基于间断等离子体激励器的风力机塔筒涡振智能控制系统

技术领域

本发明涉及风力机塔筒风振风险快速防控技术领域，更具体地，涉及一种基于间断等离子体激励器的风力机塔筒涡振智能控制系统。

背景技术

风力机塔筒因柔度大、阻尼小和重量轻的特点而成为风敏感结构。每年，由于强风、大风引起的塔筒结构破坏甚至倒塌的事故时有发生，造成严重的经济损失。调查结果显示，强风、大风诱发的塔筒涡激共振是导致风力机倒塌的主要原因。由此可见，涡激共振是塔筒服役阶段不容忽视的现实问题。

风力机塔筒通常为外表面光滑且内部中空的圆柱形结构。强风、大风在塔筒表面某一点发生流动分离，并在塔筒上、下侧形成交替脱落的卡门涡街，由此产生周期性变化的涡激力，涡激力的周期作用引起塔筒涡激振动。当尾流中的旋涡脱落频率接近塔筒固有频率时，塔筒发生涡激共振，此时旋涡脱落频率在相当长的风速范围内被塔筒自振频率所“锁定”。频率锁定的发生会使结构振幅显著增大，并导致塔筒受到周期性疲劳应力，此时横风向高振幅振动会引起结构疲劳损伤甚至破坏，从而缩短塔筒使用寿命，降低风力机发电效率。因此，需要对塔筒的涡激共振进行控制，尽量避免其发生或者限制其振幅。

近年来，不少专家学者开发了针对塔筒涡激共振的控制技术，这些控制技术归纳起来可以分成两类，即机械控制技术与流动控制技术。例如专利(申请号：202010621967.7)公开了一种基于电流变效应的风力机塔筒减振系统，其在塔筒壁内部埋设电流变液浇筑管，通电后通过电流变液刚度的增大来减少塔筒振动。但是，该专利所采用的电流变液浇筑管、电流变液和连接钢板等构件会大幅增大塔筒自重，使得塔筒倾倒的可能性大幅增加，风力机投资成本大幅提升。专利(申请号：202010289211.7)公开了一种适用于抑制风力机塔筒涡激振动的装置，该装置将塔筒振动能量传递给振子，随后通过阻尼器消耗振动能量，然而该装置构造复杂、重量大。专利(申请号：202111387688.X)公开了一种抑制风力机涡激共振的装置，包括多组叶片涡激振动抑制装置和多组塔筒涡激振动抑制装置，这些抑制装置都是由导压管、刚性绳和松紧装置所组成，然而受抑制装置所处固定位置的限制，该专利只能有效应对某一特定来流方向的强风作用，对来流方向变化的适应性较差。其次，该专利属于被动流动控制技术，只能有效应对特定风速范围内的强风作用，以致减振效果受限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种基于间断等离子体激励器的风力机塔筒涡振智能控制系统，该系统可以根据来流方向的变化有针对性地调节间断等离子体激励器的方位，并根据来流速度的大小实时调节间断等离子体激励器的作用强度，间断等离子体激励器能够诱导出由暴露电极指向掩埋电极的壁面射流，使得塔筒尾流中卡门涡街的结构发生扭曲破坏、脱落频率降低，从而对塔筒涡激共振的控制作用达到最佳效果。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

基于间断等离子体激励器的风力机塔筒涡振智能控制系统，包括风速风向传感器、智能控制器、等离子体电源、旋转装置和间断等离子体激励器；所述间断等离子体激励器包括暴露电极、掩埋电极和绝缘层，所述暴露电极和掩埋电极非对称贴附于所述绝缘层的两侧，塔筒高度方向为所述绝缘层的长度方向，沿所述绝缘层长度方向设置多对所述暴露电极和掩埋电极，相邻两对所述暴露电极和掩埋电极之间具有间隙并通过导线连接；所述风速风向传感器固定于风力机的机舱顶部并与所述智能控制器连接，所述智能控制器连接着所述旋转装置的驱动电机和所述等离子体电源，所述等离子体电源与所述间断等离子体激励器连接，所述间断等离子体激励器通过所述旋转装置安装在塔筒的激励器布置区域处；当外部来流激发塔筒产生涡激共振时，所述风速风向传感器将测得的风速和风向信息传输给所述智能控制器，所述智能控制器首先根据风向信息激活所述旋转装置的驱动电机使得所述间断等离子体激励器围绕塔筒轴线转动至塔筒背风侧，然后根据风速信息调控所述等离子体电源给所述间断等离子体激励器提供高频高压，所述间断等离子体激励器通过诱导的壁面射流使得塔筒尾流中卡门涡街的结构发生扭曲破坏、脱落频率降低，进而抑制塔筒的振动幅值。

