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        小型風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)應(yīng)用與塔筒振動(dòng)試驗(yàn)

        2020-05-19 04:00:00汪建文米兆國(guó)趙元星
        可再生能源 2020年5期
        關(guān)鍵詞:塔筒風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)

        張 杲, 汪建文,2, 米兆國(guó), 趙元星

        (1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051; 2.風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)), 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

        0 前言

        作為新能源, 風(fēng)能在保護(hù)環(huán)境方面具有重要作用。 在早期國(guó)內(nèi)小型風(fēng)力機(jī)研究中,采用CFD等數(shù)值模擬技術(shù)研究居多,且多為定常工況。 王梟[1]利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)偏航下的工況進(jìn)行研究, 但缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)入流條件下的風(fēng)力機(jī)相關(guān)結(jié)論進(jìn)行支持。 周文平[2]采用三維非穩(wěn)態(tài)CFD 方法對(duì)風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)失速特性進(jìn)行分析,同時(shí)得出偏航條件下, 動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象會(huì)增加葉片動(dòng)態(tài)負(fù)荷的結(jié)論。 蔣祥增[3]研究了風(fēng)輪與塔架之間的動(dòng)態(tài)特性, 得出了風(fēng)輪上旋轉(zhuǎn)基頻及葉片上對(duì)稱與反對(duì)稱頻率在塔筒上振動(dòng)相關(guān)的結(jié)論。Cheng Z[4]對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性做了相關(guān)研究, 并得出相關(guān)翼型優(yōu)化結(jié)論。 陳濤[5]利用B&K 振動(dòng)測(cè)試技術(shù)對(duì)小型風(fēng)力機(jī)塔架的橫向、 軸向振動(dòng)進(jìn)行分析,并得出相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。 石磊[6]利用 GH Bladed對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行模擬仿真, 提出協(xié)同控制功率與載荷的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)控制策略,有效控制了偏航軸承的極限載荷, 提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量。 凌新梅[7]設(shè)計(jì)出了一種基于模型預(yù)測(cè)的新型偏航控制策略,該模型包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三閉環(huán)偏航控制系統(tǒng), 采用該模型預(yù)測(cè)偏航效果較好。 曹弘[8]通過(guò)仿真模糊控制偏航重啟對(duì)風(fēng)策略,在總偏航次數(shù)不變的前提下,增加功率增長(zhǎng)較快的中風(fēng)速區(qū)間發(fā)生偏航的次數(shù),從而保持較高功率輸出。 葉昭良[9]采用數(shù)值模擬方法, 在風(fēng)向非定常變化的條件下, 對(duì)風(fēng)輪的功率、推力系數(shù)等進(jìn)行分析,并得出風(fēng)輪整體載荷隨著偏航角度的增加而逐漸減小、 氣動(dòng)力系數(shù)變化波動(dòng)更大等規(guī)律; 同時(shí)得出關(guān)于動(dòng)態(tài)偏航下流場(chǎng)尾跡出現(xiàn)速度延遲、寬度逐漸增加等結(jié)論。

        目前,國(guó)內(nèi)外小型風(fēng)力機(jī)相關(guān)研究中,多采用CFD 等數(shù)值模擬軟件通過(guò)UDF 編譯來(lái)模擬風(fēng)速、風(fēng)向同時(shí)變化等動(dòng)態(tài)偏航下的實(shí)驗(yàn)工況。 實(shí)驗(yàn)多為靜態(tài)偏航,既先固定風(fēng)力機(jī)偏航角度,再進(jìn)行側(cè)風(fēng)條件下的風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn),無(wú)法達(dá)到風(fēng)速、風(fēng)向同時(shí)變化,與自然風(fēng)的變化有一定的差距。本文采用的裝有動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī), 在有直流風(fēng)的條件下可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、 風(fēng)向同時(shí)變化的動(dòng)態(tài)入流條件[10],[11]。

        1 工作原理與平臺(tái)結(jié)構(gòu)

        1.1 工作原理

        小型風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)工作環(huán)境為帶變頻器可調(diào)節(jié)風(fēng)速直流風(fēng)洞內(nèi), 通過(guò)四軸控制器輸出脈沖信號(hào)到帶驅(qū)動(dòng)器的高慣量伺服電機(jī), 進(jìn)而改變偏航平臺(tái)水平轉(zhuǎn)動(dòng), 最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)上的風(fēng)力機(jī)受到風(fēng)速、風(fēng)向同時(shí)變化的入流風(fēng)。動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)的工作流程如圖1 所示。

        圖1 動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)工作流程圖Fig.1 Platform flowchart

        1.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

        該平臺(tái)主要由變電模塊、控制模塊、偏航平臺(tái)模塊組成。 變電模塊負(fù)責(zé)為整套裝置提供穩(wěn)態(tài)電流。 控制模塊通過(guò)將變電模塊提供的電信號(hào)轉(zhuǎn)為脈沖信號(hào)提供給帶驅(qū)動(dòng)器的伺服電機(jī), 進(jìn)而改變偏航平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。偏航平臺(tái)模塊包括旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、底座和小型風(fēng)力機(jī)。

