劉　翀，　劉鵬寅,　沈　昕,　竺曉程

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

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結(jié)構(gòu)彈性對(duì)槳距角突變下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響

劉翀，劉鵬寅,沈昕,竺曉程

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

摘要：對(duì)槳距角突變情況下的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重分析了風(fēng)力機(jī)葉片非對(duì)稱性、葉片結(jié)構(gòu)彈性及塔架結(jié)構(gòu)彈性對(duì)氣動(dòng)性能的影響，并模擬了槳距角突變情況下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的過(guò)沖現(xiàn)象.結(jié)果表明：變槳前后主軸扭矩的波動(dòng)主要是由于風(fēng)力機(jī)2個(gè)葉片質(zhì)量非對(duì)稱引起的，而風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)彈性加劇了風(fēng)輪主軸扭矩在過(guò)沖過(guò)程的振蕩；風(fēng)力機(jī)葉片非對(duì)稱性、葉片結(jié)構(gòu)彈性及塔架結(jié)構(gòu)彈性共同作用是導(dǎo)致軸向推力出現(xiàn)波動(dòng)的主要原因.

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)； 氣動(dòng)性能； 槳距角； 葉片結(jié)構(gòu)彈性； 塔架結(jié)構(gòu)彈性； 數(shù)值模擬

近年來(lái)，隨著風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量的不斷增加，風(fēng)力機(jī)效率、安全性能及輸電品質(zhì)對(duì)電網(wǎng)的影響越來(lái)越大.風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中將遇到運(yùn)行工況瞬間改變的情況(如槳距角突變)，此時(shí)風(fēng)輪上的載荷無(wú)法同步變化，導(dǎo)致氣動(dòng)參數(shù)迅速改變至峰值，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，該過(guò)程又稱為過(guò)沖現(xiàn)象.過(guò)沖現(xiàn)象通過(guò)對(duì)氣動(dòng)阻尼的影響使風(fēng)力機(jī)各部件振動(dòng)，對(duì)風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定性以及部件壽命帶來(lái)不利影響[1-2].而目前常采用的雙饋異步風(fēng)力機(jī)對(duì)電網(wǎng)電壓暫降較為敏感，這需要風(fēng)力機(jī)及時(shí)有效地通過(guò)變槳距等方法來(lái)控制氣動(dòng)性能，并輸出無(wú)功功率支撐電壓[3-5].因此，在對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行研究分析時(shí)，需要分析槳距角突變時(shí)的氣動(dòng)性能.

沈昕等[6-7]采用時(shí)間步進(jìn)自由尾跡法對(duì)變槳情況下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能進(jìn)行了模擬分析，在驗(yàn)證模擬方法的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象是由槳距角變化導(dǎo)致誘導(dǎo)速度發(fā)生改變而引起的，并提出了實(shí)測(cè)值存在的振蕩現(xiàn)象可能是由風(fēng)力機(jī)塔架所受推力變化導(dǎo)致其自身振動(dòng)引起的；Niebsch等[8]提出風(fēng)輪葉片的非對(duì)稱性將引起風(fēng)力機(jī)載荷變化，并通過(guò)風(fēng)力機(jī)整機(jī)振動(dòng)影響其氣動(dòng)性能；劉雄等[9]在對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析中發(fā)現(xiàn)，葉片在工作過(guò)程中易受較大振動(dòng)和變形，從而影響到葉片自身的氣動(dòng)性能；李德源等[10]在對(duì)大型風(fēng)力機(jī)塔架渦致振動(dòng)的研究分析中得出，由于非定常力的作用塔架上將引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，進(jìn)而影響整機(jī)氣動(dòng)性能.Chattot等[11]在利用升力線法模擬風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能情況時(shí)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量中出現(xiàn)的主軸扭矩和軸向推力的振蕩問(wèn)題，認(rèn)為這是由于塔架結(jié)構(gòu)的彈性振動(dòng)導(dǎo)致的.