进一步地，所述旋转装置包括上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和下支撑板都通过螺栓与塔筒的法兰进行连接，在所述上支撑板和下支撑板上都设有多个驱动电机，所述上支撑板与正下方的上旋转板通过轴承进行连接，所述下支撑板与正上方的下旋转板通过轴承进行连接，所述上旋转板和下旋转板与所述驱动电机相接触的边缘用齿轮条啮合，所述驱动电机通过齿轮条推动所述上旋转板和下旋转板同时围绕塔筒轴线转动，所述间断等离子体激励器安装在所述上旋转板和下旋转板之间并随着所述上旋转板和下旋转板同步围绕塔筒轴线转动。

进一步地，所述间断等离子体激励器通过所述旋转装置固定在塔筒段的外部，所述间断等离子体激励器的总数量为偶数且不少于四个，多个所述间断等离子激励器共用同一个所述绝缘层，整个绝缘层的左右两端连接有挡风条，整个绝缘层的上下两端分别与相应的所述上旋转板和下旋转板进行固定，所述暴露电极和掩埋电极分别位于所述绝缘层的外侧和内侧并且分别连接着所述等离子体电源的高压端和低压端，每个所述间断等离子体激励器在通电之后都诱导出由暴露电极指向掩埋电极的壁面射流。

进一步地，所述间断等离子体激励器以相同圆心角从绝缘层的左右两端向中间进行贴附，并且左右对称地设置在所述绝缘层的表面，所述间断等离子体激励器的总数量为偶数且不少于四个，相邻的所述间断等离子体激励器之间的圆心角为10°～40°。

进一步地，多对所述暴露电极和掩埋电极为间断的直线形铜片，铜片厚度为0.05～10mm，铜片宽度为3～100mm，相邻的上下铜片用导线连接且竖向间距为25～1500mm。

进一步地，所述绝缘层与塔筒段的径向间距为50～250mm，所述绝缘层的材质为聚四氟乙烯、聚酰亚胺或者氧化铝陶瓷，厚度为5～35mm。

进一步地，所述间断等离子体激励器所在的区域为所述激励器布置区域，所述激励器布置区域所包含的塔筒段的数量不少于一个，所述旋转装置与塔筒的固定位置为相邻塔筒段之间的法兰。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明利用间断等离子体激励器电离经过的近表面空气，在毫秒之内引起足以破坏卡门涡街原有结构和频率的局部扰动，不需要额外气源，大幅提升控制系统的响应速度，同时大幅降低控制系统的构件重量、复杂程度和构造成本，因此本发明具有响应速度快、重量较轻、结构简单和成本较低的优点。

(2)本发明通过设置可转动的旋转装置，使得间断等离子体激励器能够围绕塔筒轴线旋转，不需要用间断等离子体激励器包裹整个塔筒，可以针对不同来流方向及时调整间断等离子体激励器的方位并使其始终位于能够抑制卡门涡街产生的最佳位置，实现全方位的智能减振控制，因此本发明适用于任意来流方向并能随之灵活调整控制系统的方位。

(3)本发明可以针对不同来流速度，利用智能控制器求得间断等离子体激励器的最优激励参数，然后通过调整等离子体电源的输出电压、输出频率等激励参数，实时改变间断等离子体激励器的作用强度并使其始终处于诱导壁面射流的最佳工作状态，实现在各种复杂风场环境下都获得较好的智能减振效果，因此本发明适用于任意风速条件并能随之主动调整控制系统的作用强度。

(4)本发明将智能控制器与间断等离子体激励器、旋转装置有机结合在一起，能够根据来流方向和来流速度对卡门涡街的产生实现主动抑制，并在卡门涡街产生以后将卡门涡街的结构进行扭曲破坏、脱落频率进行降低，因此本发明属于主动流动控制技术。

