馬進驍　李永貴　肖翅翔　李毅

【摘 要】在邊界層風洞中對轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的風力機模型進行了測力天平試驗，研究了A、B兩類地貌，0°槳距角，0°風向角時，風力機輪轂處兩個軸向的風力系數(shù)，脈動風力功率譜和相干函數(shù)。結(jié)果表明：隨著風輪轉(zhuǎn)速的均勻增大，兩個軸向的平均、脈動風力系數(shù)呈現(xiàn)出非均勻增大的現(xiàn)象;風輪轉(zhuǎn)速為300rpm時，在折減頻率為4Hz、6Hz處分別出現(xiàn)了風輪轉(zhuǎn)動、天平-模型共振引起的譜峰。

【關(guān)鍵詞】水平軸風力機;風洞試驗;測力天平;風力系數(shù);風力功率譜;相干性

中圖分類號： TU317+.1文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）28-0040-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.014

【Abstract】Wind turbine model in rotating state is performed in a boundary layer wind tunnel based on the force balance，researched A，B two types of landform， the blades pitch angle was 0°，the wind angle was 0°，two axial wind coefficients，wind power spectrum and coherent function at the hub of a wind turbine.The results show：with the uniform increase of wind wheel speed， the average and fluctuating wind coefficients of the two axes increase unevenly;When the rotation speed of the wind wheel was 300rpm， spectral peaks caused by wind wheel rotation and balance-model resonance appeared at the reduction frequency of 4Hz and 6Hz.

【Key words】Horizontal-axis wind turbines;Wind tunnel test;Foece balance;Wind coefficient;Wind power spectrum;Coherence

能源是人類生存、社會發(fā)展的基礎(chǔ)，但隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源污染環(huán)境、不可再生等缺點已不能滿足需要。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)與利用可持續(xù)發(fā)展的綠色能源，成為了全球能源行業(yè)關(guān)注和國家提倡的熱點[1]。風能作為一種不污染環(huán)境，能源利用率高、蘊量巨大、可持續(xù)利用的綠色能源越來越受到全球各國的重視。風力機葉片受到氣動力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，在運轉(zhuǎn)過程中葉片承受的氣動力將通過葉根傳遞到風力機輪轂[2]，因此對風力機輪轂處風荷載特性進行研究有重要意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于水平軸風力機風荷載特性開展了部分研究。王偉峰[3]對小型水平軸風力機風輪進行了數(shù)值模擬，并進行實體化設(shè)計完成了風洞試驗，發(fā)現(xiàn)了風力機在來流風速為12.5m/s時，試驗機架振動現(xiàn)象明顯，當風速繼續(xù)增大，風洞振動加劇，出現(xiàn)了風力機與風洞的共振現(xiàn)象。李強[4]利用風洞試驗對小型水平軸風力機的導流罩結(jié)冰現(xiàn)象進行了研究，發(fā)現(xiàn)了空氣中的水滴含量和來流風速是影響風力機導流罩表面結(jié)冰的重要因素。Hiromasa Kawai和Kazutoshi Michishita等[5]基于兩個假設(shè)，提出了一種評估風力機整體與葉片、塔架所受風荷載的轉(zhuǎn)換方法。

本文以2.0MW主流機型為研究對象，進行了風力機轉(zhuǎn)動狀態(tài)的測力天平試驗[6]，研究了不同風輪轉(zhuǎn)速下輪轂處風荷載特性，可為類似的水平軸風力發(fā)電機抗風設(shè)計提供參考。

1 風洞試驗概況

1.1 模型設(shè)計

按幾何縮尺比1：80，葉片采用ABS材質(zhì)，輪轂、塔筒和底板采用鋁合金材質(zhì)制作的縮尺風洞試驗模型，其主要參數(shù)見表1，表中：H1為風力機模型總高度，H為輪轂高度，D為風輪直徑，l為葉片長。試驗模型照片如圖1所示。

1.2 風場模擬

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]模擬了A、B兩類風場，兩類風場的風速剖面、湍流度剖面、脈動風速譜與目標值吻合較好，具體風場特性如圖2所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 輪轂平均和脈動風力系數(shù)

