

圖7和圖8是風力機圓形塔筒和流線型塔筒典型高度處橫截面速度流線圖，圖9是圓形和流線型塔筒的典型高度處壓力系數及阻力系數的對比示意圖。由此可知，流線型塔筒顯著減少了塔筒尾部渦旋，起到了導流減渦的作用，有效降低了塔筒環(huán)向負壓極值以及背風面負壓值，進而顯著減小塔筒阻力系數cd值，最終有效地減小了整體結構風荷載、降低了塔筒的自身耗材并顯著減弱了上游塔筒尾流渦旋對下游風力機所處風場的不利影響。

需要注意的是，發(fā)明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發(fā)明可實施的范疇。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護范圍。