摘 要：該文在風(fēng)洞中構(gòu)建出兩種平均風(fēng)切變指數(shù)和湍流強(qiáng)度的大氣邊界層風(fēng)場，并開展均勻來流和大氣邊界層條件下風(fēng)力機(jī)載荷及功率特性的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：風(fēng)力機(jī)偏航運(yùn)行時(shí)，機(jī)組軸向載荷減小，疲勞載荷增大，隨著偏航角增大，風(fēng)輪功率系數(shù)減小，最優(yōu)葉尖速比降低。在大氣邊界層來流條件下，風(fēng)輪平均傾覆力矩系數(shù)和功率系數(shù)較均勻來流增大，機(jī)組疲勞載荷、極端載荷，及輸出功率的非定常特性顯著增加，且功率系數(shù)的概率分布更符合高斯分布。此外，風(fēng)輪功率系數(shù)頻譜與大氣邊界層來流速度頻譜存在一定程度的關(guān)聯(lián)性，在耦合區(qū)間出現(xiàn)[Φp/Φu～f -2]的冪率關(guān)系。而功率系數(shù)頻譜在超過約3倍轉(zhuǎn)頻后基本維持水平趨勢，表明湍流來流與輸出功率的調(diào)制作用在該頻率處開始解耦，解耦后風(fēng)力機(jī)功率輸出受湍流來流的影響較弱，其功率譜響應(yīng)主要取決于風(fēng)輪的自身特性。

關(guān)鍵詞：水平軸風(fēng)力機(jī)；大氣邊界層；湍流；功率；載荷；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TK89" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在“雙碳”戰(zhàn)略和風(fēng)電成本控制的雙重需求下，風(fēng)力機(jī)尺寸被不斷加大以降低風(fēng)能利用成本。以1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣邊界層厚度（Hs=1000 m）為參考，當(dāng)前風(fēng)力機(jī)高度占標(biāo)準(zhǔn)大氣邊界層厚度的26%，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到大氣邊界層厚度的34%。隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化發(fā)展，大氣邊界層對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響越來越強(qiáng)烈，其中風(fēng)剪切特性使風(fēng)力機(jī)葉片經(jīng)受不對(duì)稱的表面壓力變化，進(jìn)而引起機(jī)組功率波動(dòng)和不對(duì)稱載荷［1］；湍流來流對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的影響更為顯著，其引起的風(fēng)力機(jī)負(fù)荷已被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組20年設(shè)計(jì)壽命準(zhǔn)則需要充分考慮的重要因素［2］，同時(shí)Veers等［3］將大氣湍流與風(fēng)電場的流動(dòng)交互作用機(jī)理視為風(fēng)力機(jī)面臨的三大挑戰(zhàn)之一。因此，量化大氣邊界層中機(jī)組功率和載荷的非定常變化，進(jìn)一步理解湍流來流與風(fēng)力機(jī)的相互作用，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和風(fēng)場的控制策略改進(jìn)有重要意義。

風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在大氣邊界層中會(huì)受到強(qiáng)風(fēng)切變和高湍流水平的影響［4］，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了大量研究。田偉等［5］基于風(fēng)洞試驗(yàn)研究大氣邊界層條件下風(fēng)力機(jī)的載荷特性，發(fā)現(xiàn)來流剪切特性影響機(jī)組的時(shí)均載荷大小，湍流強(qiáng)度主導(dǎo)機(jī)組的疲勞荷載行為；李德順等［6］采用大渦模擬耦合致動(dòng)線的方法，構(gòu)建大氣邊界層和風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)耦合求解模型，發(fā)現(xiàn)大氣湍流會(huì)引起風(fēng)力機(jī)載荷的非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；Dimitrov等［7］指出風(fēng)力機(jī)的疲勞損壞主要是由湍流引起。另外，大氣邊界層來流的湍流特性使風(fēng)力機(jī)的功率輸出呈現(xiàn)強(qiáng)烈的波動(dòng)特性［8-10］。在丹麥Horns Rev海上風(fēng)電場發(fā)現(xiàn)，湍流強(qiáng)度變化1%時(shí)，功率變化0.98%～1.40%［11］，在德國Alpha Ventus風(fēng)電場發(fā)現(xiàn)，高湍流時(shí)風(fēng)輪功率比低湍流時(shí)的高15%，在特定風(fēng)速區(qū)間內(nèi)功率差甚至高達(dá)20%［12］。Nandi等［13］分析GE 1.5 MW 風(fēng)力機(jī)對(duì)外場大氣湍流的非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)功率對(duì)大尺度的湍流相干結(jié)構(gòu)反應(yīng)強(qiáng)烈。文獻(xiàn)［14-15］表明風(fēng)力機(jī)功率受到湍流來流的非線性調(diào)制，湍流來流的功率譜Φu與風(fēng)力機(jī)功率的功率譜[Φp]的比值存在[Φp/Φu～f?2]的冪率關(guān)系，而楊從新等［16］開展外場實(shí)驗(yàn)，利用遙感測試技術(shù)研究大氣邊界層湍流尺度對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)功率波動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)湍流來流速度譜與風(fēng)力機(jī)功率譜的耦合區(qū)間出現(xiàn)[Φp/Φu～f?4]的冪率關(guān)系。綜上，風(fēng)力機(jī)的輸出功率依賴于大氣邊界層中的湍流特性，但湍流來流與輸出功率間的關(guān)系并不明確。