        1.3 平臺(tái)涉及的裝置及主要參數(shù)

        小型風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)主要涉及的裝置及技術(shù)參數(shù)、外形尺寸如表1 所示。

        表1 主要技術(shù)參數(shù)和外形尺寸Table 1 Main technical parameters and dimensions

        2 主體部件設(shè)計(jì)

        2.1 電機(jī)功率選型計(jì)算

        為滿足旋轉(zhuǎn)臺(tái)與實(shí)驗(yàn)工況基本要求, 考慮到市場(chǎng)上現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)臺(tái)型號(hào)與自身風(fēng)力機(jī)重量和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)系數(shù),以及電機(jī)最大轉(zhuǎn)速等參數(shù)的匹配,平臺(tái)參數(shù)如表2 所示。

        表2 平臺(tái)規(guī)格Table 2 Platform specification

        電機(jī)軸端等效慣量為

        式中:J1為旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,N·cm2;J2為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;J3為減速比。

        由表2 可知: 電機(jī)軸端等效慣量為1.8×10-4kg·m2;該平臺(tái)穩(wěn)定最大旋轉(zhuǎn)速度為 60 °/s,加速過(guò)程中角加速度恒定為∈,行程為3°;計(jì)算所得電機(jī)功率為770 W。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,計(jì)算所得設(shè)計(jì)功率需小于電機(jī)額定功率的0.8 倍。 因?qū)嶋H工況中不同風(fēng)載荷下對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片所產(chǎn)生的氣動(dòng)力影響很大,故設(shè)計(jì)功率小于額定功率0.3 倍,因此,本電機(jī)的額定功率為3 kW,相關(guān)主要計(jì)算公式為

        式中:θ,θ1分別為電機(jī)、 旋轉(zhuǎn)臺(tái)的行程度數(shù),rad;ω,ω1分別為電機(jī)、 旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度;ε 為角加速度,rad/s2;T 為轉(zhuǎn)矩,N·m;η 為滿載效率。

        2.2 平臺(tái)底座設(shè)計(jì)

        平臺(tái)(圖2)底座外形近似為四棱臺(tái),棱臺(tái)上底板為邊長(zhǎng)260 mm 的正方形鋼板,厚度為16 mm;平臺(tái)下底板為寬500 mm,長(zhǎng)600 mm 的矩形鋼板,厚度為16 mm。 上底板進(jìn)行攻絲打孔與旋轉(zhuǎn)臺(tái)采用螺絲連接,在下底板四周進(jìn)行打孔,留出固定螺栓位置,四周采用梯形鋼板進(jìn)行焊接。

        圖2 平臺(tái)底座設(shè)計(jì)與實(shí)物圖Fig.2 Platform base design and physical drawing

        3 測(cè)試方案及結(jié)果分析

        3.1 測(cè)試設(shè)備

        實(shí)驗(yàn)在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行, 在低速直流風(fēng)洞開口端進(jìn)行小型風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)下的塔筒模態(tài)振動(dòng)測(cè)試。 研究對(duì)象為裝有塔筒、 旋轉(zhuǎn)臺(tái)和底座的有、無(wú)動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī),兩者高度均為1.7 m,同時(shí)選用新制S 翼型葉片,葉片表面附有玻璃纖維,相比于木質(zhì)葉片強(qiáng)度更高,風(fēng)輪直徑為1.4 m。 采用東華振動(dòng)測(cè)試設(shè)備對(duì)塔架振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和分析,該套設(shè)備還包括收集單向、三向加速度信號(hào)的傳感器, 采集的振動(dòng)頻率為0~400 Hz。 通過(guò)NORMA5000 高精度功率分析儀檢測(cè)風(fēng)力機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速。

        3.2 測(cè)試方案

        3.2.1 偏航平臺(tái)靜模態(tài)測(cè)試

        測(cè)試方案包括無(wú)風(fēng)載荷條件和有風(fēng)載荷條件。 無(wú)風(fēng)載荷的模態(tài)測(cè)試為測(cè)量帶有偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī)的固有頻率, 并與無(wú)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī)的相關(guān)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。 考慮實(shí)驗(yàn)誤差,在有風(fēng)載荷條件下,通過(guò)實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)頻譜圖找出葉片旋轉(zhuǎn)基頻波峰,并與計(jì)算理論值相對(duì)比,并以此頻率分析塔筒振動(dòng)。 加速度傳感器布置于底座,豎直方向2 只,旋轉(zhuǎn)臺(tái)1 只,塔筒5 只。由于本實(shí)驗(yàn)須要測(cè)出風(fēng)力機(jī)整體的橫向和軸向振動(dòng),故在橫向及軸向均有等量傳感器, 加速度傳感器從下到上共16 只。