上述研究分析中，雖然都提到葉片和塔架會(huì)通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)在槳距角突變情況下對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響，但并未對(duì)其進(jìn)行深入的模擬分析.因此，筆者以兩葉片水平軸小型風(fēng)力機(jī)作為研究對(duì)象，探討槳矩角突變情況下主軸扭矩和軸向推力波動(dòng)性加劇的問(wèn)題，分析了葉片結(jié)構(gòu)彈性及塔架結(jié)構(gòu)彈性對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，最終發(fā)現(xiàn)了葉片非對(duì)稱性對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的重要影響.

1數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬軟件采用由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)研發(fā)的FAST開(kāi)源軟件.該軟件專門應(yīng)用于兩葉片及三葉片水平軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)彈性模擬.FAST開(kāi)源軟件的氣動(dòng)參數(shù)求解主要基于葉素理論(BEM)及廣義動(dòng)態(tài)尾跡理論(GDW)，而結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性求解主要基于KANE方程，其將風(fēng)力機(jī)作為一個(gè)剛?cè)岵考M合的動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)建立動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)而求解[12-13].

葉素理論是目前使用最廣泛的風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能分析理論，該理論主要基于葉素理論和動(dòng)量理論.根據(jù)葉素理論，在半徑為r位置的環(huán)形區(qū)域中葉素產(chǎn)生的推力T和轉(zhuǎn)矩Q分別為

(1)

(2)

式中：ρ為來(lái)流密度；U為來(lái)流速度；CL、CD分別為葉素翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)；φ為入流角；B為葉片數(shù)；c為該葉素弦長(zhǎng).

根據(jù)動(dòng)量定理，該環(huán)形區(qū)域中葉素所產(chǎn)生的推力和轉(zhuǎn)矩可表示為

(3)

(4)

式中：a、a′分別為軸向速度誘導(dǎo)因子和切向速度誘導(dǎo)因子；Ω為風(fēng)輪角速度.

在此基礎(chǔ)上考慮葉尖、輪轂損失影響，并增加葛勞渥特湍流尾跡修正模型，再通過(guò)迭代方法計(jì)算出沿葉展方向上每個(gè)葉素的誘導(dǎo)速度、攻角以及推力系數(shù)，再進(jìn)一步求解葉片上各氣動(dòng)性能參數(shù).

廣義動(dòng)態(tài)尾跡理論基于加速度勢(shì)方法，并考慮了誘導(dǎo)速度的時(shí)間滯后效應(yīng)，是解決風(fēng)力機(jī)非定常尾跡動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的有效方法.該理論基于拉普拉斯方程勢(shì)流解，并在轉(zhuǎn)子徑向、方位角方向分別采用無(wú)窮級(jí)數(shù)的勒讓德函數(shù)和三角函數(shù)加以描述，并在具體算法中限定壓力分布、誘導(dǎo)速度場(chǎng)的有限計(jì)算級(jí)數(shù)進(jìn)行求解[14].

以NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)作為研究對(duì)象.NREL對(duì)該風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，并提供了其在穩(wěn)定和非穩(wěn)定工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).風(fēng)力機(jī)使用雙葉片轉(zhuǎn)子，葉片半徑為5.03 m，質(zhì)量為60.4 kg.葉片弦長(zhǎng)沿半徑線形變化，扭角沿半徑非線性變化，葉片在整個(gè)展向均使用NREL S809翼型.風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為72 r/min(即風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率為1.2 Hz)，風(fēng)向?yàn)樯巷L(fēng)且正對(duì)風(fēng)輪[15].