本文在風(fēng)洞中構(gòu)建大氣邊界層風(fēng)場并開展風(fēng)力機(jī)載荷及功率特性的實(shí)驗(yàn)研究，量化大氣邊界層來流對(duì)風(fēng)輪非定常特性的影響規(guī)律，同時(shí)通過分析輪轂處來流風(fēng)速與功率系數(shù)的頻譜特性，探究湍流與風(fēng)力機(jī)輸出功率的耦合特性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

基于蘭州理工大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞開展風(fēng)力機(jī)載荷及功率特性的實(shí)驗(yàn)研究，該風(fēng)洞試驗(yàn)段長度為17 m，橫截面大小為2.0 m×2.0 m，最大設(shè)計(jì)測量風(fēng)速為35 m/s，風(fēng)洞湍流度約為1%。

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)模型為具有廣泛代表性的水平軸三葉片機(jī)組，風(fēng)輪直徑為0.8 m，輪轂高度為0.6 m，從上游看風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。將風(fēng)輪與一臺(tái)50 W的小型發(fā)電機(jī)連接，并通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值給發(fā)電機(jī)施加電負(fù)荷來控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速大小由霍爾傳感器測量，測量頻率為200 Hz。在風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)之間加裝轉(zhuǎn)矩儀用于測量風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，其量程為2 N·m，采樣頻率同為200 Hz。風(fēng)輪功率系數(shù)[CP]由轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算而得，如式（1）所示。在風(fēng)輪塔筒底部固定六分量天平用于機(jī)組載荷測量，測量頻率為1000 Hz，測量時(shí)間為100 s。試驗(yàn)中主要分析風(fēng)力機(jī)傾覆力矩系數(shù)[CM]的變化情況，其定義如式（2）所示。

[CP=Qω0.5ρU3hubπR2] （1）

[CM=M0.5ρU2hubπR2Zhub] （2）

式中：[Q]——風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，N·m；[ω]——風(fēng)輪角速度，rad/s；[ρ]——空氣密度，kg/m3；[Uhub]——輪轂高度處的風(fēng)速，m/s；[R]——風(fēng)輪半徑，m；[M]——傾覆力矩，N·m；[Zhub]——風(fēng)輪輪轂高度，m。

實(shí)驗(yàn)風(fēng)輪的葉片材料為光敏樹脂，通過3D打印生成，截面翼型選用具有高升阻比的S1020翼型，葉片參數(shù)如圖2所示。其中葉片翼型的最大弦長為97.4 mm，最小弦長為32.8 mm，最大扭角為19.66°，最小扭角為0.99°。

如圖3所示，通過在風(fēng)洞中布置不同尺寸的尖劈、擋板及不同數(shù)量的粗糙元構(gòu)建出兩種平均風(fēng)切變指數(shù)和湍流強(qiáng)度的大氣邊界層風(fēng)場，其中，尖劈呈梯形狀，數(shù)量為3塊，將其與鋁型材連接并固定于風(fēng)洞中，擋板緊挨著風(fēng)洞底板固定于尖劈上，其寬度與風(fēng)洞試驗(yàn)段寬度一致，粗糙元為大（0.09 m×0.09 m×0.15 m）、中（0.06 m×0.06 m×0.10 m）、?。?.04 m×0.04 m×0.05 m）3種尺寸的長方體，由高到低交錯(cuò)排列于風(fēng)洞地板上。邊界層Ⅰ中，尖劈尺寸為0.13 m（上底）×0.23 m（下底）×1.9 m（高），擋板高度為0.08 m，與風(fēng)輪模型的距離為7 m，粗糙元布置于距風(fēng)輪前6.3～2.5 m的區(qū)域內(nèi)，其中，中粗糙元的數(shù)量為42個(gè)，小粗糙元的數(shù)量為120個(gè)；邊界層Ⅱ中，尖劈尺寸為0.08 m（上底）×0.27 m（下底）×1.9 m（高），擋板高度為0.14 m，與風(fēng)輪模型的距離為5.5 m，粗糙元布置于距風(fēng)輪前5～0.5 m的區(qū)域內(nèi)，其中大粗糙元的數(shù)量為20個(gè)，中粗糙元的數(shù)量為42個(gè)，小粗糙元的數(shù)量為250個(gè)。

