海洋工程試驗的浮式風力發(fā)電機模型設(shè)計

張 琦， 彭志科， 寇雨豐， 田新亮

(上海交通大學 a.機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室；b.海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

與陸上和近海相比，遠海風能風力更為穩(wěn)定和豐富，可開發(fā)區(qū)域更廣闊?；茉粗饾u枯竭，可再生能源的開發(fā)與利用變得愈發(fā)重要，由此各高校研究團隊與風電開發(fā)商加快了對大型海上浮式風力發(fā)電機的研究進程[1]。大型海上浮式風力發(fā)電機概念首先由Heronemus提出[2]，至20世紀90年代中期，該概念成為風力發(fā)電研究主流方向之一。浮式風力機運行處于復(fù)雜的動力學系統(tǒng)中，彈性風機系統(tǒng)受到風載荷、波浪與洋流載荷的聯(lián)合作用以及各載荷耦合作用影響，數(shù)值仿真的合理性與有效性需要可靠數(shù)據(jù)的支撐與驗證[3-5]。2007年，荷蘭Blue H科技公司在意大利海岸外21.3 km處布置了第1個漂浮式風力機，用于采集風浪環(huán)境下的測試數(shù)據(jù)。2009年，第1臺大容量浮式風力機Hywind在挪威北海投入運營，主要目的為收集浮式工況下轉(zhuǎn)子與葉片相關(guān)數(shù)據(jù)。然而，全尺寸風機試驗成本過高，且環(huán)境條件難以控制，結(jié)果較難觀測，因此結(jié)合海洋工程水池的縮比模型試驗成為浮式風力機研究與開發(fā)的重要手段。

自2009年開始，Goupee等開發(fā)了縮尺比為1∶50的NREL 5 MW風機模型，模型風機可獲取風輪轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、機艙運動數(shù)據(jù)，具備葉片主動變槳裝置。該模型風機結(jié)合海洋工程水池試驗進行了大量研究[4,6]，形成了較為完整的風機模型試驗理論[7]。此外，米蘭理工學院在傳統(tǒng)風機縮比模型試驗基礎(chǔ)上，通過實時控制6自由度平臺模擬波浪載荷對FOWT的運動效果，結(jié)合風洞試驗手段開發(fā)了混合測試方法(Hybrid/Hardware in Loop)[8]，并對模型葉片獨立變槳策略與氣動振動進行了測試[9]。

目前國內(nèi)FOWT相關(guān)試驗主要關(guān)注風機與浮式平臺系統(tǒng)的在風浪載荷聯(lián)合作用下的運動特性，如天津大學唐友剛教授團隊針對5 MW風機與半潛平臺的試驗研究[10]。上海交通大學胡志強教授團隊的5 MW風機模型試驗也更加側(cè)重于各種波浪載荷以及系泊力對風機系統(tǒng)的作用[11-12]，而對于運動情況下風輪的氣動載荷，流場特性試驗開展較少。因此設(shè)計開發(fā)關(guān)注風機氣動載荷的縮比模型試驗裝置、試驗方案對漂浮式風力機的研發(fā)與測試具有重要意義。

1 模型設(shè)計理論

為了能夠使模型試驗結(jié)果準確地反映實際風機在風浪載荷下的動力學響應(yīng)，模型試驗需嚴格遵守特定的相似準則[7]，包括模型與實際尺度幾何相似，運動相似與動力相似。幾何相似與運動相似定義了模型尺度下的空間與時間縮尺比；動力相似則保持對應(yīng)流場中作用力與慣性之比相同，不同種類載荷通過不同的流體力學無量綱數(shù)相等實現(xiàn)[13]。對于FOWT縮比模型同時受到波浪載荷與氣動載荷作用，在任意縮尺比λ>0條件下模型與實際流場的Froude數(shù)與Reynolds數(shù)不可能同時相等，因此無法同時滿足兩個流體作用相似[7]，故本試驗采用Froude數(shù)相似保持波浪載荷作用等效，并在后續(xù)試驗中對風輪氣動粘性力載荷進行修正。

FOWT模型試驗主要應(yīng)用Froude數(shù)相似，雖然Froude數(shù)模型并不能準確反映風機的全部受力，但是對于浮式風電系統(tǒng)，F(xiàn)roude數(shù)相似包含了大部分影響系統(tǒng)全局響應(yīng)的因素，風輪氣動力除外；然而應(yīng)用Reynolds數(shù)相似的氣動試驗方案則無法應(yīng)用于波浪力的模擬[14]。自由面波的Froude數(shù)定義為