        3.2.2 偏航平臺(tái)動(dòng)態(tài)測(cè)試

        動(dòng)態(tài)測(cè)試主要包括對(duì)傳統(tǒng)不加偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒振動(dòng)測(cè)試與增加偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒振動(dòng)測(cè)試。 在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)工況下, 以不同風(fēng)速v(6,7,8,9 m/s)、不同尖速比 λ(4.5,5.0,5.5,6.0)及增加與非增加偏航平臺(tái)兩種風(fēng)力機(jī)共32 種工況,以此分析風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)基頻下裝有偏航平臺(tái)風(fēng)力機(jī)橫向振動(dòng)和軸向振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性。 以正對(duì)來(lái)流風(fēng)方向振動(dòng)為軸向振動(dòng), 垂直來(lái)流風(fēng)向振動(dòng)為橫向振動(dòng)。通過(guò)控制風(fēng)洞變頻器進(jìn)而改變風(fēng)速,傳感器收集到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)收集器進(jìn)入DHDAS 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行頻譜分析。

        3.3 測(cè)試結(jié)果分析

        3.3.1 模態(tài)測(cè)試結(jié)果分析

        采用模態(tài)力錘法, 對(duì)裝有新型偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)整機(jī)和傳統(tǒng)無(wú)偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)整機(jī) (塔筒直接與地面相連接)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)對(duì)比分析。經(jīng)分析可知:兩者的頻率變化主要集中在一階頻率,有偏航平臺(tái)比無(wú)偏航平臺(tái)一階頻率減少0.695 Hz,相當(dāng)于一階頻率減小5%;二階、三階頻率變化近似0.1%,可忽略不計(jì)。 造成該現(xiàn)象的主要原因是相比較二、三階頻率變化,一階頻率變化最為敏感,且有、無(wú)偏航平臺(tái)下的風(fēng)力機(jī)塔筒質(zhì)量發(fā)生改變,造成一階頻率的變化更為明顯。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 有、無(wú)偏航平臺(tái)參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of parameters with and without yaw

        3.3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果分析

        在實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)轉(zhuǎn)速n 與v、風(fēng)輪半徑R 及λ之間關(guān)系λ=πnR/30v 可知,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速除受風(fēng)輪自身半徑影響外,主要受v 與λ 影響。 因?yàn)槭峭桓比~片,故不考慮R 的影響。 因本文振動(dòng)頻率選擇振動(dòng)最大的旋轉(zhuǎn)基頻,故由轉(zhuǎn)速與基頻公式f=n/60 可得不同 v 和 λ 下的旋轉(zhuǎn)基頻(表 4)。

        表4 不同工況下風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)基頻Table 4 Wind wheel rotation fundamental frequency under different working conditions

        對(duì)數(shù)據(jù)分析可知:在v=6 m/s 時(shí),隨著λ 的增加,有、無(wú)偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒橫向、軸向振動(dòng)均增加, 其中裝有偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)均小于無(wú)偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒,且裝有偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒橫向振動(dòng)大于軸向振動(dòng),與無(wú)偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒振動(dòng)走勢(shì)相同;隨著λ 的增加,有、無(wú)偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒的相差振動(dòng)幅度也在增加,且變化明顯[圖3(a),(b)];在λ 相同的條件下,隨著風(fēng)速的增加,裝有偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒與無(wú)偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒振動(dòng)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì), 但增加幅度均小于無(wú)偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī);在風(fēng)速變化的過(guò)程中,裝有偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒振動(dòng)工況均小于無(wú)偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒振動(dòng)工況,在變風(fēng)速下,裝有偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒振動(dòng)與無(wú)偏航平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)塔筒橫向振動(dòng)與軸向振動(dòng)走勢(shì)接近相同[圖3(c),(d)]。

        圖3 有、無(wú)偏航平臺(tái)對(duì)塔架振動(dòng)影響Fig.3 Effect of yaw and no yaw on tower vibration

        4 結(jié)論

        本文對(duì)裝有動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī)塔筒與無(wú)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī)塔筒的軸向、 橫向振動(dòng)進(jìn)行了分析研究,得到以下結(jié)論。

        ①相比于傳統(tǒng)無(wú)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī),裝有動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī)塔筒的軸向、 橫向振動(dòng)更小,在實(shí)驗(yàn)時(shí)精度更高。

        ②在同風(fēng)速下,隨著尖速比的增加,裝有動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī)塔筒的軸向、 橫向振動(dòng)均增加, 但增加幅度明顯小于無(wú)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī)塔筒。

        ③在尖速比相同的條件下,隨著風(fēng)速的增加,裝有動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī)塔筒的軸向、橫向振動(dòng)同時(shí)增加,但增加幅度很小。

        ④裝有動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī)塔筒的橫向、 軸向振動(dòng)與無(wú)動(dòng)態(tài)偏航平臺(tái)的小型風(fēng)力機(jī)塔筒的振動(dòng)走勢(shì)大體相同, 對(duì)風(fēng)力機(jī)本身無(wú)額外影響。

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