分階段來(lái)看，2005—2011年，＜，盡管海南省旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)力度，但是增長(zhǎng)速度較快，且蘊(yùn)含著極大的發(fā)展?jié)摿Γ?012—2015年，＞，海南省生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)滯后于旅游經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，表明自2010年國(guó)際旅游島建設(shè)上升為國(guó)家戰(zhàn)略以后，旅游經(jīng)濟(jì)繼續(xù)保持穩(wěn)定大幅度增長(zhǎng)，但是隨著旅游業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和發(fā)展，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也在不斷下滑，不過(guò)從2015年開(kāi)始出現(xiàn)的小幅上升表明了海南省對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的覺(jué)醒。

2模擬結(jié)果與分析

2.1研究方法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證研究方法的準(zhǔn)確性，首先模擬風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的氣動(dòng)性能，并與NREL對(duì)其在相同條件下的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.圖1給出了不同風(fēng)速下的風(fēng)輪軸向推力和主軸功率.從圖1可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合.隨著風(fēng)速的增大，軸向推力逐步增大；在低風(fēng)速下(小于9 m/s)主軸功率隨著風(fēng)速的增大而升高；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)9 m/s后，隨著風(fēng)速的增大主軸功率基本保持不變，這是由于隨著風(fēng)速的增大，葉片與空氣的相對(duì)速度增大，攻角增大，葉片進(jìn)入失速運(yùn)行狀態(tài).對(duì)比結(jié)果初步驗(yàn)證了所采用數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性.

對(duì)風(fēng)力機(jī)在5 m/s穩(wěn)定風(fēng)速下，槳距角以66.0°/s角速度從-6°突變到10°時(shí)風(fēng)力機(jī)的軸向推力和主軸扭矩進(jìn)行數(shù)值模擬.圖2給出了在葉片對(duì)稱、葉片及塔架結(jié)構(gòu)為剛性條件下的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖.從圖2可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)基本相符，成功模擬了槳矩角突變情況下的過(guò)沖現(xiàn)象；但模擬結(jié)果中過(guò)沖前后的氣動(dòng)性能曲線未出現(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果相同的波動(dòng)現(xiàn)象，且主軸扭矩的過(guò)沖情況與實(shí)測(cè)結(jié)果差別較大.

(a) 軸向推力

(b) 主軸功率

(a) 軸向推力

(b) 主軸扭矩

Fig.2Comparison of aerodynamic performance between experiment and simulation with rigid blades and tower

2.2葉片非對(duì)稱性對(duì)氣動(dòng)性能的影響

分析圖2中過(guò)沖前后的實(shí)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其軸向推力和主軸扭矩均出現(xiàn)頻率為1.2 Hz的波動(dòng)，這與風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻相等.實(shí)驗(yàn)所采用的風(fēng)輪為雙葉片結(jié)構(gòu)，每個(gè)葉片質(zhì)量均為60.4 kg，其中一個(gè)葉片上安裝有0.45 kg的測(cè)量探針，該質(zhì)量?jī)H占葉片總質(zhì)量的0.37%.因此，之前對(duì)該模型的研究分析中此微小質(zhì)量非對(duì)稱性均被忽略.上述氣動(dòng)性能的波動(dòng)現(xiàn)象可能是由該質(zhì)量非對(duì)稱性導(dǎo)致風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)不平衡引起的，故在設(shè)定模擬參數(shù)時(shí)，在其中一個(gè)葉片上添加質(zhì)量為0.45 kg的質(zhì)量塊.

圖3為考慮葉片非對(duì)稱性時(shí)的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比圖.對(duì)比圖2(a)和圖3(a)可知，風(fēng)輪軸向推力基本沒(méi)有變化，說(shuō)明葉片非對(duì)稱性對(duì)軸向推力沒(méi)有直接影響；對(duì)比圖2(b)和圖3(b)可知，主軸扭矩在過(guò)沖前后出現(xiàn)較明顯的波動(dòng)，該波動(dòng)頻率同為1.2 Hz，波動(dòng)幅值略小于實(shí)測(cè)結(jié)果，說(shuō)明風(fēng)輪葉片微小的非對(duì)稱性是引起風(fēng)輪主軸扭矩出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)的主要原因.