式中：C為特征速度；L為特征尺度；g為重力加速度。模型與實際尺度下對滿足重力相似的Froude數(shù)相似條件為

Frp=Frm

對于風輪縮比，需保持模型與實際風機葉片葉尖速比(TSR)相似，

TSR=ΩR/u

式中:Ω為風輪轉(zhuǎn)速；R為葉尖半徑；u為風速。葉尖速比相似條件為

TSRp=TSRm

葉尖速比相似可保證在對應(yīng)縮尺風場與工況下模型與實際葉片各翼型截面來流攻角相同，若忽略雷諾數(shù)對氣動力的影響，則可保持模型與實尺度下風輪推力與轉(zhuǎn)矩相似。此外，葉尖速比相似也可準確模擬風輪自身偏差以及與風輪塔架間的氣動作用[15]。

由以上縮尺關(guān)系可推導(dǎo)縮比模型各量綱單位的縮尺因數(shù)如表1所示，其中，λ為尺寸縮尺比，考慮試驗水池為淡水環(huán)境，需修正淡水與海水密度不同對試驗結(jié)果的影響，設(shè)置海水與淡水密度之比為γ，取γ=1.025；L為線性長度，M為質(zhì)量，T表示時間。

表1 FOWT縮比模型試驗縮尺因數(shù)

2 風機模型設(shè)計

本試驗以NREL 5 MW參考風機作為原型風機，該風機系統(tǒng)研究資料豐富、可驗證性強。根據(jù)海洋工程水池試驗條件及其他裝置尺度限制，設(shè)置尺寸縮尺比λ=50。參考風機主要縮尺參數(shù)如表2所示。

2.1 葉片設(shè)計

風機模型葉片各截面翼型以5 MW原型風機[16]各截面翼型輪廓為基礎(chǔ)，經(jīng)縮比后進行易于加工的氣動參數(shù)等效化處理后擬合而成[14]，葉尖由于缺少原型數(shù)據(jù)，通過插值收縮葉尖翼型截面使葉尖端部平滑過渡收尾，翼型截面投影如圖1所示。

表2 參考風機與模型風機主要參數(shù)

圖1 葉片各截面翼型分布

2.2 機艙設(shè)計

模型機艙連接模型葉片與模型塔架，在滿足模型質(zhì)量精度的同時，需具備調(diào)節(jié)風輪轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。風輪主軸位置與傾角、風輪中心、輪轂直徑等參數(shù)由參考風機參數(shù)[16]嚴格縮尺轉(zhuǎn)子末端布置有伺服電機與行星齒輪減速器，可以控制風輪轉(zhuǎn)速；同時在轉(zhuǎn)子與風輪間布置獲取風輪驅(qū)動力矩的轉(zhuǎn)矩傳感器，機艙底部布置獲取機艙與塔架連接處載荷的六分力計；為獲取葉片在風場中受載情況，沿葉片軸向設(shè)計布置光纖光柵應(yīng)變計；由于光纖應(yīng)變計與轉(zhuǎn)子運動干涉，所以在機艙內(nèi)設(shè)置安裝單通道光纖滑環(huán)使光纖導(dǎo)通，并設(shè)計雙軸傳動方案連接轉(zhuǎn)子其他部分，通過一1∶1傳動比的定軸齒輪副連接；六分力計底部通過支架與塔筒連接。風機機艙模型滿足布置上述裝置前提下要求盡可能小巧，因此采用模型機艙一體化設(shè)計，提高機艙強度。另外，設(shè)計前端蓋用于齒輪傳動限位，設(shè)計光纖滑環(huán)限位器限制其轉(zhuǎn)動，設(shè)計光纖滑環(huán)連接器與主軸形成可拆卸連接。總體設(shè)計如圖2所示。