風(fēng)剪切剖面通常用指數(shù)率表示，如式（3）所示，湍流強(qiáng)度計(jì)算如式（4）所示。

[UUhub=zzhubα] （3）

[Iu=σuU] （4）

式中：[z]——任一高度，m；[U]——任一高度處的平均速度，m/s；[α]——風(fēng)剪切指數(shù)；[σu]——脈動(dòng)速度的標(biāo)準(zhǔn)差，m/s。

實(shí)驗(yàn)中，采用航華CTA-04 Pro熱線風(fēng)速儀和直徑為5 μm的單絲探針來測量來流瞬時(shí)風(fēng)速，采樣頻率為5000 Hz。測量前通過空氣壓縮機(jī)和變頻器連接CR04標(biāo)定器對(duì)探針進(jìn)行標(biāo)定，將11個(gè)不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)電壓輸出值通過串口通訊的方式傳輸給上位機(jī)，并用4次多項(xiàng)式曲線擬合標(biāo)定數(shù)據(jù)，得到電壓與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系。測量時(shí)將探針固定于風(fēng)洞中并保證探針與來流方向平行，同時(shí)借助風(fēng)洞中的三維移測架對(duì)熱線探針進(jìn)行移動(dòng)定位，移側(cè)架可實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向的平穩(wěn)移動(dòng)，其可控制的最小移動(dòng)距離為0.1 mm，如圖4所示。

空風(fēng)洞中來流的湍流強(qiáng)度較低，將其默認(rèn)為均勻來流。設(shè)置輪轂高度處的風(fēng)速為6、8 m/s，測量兩種邊界層條件下風(fēng)輪所在平面處的平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度剖面，結(jié)果如圖5所示。其中邊界層Ⅰ中風(fēng)剖面測量值符合[α]為0.15的指數(shù)率，近似于中國規(guī)范給出的B類地貌，輪轂中心處的湍流強(qiáng)度約為13%。邊界層Ⅱ中風(fēng)剖面測量值符合[α]為0.23的指數(shù)率，近似于中國規(guī)范給出的C類地貌，輪轂中心處的湍流強(qiáng)度約為20%。

1.2 風(fēng)能含量對(duì)比

為對(duì)比均勻來流和大氣邊界層條件下機(jī)組的功率和載荷特性，需先明確3種來流條件下風(fēng)輪掃掠面積內(nèi)的風(fēng)能含量。如圖6所示，參考文獻(xiàn)［17］對(duì)風(fēng)輪掃掠面積進(jìn)行積分，表示為：

[A0=HBHT2R2-HB+R-h2·dh] （6）

式中：[h]——風(fēng)輪平面內(nèi)的某點(diǎn)距離地面的高度，m；[HT]——風(fēng)輪掃掠面的頂部離地面的高度，m；[HB]——風(fēng)輪掃掠面的底部離地面的高度，m。

考慮風(fēng)剪切效應(yīng)，則風(fēng)輪掃掠面積內(nèi)的風(fēng)能含量表示為：

[P0=ρU3hub·HBHThHhub3αR2-HB+R-h2·dh] （7）

經(jīng)計(jì)算可知，平均風(fēng)速為6 m/s時(shí)，均勻來流、邊界層Ⅰ和邊界層Ⅱ條件下風(fēng)輪掃掠面積內(nèi)的風(fēng)能含量分別為54.28、53.48和53.60 W，平均風(fēng)速為8 m/s時(shí)，3種來流條件下風(fēng)輪掃掠面積內(nèi)的風(fēng)能含量分別為128.68、126.76和127.05 W，即平均風(fēng)速為6和8 m/s時(shí)，3種來流條件下的風(fēng)能含量基本相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 載荷特性