體軸系坐標系統(tǒng)如圖3所示：定義x軸向為沿風輪掃掠面平行向，y軸向為沿風輪掃掠面垂直向，z軸向為沿風輪豎向向上，以風輪掃掠面與風向垂直時為0°風向角。

在0°風向角、0°槳距角時，7個不同風輪轉(zhuǎn)速下輪轂處y軸向、x軸向平均、脈動風力系數(shù)如圖4所示：隨著風輪轉(zhuǎn)速均勻增大，分別對應(yīng)的y軸向平均風力系數(shù)整體上呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢，60rpm有最小值（A類地貌為0.88，B類地貌為0.82），300rpm有最大值（A類地貌為1.69，B類地貌為1.55）。具體在60rpm至180rpm時，其值增大的幅度比較均勻，在180rpm至300prm時，增大幅度更明顯，曲線有略微“上揚”趨勢，說明風輪風速的均勻增大，y軸向平均風力系數(shù)呈現(xiàn)不均勻增大的現(xiàn)象。B類地貌各個轉(zhuǎn)速下的風力系數(shù)與A類地貌之比的均值為94.2%（下同）;y軸向脈動風力系數(shù)隨著風輪轉(zhuǎn)速的均勻增大，亦呈現(xiàn)非均勻增大的趨勢，60rpm有最小值（A類地貌為0.57，B類地貌為0.55），300rpm有最大值（A類地貌為0.80，B類地貌為0.86），A類地貌整體脈動值比B類小;x軸向平均風力系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的均勻增大，其風力系數(shù)增大趨勢較均勻，60rpm有最小值（A類地貌為0.051，B類地貌為0.045），300rpm有最大值（A類地貌為0.102，B類地貌為0.097）。B類地貌是A類地貌的91.4%;x軸向脈動風力系數(shù)相比y軸向波動更為明顯，但整體上隨呈現(xiàn)增大的趨勢，60rpm有最小值（A類地貌為0.49，B類地貌為0.45），300rpm有最大值（A類地貌為0.93，B類地貌為0.91）。

2.2 輪轂風力系數(shù)頻域分析

2.2.1 輪轂脈動風力功率譜

0°風向角，0°槳距角，風輪轉(zhuǎn)速為300rpm時，輪轂y軸向、x軸向脈動風力功率譜如圖5所示：y、x軸向均在折減頻率約為0.6處有一個譜峰，這是由于模型剛度不足，其頻率處于來流風荷載譜的頻率范圍內(nèi)，導致天平-模型共振引起的結(jié)果。在折減頻率約為0.4處有另一個譜峰，其中y軸向此譜峰剛有“誘發(fā)”的趨勢，x軸向此處出現(xiàn)尖銳的峰值，這說明風輪轉(zhuǎn)速對x軸向功率譜影響更大。實際工程中，由于慣性力的存在，輪轂風力與慣性力合力的功率譜也會存在類似的譜峰。在A、B地貌下，功率譜曲線基本一致。

2.2.2 輪轂脈動風力相干性

0°風向角，0°槳距角，風輪轉(zhuǎn)速為300rpm時，輪轂處順—橫風向脈動風力相干函數(shù)如圖6所示：對于常規(guī)高層建筑，順風向風力是由脈動風引起，橫風向風力由漩渦脫落而產(chǎn)生，順、橫方向受力機理不同，因此順-橫相關(guān)性小。但對于風力機此類細長結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的順—橫方向相干函數(shù)值較大，大致分布在0.8以內(nèi)，說明風輪轉(zhuǎn)速對順-橫方向相干性影響很大。B類地貌順—橫風力相干性略大于A類。

3 結(jié)論

采用1：80縮尺比的水平軸風力機進行了測力天平風洞試驗，研究了風力機在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下輪轂處風荷載特性，得到以下結(jié)論：

1）風力機轉(zhuǎn)動狀態(tài)下隨著風輪轉(zhuǎn)速呈規(guī)律性變化。風輪轉(zhuǎn)速增大，兩個軸向的平均、脈動風力系數(shù)均增大，但呈現(xiàn)出非均勻增大的現(xiàn)象。

2）0°槳距角下，由于模型非絕對剛性，導致x、y兩個軸向脈動風力功率譜均在折減頻率0.6處存在一個天平-模型共振引起的譜峰，折減頻率為0.4處存在一個風輪轉(zhuǎn)動引起的譜峰。實際工程中，由于慣性力的存在，輪轂風力與慣性力合力的功率譜也會存在類似的譜峰。

3）風輪轉(zhuǎn)速為300rpm下，順-橫方向風力相關(guān)性很大，B類地貌順—橫風力相干性略大于A類。

【參考文獻】

[1]Gao M，Li Y Y.Energy and Environmental Challenges and Coping Strategies[J].Applied Mechanics and Materials，2014，535：489-494.

[2]周新坪.風力發(fā)電機葉片葉根的受力性能綜述[J].科技風，2016（16）：159.

[3]王偉峰.基于逆向工程的風力機葉片實體建模研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（10）：40-43.

[4]李強，李巖，馮放.小型水平軸風力機導流罩結(jié)冰的風洞試驗[J].可再生能源，2013，31（6）：66-69.

[5]Hiromasa Kawai，Kazutoshi Michishita，et al.Design wind load on a wind turbine for strong winds[C].Aerodynamics & Applications，20-24，2008.

[6]COOK N J.A sensitive 6-component high-frequency -range balance for buliding aerodynamics[J].phys.E.Sci.Instrum，1983， 116：390-393.

[7]GB 50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版，2012.