2.3 塔筒設(shè)計

傳統(tǒng)風機模型塔筒設(shè)計為滿足質(zhì)量、質(zhì)心與剛度相似的變截面金屬梁結(jié)構(gòu)[14]。此方法雖能在單方面較好模擬了塔架參數(shù)，但無法反映模型試驗工況下風輪與塔架間的氣動干擾——風機塔影效應(yīng)；此外，模型機艙處多布置傳感器，線束布置方式為綁縛于金屬塔架或懸吊在機艙外，線束的質(zhì)量與剛度對質(zhì)量較小的模型風機系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生了較大干擾[17]。因此，設(shè)計幾何相似的中空模型塔筒，并將線束布置于塔筒內(nèi)，使塔筒與線束整體滿足縮尺條件。參考風機縮比后模型塔架頂部外徑77.4 mm，底部外徑120 mm，設(shè)計質(zhì)量2.0 kg，為線束質(zhì)量提供足夠裕度，并在上下兩端設(shè)置連接件方便安裝。另在塔筒底部布置一六分力計采集塔筒下端受載情況。

圖2 模型風機機艙結(jié)構(gòu)布局

3 模型制造與參數(shù)校核

葉片模型設(shè)計縮比質(zhì)量為138.46 g，故葉片制造采用雙層碳纖維布中空沖囊成型工藝。首先制造玻璃鋼葉片外輪廓模具，鋪展碳纖維布與樹脂后在內(nèi)側(cè)將相同形狀聚合物內(nèi)囊充氣膨脹，同時對整體加熱固化，穩(wěn)定后抽出內(nèi)囊，形成強化中空葉片結(jié)構(gòu)(見圖3)。試驗采用的3根葉片質(zhì)量分別為141.3、142.2、142.6 g，與目標值偏差在3%之內(nèi)。

圖3 碳纖維模型葉片

機艙部分結(jié)合設(shè)計要求與模型載荷范圍，選取TECHSERVO CBL3660電動機作轉(zhuǎn)速及負載控制，選取Princetel單通道光纖滑環(huán)連接光纖光柵應(yīng)變計，選取HBM T22(量程2.0 N·m)轉(zhuǎn)矩傳感器測量風輪端轉(zhuǎn)矩，選取KYOWA LAT-1030KA-2六分力計測量機艙處各方向受載。選取薄壁軸承與尼龍齒輪作為支承與傳動結(jié)構(gòu)，其他機械結(jié)構(gòu)采用7075鋁合金進行加工，確保模型制造滿足質(zhì)量要求，并提供足夠強度，模型裝配如圖4所示。

塔筒制造采用碳纖維復(fù)合材料滾筒成型工藝完成，在塔筒上下兩端預(yù)埋鋁合金接環(huán)，頂部與模型機艙連接，底部設(shè)置接口測力裝置采集塔筒根部受載。兩端金屬件均設(shè)置鏤空端口方便各線纜穿過。

圖4 模型機艙裝配

表3、4給出了模型設(shè)計與實際參數(shù)對比，其中各質(zhì)量參數(shù)均比設(shè)計值略小，為水池試驗?zāi)Ｐ偷馁|(zhì)量與重心匹配預(yù)留了充足余量，試驗時通過增加鐵砂配重的方式補償；尺寸參數(shù)誤差較小，符合幾何相似縮尺法則(見圖5)。

表3 模型設(shè)計質(zhì)量參數(shù)校核

表4 模型設(shè)計結(jié)合參數(shù)校核

(a)(b)(c)

圖5 參考風機外觀(a)、模型風機設(shè)計(b)與模型實物(c)

4 結(jié) 語

本試驗?zāi)Ｐ鸵訬REL 5MW為原型，設(shè)計與制造嚴格遵守了Froude數(shù)相似與幾何相似為基礎(chǔ)的縮尺定律，結(jié)合風輪葉尖速比相似，保障了試驗的有效性與可靠性。模型可采集風機在風場作用下的風輪轉(zhuǎn)速、風輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、機艙受力、葉片各部位變形與受載等參數(shù)，可用于高精度風機氣動響應(yīng)試驗研究與浮式風力發(fā)電機海洋工程水池試驗研究。目前結(jié)合人工造風系統(tǒng)與6自由度運動平臺，已對該模型在不同姿態(tài)下對不同來流風速的氣動推力與轉(zhuǎn)矩進行了研究，并結(jié)合多通道熱線風速儀實現(xiàn)了對不同工況下風機尾流的測量。然而對于Froude數(shù)相似風場下風機葉片由于Reynolds數(shù)差異較大而導(dǎo)致的葉片氣動力誤差，將在后續(xù)研究中進行分析討論。