均勻來流條件下，風(fēng)速為6和8 m/s時(shí)風(fēng)輪在不同偏航角下傾覆力矩系數(shù)隨葉尖速比的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知，2種風(fēng)速下，不同偏航角時(shí)的風(fēng)輪載荷變化趨勢相似，隨著葉尖速比增大，平均傾覆力矩系數(shù)也逐漸增大，這是因?yàn)槿~片的合速度會(huì)隨著葉尖速比的增大而增大，對(duì)應(yīng)葉片所受的來流方向上的力也相應(yīng)增大。另外，隨著偏航角逐漸增大，由于風(fēng)輪在軸流方向的風(fēng)能含量減小，機(jī)組所受傾覆力矩系數(shù)也逐漸減小。當(dāng)葉尖速比為4.25時(shí)，2種風(fēng)速下，機(jī)組在偏航角為40°時(shí)平均傾覆力矩系數(shù)分別為0.41和0.38，為對(duì)應(yīng)偏航角時(shí)的66%和65%。

圖8為不同葉尖速比時(shí)機(jī)組在不同偏航角下傾覆力矩系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比。由圖8可知，同平均傾覆力矩系數(shù)一樣，隨著葉尖速比增大，傾覆力矩系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差也逐漸增大。當(dāng)機(jī)組偏航運(yùn)行時(shí)，由于葉片各截面翼型攻角隨方位角變化呈近似正余弦的規(guī)律波動(dòng)［18］，導(dǎo)致葉片表面氣動(dòng)力發(fā)生周期性波動(dòng)，因此隨著偏航角逐漸增大，機(jī)組所受載荷的脈動(dòng)特性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)葉尖速比為4.25時(shí)，2種風(fēng)速下，機(jī)組在偏航角為40°時(shí)所受傾覆力矩系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.17和0.32，為對(duì)應(yīng)0°偏航角時(shí)的1.42和1.45倍。表明風(fēng)輪運(yùn)行在偏航工況下時(shí)，機(jī)組軸向載荷減小，疲勞載荷增大。

均勻來流和大氣邊界層條件下機(jī)組平均傾覆力矩系數(shù)的對(duì)比如圖9所示。由圖9可知，大氣邊界層來流條件下，風(fēng)輪傾覆力矩系數(shù)相較于均勻來流增大，尤其是高葉尖速比工況?？紤]到3種來流條件下風(fēng)輪掃掠面積內(nèi)的風(fēng)含能量基本相同，表明大氣邊界層來流的湍流特性增大機(jī)組的載荷特性，文獻(xiàn)［17］也得到相似的結(jié)論。

風(fēng)速為8 m/s、葉尖速比為4.25時(shí)，均勻來流和大氣邊界層條件下機(jī)組所受傾覆力矩系數(shù)的時(shí)域曲線如圖10所示。由圖10可知，機(jī)組在3種來流條件下所受風(fēng)載荷均呈現(xiàn)出高度的非定常特性，其中，均勻來流時(shí)機(jī)組所受傾覆力矩系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.21，機(jī)組所受極端傾覆力矩系數(shù)約為1.0，而邊界層Ⅰ和邊界層Ⅱ來流條件下機(jī)組所受傾覆力矩的標(biāo)準(zhǔn)差為0.32和0.38，機(jī)組所受極端傾覆力矩系數(shù)約為1.50和1.75，表明大氣邊界層條件下機(jī)組的疲勞載荷和極端載荷會(huì)顯著增加。因此，風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)關(guān)注機(jī)組的疲勞載荷和極端載荷問題。圖11展示均勻來流和大氣邊界層條件時(shí)機(jī)組所受傾覆力矩系數(shù)的功率譜特性，其中功率譜密度采用直接法實(shí)現(xiàn)。由圖可知，在均勻來流條件下，機(jī)組傾覆力矩系數(shù)在1倍、2倍及3倍轉(zhuǎn)頻時(shí)均出現(xiàn)明顯峰值，表明此時(shí)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)為載荷波動(dòng)的主要能量來源。大氣邊界層條件下傾覆力矩系數(shù)在中低頻區(qū)域的脈動(dòng)能量較均勻來流增大，同時(shí)在轉(zhuǎn)頻及諧波頻率處出現(xiàn)更寬的峰值區(qū)域，尤其是3倍轉(zhuǎn)頻處，表明大氣邊界層來流與風(fēng)輪的相互作用調(diào)制了載荷譜的中低頻響應(yīng)，同時(shí)增大了風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組更大的動(dòng)態(tài)載荷。