附图说明

图1为基于间断等离子体激励器的风力机塔筒涡振智能控制系统的安装位置示意图，

图2为旋转装置与间断等离子体激励器的横风向示意图，

图3为图2中A-A截面的剖面结构示意图，

图4为图3中B-B截面的结构装配结构示意图，

图5为图4中C、D部分的放大结构示意图，

图6为一种实施例的间断等离子体激励器展开后的立面结构示意图；

其中，1为来流方向，2为轮毂，3为叶片，4为风速风向传感器，5为机舱，6为激励器布置区域，7为塔筒，7a为塔筒段，7b为法兰，7c为螺栓，8为智能控制器，9为等离子体电源，10为旋转装置，10a为上支撑板，10b为下支撑板，10c为上旋转板，10d为下旋转板，10e为驱动电机，10f为轴承，10g为导轨，10h为齿轮条，11为间断等离子体激励器，11a为暴露电极，11b为掩埋电极，11c为绝缘层，11d为挡风条，11e为等离子体，11f为壁面射流。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例基于间断等离子体激励器的风力机塔筒涡振智能控制系统，包括风速风向传感器4、智能控制器8、等离子体电源9、旋转装置10和间断等离子体激励器11。

如图1所示，风力机的主要组成部分包括：轮毂2、叶片3、机舱5和塔筒7。在来流方向1上，风速风向传感器4固定于风力机的机舱5顶部并与智能控制器8连接，智能控制器8连接着旋转装置10的驱动电机10g和等离子体电源9，等离子体电源9与间断等离子体激励器11连接，间断等离子体激励器11通过旋转装置10安装在塔筒7的激励器布置区域6处。间断等离子体激励器11所在的区域为激励器布置区域6，在本实施例中激励器布置区域6内仅有一个塔筒段7a。

如图2～6所示，塔筒7包括塔筒段7a，相邻的塔筒段7a通过法兰7b和螺栓7c进行连接，间断等离子体激励器11通过旋转装置10固定在塔筒段7a的外部。当来流方向1产生变化时，机舱5进行偏航运动，同时风速风向传感器4将当前的风向信息传输给智能控制器8，智能控制器8激活旋转装置10使得间断等离子体激励器11随着机舱5的偏航而旋转，让间断等离子体激励器11始终位于能够抑制卡门涡街产生的最佳位置。

旋转装置10包括上支撑板10a和下支撑板10b，上支撑板10a和下支撑板10b都通过螺栓7c与塔筒段7a的法兰7b进行连接，在上支撑板10a和下支撑板10b上都设有多个驱动电机10e，上支撑板10a与正下方的上旋转板10c通过轴承10f进行连接，下支撑板10b与正上方的下旋转板10d通过轴承10f进行连接，上旋转板10c和下旋转板10d与驱动电机10e相接触的边缘用齿轮条10h啮合，驱动电机10e通过齿轮条10h推动上旋转板10c和下旋转板10d同时围绕塔筒7轴线转动，间断等离子体激励器11安装在上旋转板10c和下旋转板10d之间并随着上旋转板10c和下旋转板10d同步围绕塔筒7轴线转动。

在本实施例中，在上支撑板10a和下支撑板10b上都设置四个驱动电机10e，使得上旋转板10c和下旋转板10d能够绕着塔筒7轴线旋转。

示例性地，上支撑板10a和下支撑板10b的形状相同，在本实施例中均为圆环型。安装时，上支撑板10a和下支撑板10b都插入相邻塔筒段7a之间的间隙内并通过螺栓7c和法兰7b进行固定。在本实施例中，在上支撑板10a和下支撑板10b上均匀设置四个驱动电机10e。上旋转板10c和下旋转板10d均为半圆弧形，并分别与相应的上支撑板10a和下支撑板10b通过轴承10f进行转动连接；上旋转板10c和下旋转板10d的内侧都设有齿轮条10h，并与驱动电机10e的输出轴通过齿轮条10h进行啮合。多个驱动电机10e同步工作，使得上旋转板10c和下旋转板10d同步围绕塔筒7轴线转动并能旋转一圈。如图5所示，齿轮条10h位于驱动电机10e与上旋转板10c和下旋转板10d的交接处，即齿轮条10h位于驱动电机10e的上部以及上旋转板10c和下旋转板10d的内边缘，并通过齿轮条10h的相互啮合，实现上旋转板10c和下旋转板10d的转动。