(a)軸向推力

(b)主軸扭矩

Fig.3Comparison of aerodynamic performance between experiment and simulation with imbalanced rotor

2.3葉片結(jié)構(gòu)彈性對(duì)氣動(dòng)性能的影響

在考慮葉片非對(duì)稱性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究葉片結(jié)構(gòu)彈性對(duì)風(fēng)力機(jī)軸向推力和主軸扭矩的影響，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4.

對(duì)比圖3(a)與圖4(a)可知，是否考慮葉片結(jié)構(gòu)彈性對(duì)風(fēng)力機(jī)所受軸向推力沒(méi)有影響；對(duì)比圖3(b)與圖4(b)可知，在考慮葉片結(jié)構(gòu)彈性后，主軸扭矩在過(guò)沖過(guò)程中出現(xiàn)振蕩加劇的現(xiàn)象.這是由于當(dāng)葉片槳距角突變時(shí)，其攻角也隨之發(fā)生改變，致使葉片上的氣流誘導(dǎo)速度隨之改變，進(jìn)而引起葉片上氣動(dòng)力分布變化，葉片產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響葉片上的氣流運(yùn)動(dòng)，形成復(fù)雜的流固耦合，導(dǎo)致在變槳引起的過(guò)沖過(guò)程中主軸扭矩波動(dòng)加劇.

2.4塔架結(jié)構(gòu)彈性對(duì)氣動(dòng)性能的影響

(a)軸向推力

(b)主軸扭矩

Fig.4Comparison of aerodynamic performance between experiment and simulation with flexible blades

從圖5(a)可以看出，考慮塔架結(jié)構(gòu)彈性后，軸向推力在過(guò)沖過(guò)程中出現(xiàn)振蕩加劇的情況，這是由于當(dāng)槳距角突變時(shí)，作用在風(fēng)力機(jī)上的氣動(dòng)力發(fā)生改變，當(dāng)塔架結(jié)構(gòu)為彈性體時(shí)將產(chǎn)生塔架前后振動(dòng)，進(jìn)而影響過(guò)沖過(guò)程的軸向推力大小；過(guò)沖后，塔架振動(dòng)在結(jié)構(gòu)阻尼的作用下逐漸衰減，導(dǎo)致軸向推力也逐漸減小并趨于平緩；但在過(guò)沖前穩(wěn)定狀態(tài)下，軸向推力并未出現(xiàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果相同的波動(dòng)；對(duì)比圖3(b)與圖5(b)可知，是否考慮塔架結(jié)構(gòu)彈性對(duì)主軸扭矩的影響不大，再次證明葉片結(jié)構(gòu)彈性是主軸扭矩出現(xiàn)過(guò)沖振蕩加劇的主要影響因素.

(a)軸向推力

(b)主軸扭矩

Fig.5Comparison of aerodynamic performance between experiment and simulation with flexible tower

2.5葉片結(jié)構(gòu)彈性和塔架結(jié)構(gòu)彈性對(duì)氣動(dòng)性能的影響

綜合考慮葉片非對(duì)稱性、葉片結(jié)構(gòu)彈性及塔架結(jié)構(gòu)彈性對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖6所示.

(a)軸向推力

(b)主軸扭矩

Fig.6Comparison of aerodynamic performance between experiment and simulation with flexible blades and tower (imbalanced rotor)