2.2 功率特性

均勻來流條件下，風(fēng)速為6和8 m/s時(shí)風(fēng)輪在不同偏航角下功率系數(shù)隨葉尖速比的變化規(guī)律如圖12所示。由圖可知，隨著葉尖速比增大，風(fēng)輪功率系數(shù)先增大至最優(yōu)值后再逐漸減小，當(dāng)偏航角為0°、10°、20°、30°和40°時(shí)，6 m/s來流風(fēng)速下風(fēng)輪功率系數(shù)的最優(yōu)值分別為0.263、0.242、0.216、0.174和0.154，對(duì)應(yīng)最優(yōu)葉尖速比分別為4.259、4.251、4.020、3.996和3.971；8 m/s來流風(fēng)速下風(fēng)輪功率系數(shù)的最優(yōu)值分別為0.272、0.249、0.229、0.193、0.156，對(duì)應(yīng)最優(yōu)葉尖速比分別為4.262、4.229、4.011、4.032和3.760，表明隨著偏航角增大，風(fēng)輪功率系數(shù)減小，最優(yōu)葉尖速比降低。

圖13為均勻來流和大氣邊界層條件下風(fēng)輪功率系數(shù)的對(duì)比，由圖可得，平均風(fēng)速為6 m/s時(shí)，邊界層Ⅰ來流中風(fēng)輪功率系數(shù)在葉尖速比為4.47時(shí)達(dá)到最優(yōu)值0.301，邊界層Ⅱ來流中風(fēng)輪功率系數(shù)在葉尖速比為4.43時(shí)達(dá)到最優(yōu)值0.306；平均風(fēng)速為8 m/s時(shí)，邊界層Ⅰ來流中風(fēng)輪功率系數(shù)在葉尖速比為4.54時(shí)達(dá)到最優(yōu)值0.309，在邊界層Ⅱ來流中風(fēng)輪功率系數(shù)在葉尖速比為4.52時(shí)達(dá)到最優(yōu)值0.314，表明大氣邊界層來流條件下風(fēng)輪功率系數(shù)和最優(yōu)葉尖速比較均勻來流增大。

圖14a、圖14b、圖14c分別展示了8 m/s風(fēng)速下，葉尖速比為4.25時(shí)3種來流條件下風(fēng)輪功率系數(shù)的概率分布直方圖，其中紅色曲線為高斯函數(shù)擬合曲線。如圖所示，均勻來流條件下功率系數(shù)基本趨于穩(wěn)定，邊界層Ⅰ中功率系數(shù)的主要變化范圍在0.27～0.35之間，邊界層Ⅱ中功率系數(shù)的主要變化范圍在0.24～0.37之間，表明大氣邊界層來流中風(fēng)力機(jī)輸出功率的非定常特性增強(qiáng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)大氣邊界層條件下風(fēng)輪功率系數(shù)的概率分布更符合高斯分布，這是由于在大氣邊界層中風(fēng)速的分布符合高斯分布，進(jìn)一步表明風(fēng)輪的輸出功率與來流風(fēng)特性密切相關(guān)。圖14d展示了3種來流條件下風(fēng)輪功率系數(shù)的頻譜特性，由于大氣邊界層來流中湍流強(qiáng)度的增加，其風(fēng)輪功率系數(shù)對(duì)應(yīng)的譜能量密度較均勻來流顯著增大，尤其是中低頻區(qū)域。同時(shí)受風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的影響，3種來流條件下的功率譜密度均在1倍和3倍轉(zhuǎn)頻時(shí)出現(xiàn)明顯峰值，表明功率波動(dòng)以周期性脈動(dòng)為主。

為進(jìn)一步描述湍流來流與風(fēng)輪功率輸出的關(guān)系，以邊界層Ⅰ為例，分析輪轂處來流風(fēng)速與功率系數(shù)的頻譜特性，如圖15所示。由圖可知，來流速度譜在慣性子區(qū)遵循[-5/3]斜率，體現(xiàn)出大氣邊界層中存在的能量級(jí)聯(lián)過程，而功率系數(shù)譜呈現(xiàn)出[-11/3]的斜率，即湍流來流與風(fēng)力機(jī)功率的耦合區(qū)間出現(xiàn)[Φp/Φu～f -2]的冪率關(guān)系，表明功率系數(shù)譜與來流速度譜存在一定程度的關(guān)聯(lián)性，風(fēng)力機(jī)功率波動(dòng)受湍流來流中能量級(jí)串的強(qiáng)烈影響，并受到來流中低頻相干湍流結(jié)構(gòu)的調(diào)制。功率系數(shù)譜在超過約3倍轉(zhuǎn)頻后基本維持水平趨勢，表明湍流來流與輸出功率的調(diào)制作用開始解耦，解耦后風(fēng)力機(jī)功率輸出受湍流來流的影響較弱，其功率譜響應(yīng)主要取決于風(fēng)輪的自身特性。