间断等离子体激励器11通过旋转装置10固定在塔筒段7a的外部，包括暴露电极11a、掩埋电极11b和绝缘层11c，暴露电极11a和掩埋电极11b非对称贴附于绝缘层11c的两侧，塔筒7高度方向为绝缘层11c的长度方向，沿着绝缘层11c的长度方向设置多对暴露电极11a和掩埋电极11b，相邻两对暴露电极11a和掩埋电极11b之间具有间隙并通过导线连接。在激励器布置区域6内有多个间断等离子体激励器11，多个间断等离子激励器11共用同一个绝缘层11c，整个绝缘层11c的左右两端连接有挡风条11d，整个绝缘层11c的上下两端分别与相应的上旋转板10c和下旋转板10d进行固定，暴露电极11a和掩埋电极11b分别位于绝缘层11c的外侧和内侧并且分别连接着等离子体电源9的高压端和低压端，每个间断等离子体激励器11在通电之后都诱导出由暴露电极11a指向掩埋电极11b的壁面射流11f。

在本实施例中，绝缘层11c为曲面形状并且半包围于塔筒段7a的周向，在图3剖视的水平面内，只在绝缘层11c的上部、下部区域内设置暴露电极11a和掩埋电极11b，在中间区域不设置电极。

在本实施例中，多个间断等离子体激励器11以相同圆心角从绝缘层11c的左右两端向中间进行贴附，并且左右对称地设置在绝缘层11c的表面，间断等离子体激励器11的总数量为六个，相邻的间断等离子体激励器11之间的圆心角为25°。

在本实施例中，多对暴露电极11a和掩埋电极11b为间断的直线形铜片，铜片厚度为3mm，铜片宽度为30mm，相邻的上下铜片用导线连接且竖向间距为500mm。

在本实施例中，绝缘层11c与塔筒段7a的径向间距为100mm，绝缘层11c的材质为聚四氟乙烯，厚度为10mm。

本实施例利用间断等离子体激励器11在通电之后电离经过的近表面空气而产生等离子体11e，等离子体11e在高电压作用下发生定向移动而形成壁面射流11f，壁面射流11f在毫秒之内能够达到足以破坏卡门涡街原有结构和频率的能力，从而有效提升塔筒7涡激共振时的稳定性。当来流速度产生变化时，风速风向传感器4将当前的风速信息传输给智能控制器8，智能控制器8连接着等离子体电源9，智能控制器8先根据当前的风速信息获得间断等离子体激励器11的最优激励参数，再根据最优激励参数通过调整等离子体电源9的输出电压、输出频率等激励参数，实时改变间断等离子体激励器11的作用强度，让间断等离子体激励器11始终处于诱导壁面射流11f的最佳工作状态。

在本实施例中，最优参数的确定可以采用智能算法实现，如遗传算法、蚂蚁算法、神经网络等，智能算法的输入为风速信息，输出为等离子体电源9的输出电压、输出频率等激励参数。

本实施例提供的基于间断等离子体激励器的风力机塔筒涡振智能控制系统的工作过程如下：当外部来流激发塔筒7产生涡激共振时，风速风向传感器4将测得的风速和风向信息传输给智能控制器8；智能控制器8首先根据风向信息激活旋转装置10的驱动电机10e使得间断等离子体激励器11围绕塔筒7轴线转动至塔筒7背风侧，然后根据风速信息调控等离子体电源9给间断等离子体激励器11提供高频高电压；间断等离子体激励器11通过诱导的壁面射流11f使得塔筒7尾流中卡门涡街的结构发生扭曲破坏、脱落频率降低，进而抑制塔筒7的振动幅值。

本发明能根据来流方向的变化有针对性地调节间断等离子体激励器11的方位，并根据来流速度的大小实时调节间断等离子体激励器11的作用强度，从而对塔筒7涡激共振的控制作用达到最佳效果。

本申请中实施例中定义塔筒轴向方向为上、下，定义垂直于塔筒径向为左、右方向。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明未述及之处适用于现有技术。