风力机塔架对环境的影响分析

为了控制机舱的长度，风轮旋转平面与塔架之间的间隙应尽可能小。但若风轮和塔架之间的距离太小，塔架周围的空气动力学流场会影响叶片运行。

图7-8　塔坝效应

对于传统的上风式风轮，塔架周围的流场对风轮的影响较小。这种上风式风力机中由于塔架前气流延迟，而对风轮性能产生的影响叫塔坝效应。塔坝效应在老式风车以及风车房产生的影响非常突出，但对现代风力机的影响相对较小。从图7-8可以看出，在圆柱形塔架前，风速由于受到塔架的阻碍作用而逐渐降低。风速几乎在1倍塔柱直径时开始降速，而在0.5倍塔柱直径时发生明显降低的现象。因此，只要设计风轮叶片和塔架的间隙保持在1倍塔架直径的距离，就可以将塔柱对风轮载荷的影响减到最小。否则，如果风轮转速在塔架的自振频率范围内，则塔坝效应有可能激起塔架振动。

如果风轮安装在塔架的下风位置，则产生与上述情况完全不同的效果。在下风式风轮塔架的下游，风速减小比较明显。即使风轮旋转面与塔架存在较大距离，叶片在每旋转一周都必然经过塔架的阴影区域，对风力机叶片气动性能产生影响。

综上所述，即使是在上风侧安装风轮，塔架的空气动力学影响也必须考虑。由于目前几乎所有风力机塔架均为圆形截面，仅需考虑圆柱体周围流场即可。流动介质的内摩擦和表面摩擦导致柱体后产生气流分离域，即所谓的尾流域。圆柱体后的尾流域湍流面积逐渐增大，平均风速在逐渐降低。另一个典型特征是圆形柱体后在两边以定义的频率交替出现漩涡，即卡门涡街。依靠流体雷诺数，可以得到三个特征区域，如图7-9和图7-10所示。

图7-9　不同雷诺数的流场

1.亚临界区域

当雷诺数低于3×105时为亚临界区域。此时风速为低速流动，边界层仍然处于层流。在柱体断面最宽点前发生流体分离。流动尾迹相对宽而清晰，周期地产生卡门涡街。在这些条件下，圆柱体的空气阻力系数相对高，大于1.0。

2.临界区域

雷诺数为3×105～5×106（称为临界雷诺数）流速时为临界区域。柱体表面的边界层流体从层流变成了湍流。这一作用极大地影响着尾流的形状。高能量的湍流边界层导致流体柱体周围在持续流动，尾流域变窄。周期性的卡门涡街几乎全部消失，阻力系数降到了0.25～0.35。因为受边界层影响，表面粗糙度会影响流场湍流的产生点。

图7-10　不同雷诺数的阻力系数(www.xing528.com)

3.超临界区域

当雷诺数大于临界值时为超临界区域，在这里尾流区域又变得较宽。在超临界区域，阻力系数上升到0.5左右。卡门涡街再一次周期性产生，但是较微弱。

从大型风力机塔架周围流体可简单估计出，当塔架直径为几米，风速为5～25m／s时，雷诺数较大，所以始终存在湍流。在这种情况下，尾流中的风速最大降幅为

当叶片经过塔架尾流时，风速减小进一步导致有效气动攻角减小。这两点都导致风轮叶片升力突然减小，影响空气动力载荷和力矩产生。这种塔架尾流由于风速减小而给叶片性能造成的影响叫塔影效应。

塔影效应影响过程非常短暂，但对叶片产生一个脉冲扰动，从空气动力学角度而言，这意味着瞬间塔影效应起到了作用，即攻角暂时梯度变化对气动力和力矩产生重要的影响。

图7-11　塔影效应在叶片根部引起的拍向弯曲应力

图7-12　塔影对风力机力矩输出的影响

图7-11和图7-12所示为塔影对下风风轮的弯曲应力和力矩输出的影响。从图7-11可以看出，叶片在塔影效应影响下，拍向弯曲应力呈现正负交替变化，容易产生疲劳载荷。在风力机30年寿命内，叶片承受这种循环载荷次达到107～108，因此其影响不能忽略。因而，塔影效应是计算风轮叶片疲劳生命的一个不可忽视的因素。

此外，塔影效应也影响下风式风轮的电力输出，在极端条件下，测量得出的电力损失是平均输出的30%～40%。

最后，塔影对风力机噪声产生重要影响。