3 結(jié) 論

在風(fēng)洞中布置不同尺寸的尖劈、擋板及不同數(shù)量的粗糙元構(gòu)建出2種平均風(fēng)切變指數(shù)和湍流強(qiáng)度的大氣邊界層風(fēng)場，開展均勻來流和大氣邊界層條件下風(fēng)力機(jī)載荷及功率特性的實(shí)驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論：

1）在均勻來流條件下，隨著葉尖速比增大，機(jī)組平均傾覆力矩系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大，風(fēng)輪功率系數(shù)先增大至最優(yōu)值后再逐漸減小。風(fēng)輪運(yùn)行在偏航工況下時(shí)，機(jī)組軸向載荷減小，疲勞載荷增大，隨著偏航角增大，風(fēng)輪功率系數(shù)減小，最優(yōu)葉尖速比降低。

2）大氣邊界層來流條件下，風(fēng)輪平均傾覆力矩系數(shù)、機(jī)組疲勞載荷和極端載荷相較于均勻來流增大，且大氣邊界層來流與風(fēng)輪的相互作用調(diào)制傾覆力矩系數(shù)譜的中低頻響應(yīng)，同時(shí)增大風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組更大的動(dòng)態(tài)載荷。

3）大氣邊界層來流條件下風(fēng)輪功率系數(shù)和最優(yōu)葉尖速比較均勻來流增大。同時(shí)大氣邊界層來流中風(fēng)力機(jī)輸出功率的非定常特性增強(qiáng)，功率系數(shù)的概率分布更符合高斯分布。

4）大氣邊界層條件下，來流速度譜在慣性子區(qū)遵循-5/3斜率，而功率系數(shù)譜呈現(xiàn)出-11/3的斜率，表明大氣邊界層來流與風(fēng)力機(jī)功率的耦合區(qū)間出現(xiàn)Φp/Φu～f -2的冪率關(guān)系。大氣邊界層來流與輸出功率的調(diào)制作用在約3倍轉(zhuǎn)頻時(shí)開始解耦，解耦后風(fēng)力機(jī)功率輸出受大氣邊界層來流的影響較弱，其功率譜響應(yīng)主要取決于風(fēng)輪的自身特性。

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EXPERIMENTAL STUDY OF WIND TURBINE LOAD AND POWER CHARACTERISTICS IN ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER

Guo Xingduo1， Li Yinran1，2，Li Rennian1，2，Wei Kui1，Ma Qingdong1

（1. School of Energy and Power Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China；

2. Gansu Provincial Technology Center for Wind Turbines， Lanzhou 730050， China）

Abstract：In this study， two atmospheric boundary layer wind fields characterized by mean wind shear index and turbulence intensity were generated in wind tunnel. Subsequently， the load and power characteristics of wind turbines were experimentally investigated under uniform incoming flow and generated atmospheric boundary layer conditions. The results show that the axial load of the wind turbine decreases， while the fatigue load increases when it is yawing. Additionally， the turbine power coefficient and optimal tip velocity ratio both decrease as the yaw angle increases. Under the inflow condition of the atmospheric boundary layer， both the mean bending moment coefficient and power coefficient of the wind turbine exhibit an increase compared to the uniform inflow condition， The fatigue load， extreme load and unsteady characteristics of output power increase significantly， and the probability distribution of power coefficient aligns more closely with a Gaussian distribution. Additionally， the wind turbine power coefficient spectrum exhibits a certain level of correlation with the atmospheric boundary layer incoming velocity spectrum， and within the coupling interval， there exists a power rate relationship of [Φp/Φu～f -2]. When the frequency exceeds approximately three times the rotation frequency， the power coefficient spectral curve exhibits a predominantly horizontal trend， indicating the decoupling of modulation effects between turbulent incoming flow and power output. Following this decoupling， wind turbine power output is minimally influenced by turbulent incoming flow， with its spectral response primarily dependent on wind turbine characteristics.

Keywords：horizontal axis wind turbines； atmospheric boundary layer； turbulence； power; load; wind tunnel experiment