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风力发电行业应对涡激振动的对策及有效利用

一、什么是涡激振动?

卡门涡街(Karman Vortex Street)是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到。

在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,经过非线性作用后,形成卡门涡街。如水流过桥墩,风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。

 

 

出现涡街时,流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近,就会引起共振,甚至使物体损坏。

 

 

 

1940年,美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元,建造了一座主跨度853.4米的悬索桥。建成4个月后,于同年117日碰到了一场风速为19/秒的风。虽风不算大,但桥却发生了剧烈的扭曲振动,且振幅越来越大(接近9米),直到桥面倾斜到45度左右,使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁,坠落到峡谷之中

 

 

 

二、涡激对风机的危害和对策

  假若塔筒的自振频率与漩涡的发放频率相接近,就会使塔筒发生共振破坏,因此这种涡激振动是极其有害的。主要是疲劳损害或涡激共振倒塔,一般有五种方法来抑制涡激振动。

1、安装扰流条可抑制涡激

 

其原理也比较简单,该方案主要是通过加施在塔筒上的扰流条打乱来风的轨迹,使其不能形成频率稳定的漩涡。

扰流条大多由塑料泡沫制作的三角柱串联而成,三根扰流条等距缠绕在塔筒上段,底部由细绳牵引至地固定。

2、利用阻尼器抑制涡激振动

从涡激振动的特点看,集中质量式摆锤方案既方便又有效,作为调谐质量块,摆锤利用反方向惯性力可显著抑制塔筒振动的响应幅值。

需要说明的是,摆锤的质量和摆长取决于塔筒本身的质量和刚度,那么不恰当的设计不仅不能达到减振效果,而且可能会恶化振动情况。

3、缆风绳抑制涡激振动

简单说,该方案通过缆风绳施加外力,破坏塔筒两侧的气动受力情况,并限制塔筒初始晃动的位移幅度,从而无法产生刚体自由状态下的涡激从而抑制摆振,导致塔筒无法让涡激过程中晃动产生的振动能量产生累计。

4、安装机舱和叶轮抑制涡激振动

第一机舱、发电机安装后,不管风从哪个角度吹来,都会不同程度地受到机舱的影响,形成引起塔筒共振的稳定漩涡会打一些折扣。

 第二叶轮安装后,不管风从哪个角度吹来,都会受到风轮叶面的影响,进而迅速发生的流场变化就难以形成引起塔筒共振的稳定漩涡。

5、吊装时关闭塔筒门

当塔筒底部门关闭时,由于空气本身的流通性和不可压缩性,会在塔筒内部起到阻尼器的效果,从而会减小塔筒的振动幅度。但当塔筒底部门打开时,塔筒内部由空气构成的阻尼器就失去了效果,因而无法减小塔筒的振动幅度,而且内部流通的气流会和外部的涡流产生叠加效应,从而放大了塔筒的振动幅度。

 

 三、涡激振动的利用

 

西班牙Vortex,是通过摇摆来发电了, Vortex创始人却从中发现了机遇,利用物体振动的能量转化成电能。

Vortex的柱子是由玻璃纤维和碳纤维制成,越轻则让整根柱子振荡的频率越高,在柱子底部还装载有2圈相排斥的磁铁,当柱子因风向歪向一边时,相斥的磁铁会将它拉到相反方向。

设计团队解释说,这种风机有着“完全不同的发电原理”,它不依靠旋转的叶片或者任何有损耗的活动,而是像巨大的稻草一样在风中摇摆不定。这个令人惊叹的无叶片风机能降低53%的制造成本,以及减少高达80%的维修费用!不仅如此,此项设计相比常规的叶片风力涡轮机,还能降低40%的碳足迹和发电成本。无叶片风机很安静,也在最大程度上降低了建造地的环境风险和鸟类死亡的风险。

 

 

 


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