對(duì)比圖5(a)與圖6(a)可知，考慮葉片結(jié)構(gòu)彈性及塔架結(jié)構(gòu)彈性后，在過(guò)沖前后模擬所得軸向推力出現(xiàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果相近的波動(dòng)，槳距角突變帶來(lái)的塔架瞬態(tài)振動(dòng)在結(jié)構(gòu)阻尼作用下逐步衰減，最終僅剩旋轉(zhuǎn)不平衡所產(chǎn)生的塔架振動(dòng)，軸向推力僅在該振動(dòng)條件下才能得出與實(shí)測(cè)結(jié)果相近的波動(dòng)性能.對(duì)比圖5(b)與圖6(b)可知，模擬所得主軸扭矩波動(dòng)情況也有所加劇.這是由于風(fēng)力機(jī)葉片上的氣動(dòng)力通過(guò)葉片結(jié)構(gòu)傳遞給其他風(fēng)力機(jī)部件[16]，而且綜合考慮塔架及葉片結(jié)構(gòu)彈性后，整體系統(tǒng)的固有頻率為1.7 Hz，該頻率與葉輪旋轉(zhuǎn)頻率1.2 Hz相近，導(dǎo)致風(fēng)輪主軸扭矩曲線波動(dòng)幅值增加.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證葉片非對(duì)稱性對(duì)軸向推力的影響，忽略葉片非對(duì)稱性影響，考慮葉片結(jié)構(gòu)彈性及塔架結(jié)構(gòu)彈性時(shí)的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖7.與圖6(a)相比，圖7(a)中模擬結(jié)果在過(guò)沖前未出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象；圖7(b)中，主軸扭矩模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大.結(jié)合圖3可知，葉片非對(duì)稱性對(duì)風(fēng)輪所受軸向推力有間接影響.

(a)軸向推力

(b)主軸扭矩

Fig.7Comparison of aerodynamic performance between experiment and simulation with flexible blades and tower (balanced rotor)

3結(jié)論

(1)葉片上微小質(zhì)量的非對(duì)稱會(huì)影響風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能波動(dòng)，在研究過(guò)程中不能忽略.該非對(duì)稱性是過(guò)沖前后主軸扭矩產(chǎn)生波動(dòng)的直接原因，對(duì)風(fēng)輪所受軸向推力有間接影響.

(2)考慮葉片結(jié)構(gòu)彈性后，風(fēng)輪主軸扭矩在過(guò)沖過(guò)程中出現(xiàn)振蕩加劇現(xiàn)象；考慮塔架結(jié)構(gòu)彈性后，風(fēng)輪軸向推力在過(guò)沖過(guò)程中出現(xiàn)振蕩加劇現(xiàn)象.

(3)綜合葉片非對(duì)稱性、葉片結(jié)構(gòu)彈性及塔架結(jié)構(gòu)彈性后，在過(guò)沖前后風(fēng)輪的軸向推力才出現(xiàn)類似于實(shí)測(cè)結(jié)果得到的波動(dòng)，由此說(shuō)明風(fēng)力機(jī)整體的流固耦合是導(dǎo)致軸向推力出現(xiàn)波動(dòng)的主要原因.

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Influence of Structural Elasticity on Aerodynamic Performance of a Wind Turbine During Pitching Step

LIUChong,LIUPengyin,SHENXin,ZHUXiaocheng

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：Numerical simulations were conducted on aerodynamic performance of a wind turbine during pitching step, while the effects of blade asymmetry, blade elasticity and tower elasticity on aerodynamic performance of the wind turbine were analyzed, and the overshoot phenomenon of turbine aerodynamic performance occurring in pitching step was simulated. Results show that the mass imbalance of two blades is the main reason leading to the rotor torque vibration before and after pitching step, and the structural elasticity of blade structure aggravates the rotor torque oscillation during overshoot. The fluctuation of axial thrust is caused by combined action of the imbalanced rotor, the elastic blade and tower structure, etc.

Key words：wind turbine; aerodynamic performance; pitch angle; flexible blade; flexible tower; numerical simulation

收稿日期：2015-07-20

修訂日期：2015-09-30

基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20110073110031)

作者簡(jiǎn)介：劉翀(1990-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要從事風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)方面的研究.電話(Tel.): 18818251205;

文章編號(hào)：1674-7607(2016)06-0468-05中圖分類號(hào)：TK83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：470.40

E-mail: chong_liu@sjtu.edu.cn.