水平軸風(fēng)力機(jī)模型測力試驗(yàn)研究

馬進(jìn)驍　李永貴　肖翅翔　李毅

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

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

中圖分類號： TU317+.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，但隨著經(jīng)濟(jì)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(diǎn)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(diǎn)[1]。風(fēng)能作為一種不污染環(huán)境，能源利用率高、蘊(yùn)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(fēng)力機(jī)葉片受到氣動(dòng)力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中葉片承受的氣動(dòng)力將通過葉根傳遞到風(fēng)力機(jī)輪轂[2]，因此對風(fēng)力機(jī)輪轂處風(fēng)荷載特性進(jìn)行研究有重要意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)荷載特性開展了部分研究。王偉峰[3]對小型水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行實(shí)體化設(shè)計(jì)完成了風(fēng)洞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)在來流風(fēng)速為12.5m/s時(shí)，試驗(yàn)機(jī)架振動(dòng)現(xiàn)象明顯，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大，風(fēng)洞振動(dòng)加劇，出現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)與風(fēng)洞的共振現(xiàn)象。李強(qiáng)[4]利用風(fēng)洞試驗(yàn)對小型水平軸風(fēng)力機(jī)的導(dǎo)流罩結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了空氣中的水滴含量和來流風(fēng)速是影響風(fēng)力機(jī)導(dǎo)流罩表面結(jié)冰的重要因素。Hiromasa Kawai和Kazutoshi Michishita等[5]基于兩個(gè)假設(shè)，提出了一種評估風(fēng)力機(jī)整體與葉片、塔架所受風(fēng)荷載的轉(zhuǎn)換方法。

本文以2.0MW主流機(jī)型為研究對象，進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的測力天平試驗(yàn)[6]，研究了不同風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下輪轂處風(fēng)荷載特性，可為類似的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

1.1 模型設(shè)計(jì)

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(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲饕獏?shù)見表1，表中：H1為風(fēng)力機(jī)模型總高度，H為輪轂高度，D為風(fēng)輪直徑，l為葉片長。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌鐖D1所示。

1.2 風(fēng)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(fēng)場，兩類風(fēng)場的風(fēng)速剖面、湍流度剖面、脈動(dòng)風(fēng)速譜與目標(biāo)值吻合較好，具體風(fēng)場特性如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 輪轂平均和脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)

體軸系坐標(biāo)系統(tǒng)如圖3所示：定義x軸向?yàn)檠仫L(fēng)輪掃掠面平行向，y軸向?yàn)檠仫L(fēng)輪掃掠面垂直向，z軸向?yàn)檠仫L(fēng)輪豎向向上，以風(fēng)輪掃掠面與風(fēng)向垂直時(shí)為0°風(fēng)向角。

在0°風(fēng)向角、0°槳距角時(shí)，7個(gè)不同風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下輪轂處y軸向、x軸向平均、脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)如圖4所示：隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速均勻增大，分別對應(yīng)的y軸向平均風(fēng)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(shí)，其值增大的幅度比較均勻，在180rpm至300prm時(shí)，增大幅度更明顯，曲線有略微“上揚(yáng)”趨勢，說明風(fēng)輪風(fēng)速的均勻增大，y軸向平均風(fēng)力系數(shù)呈現(xiàn)不均勻增大的現(xiàn)象。B類地貌各個(gè)轉(zhuǎn)速下的風(fēng)力系數(shù)與A類地貌之比的均值為94.2%（下同）;y軸向脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)隨著風(fēng)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(dòng)值比B類小;x軸向平均風(fēng)力系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的均勻增大，其風(fēng)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(dòng)風(fēng)力系數(shù)相比y軸向波動(dòng)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(fēng)力系數(shù)頻域分析

2.2.1 輪轂脈動(dòng)風(fēng)力功率譜

0°風(fēng)向角，0°槳距角，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為300rpm時(shí)，輪轂y軸向、x軸向脈動(dòng)風(fēng)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(gè)譜峰，這是由于模型剛度不足，其頻率處于來流風(fēng)荷載譜的頻率范圍內(nèi)，導(dǎo)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(gè)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(fēng)輪轉(zhuǎn)速對x軸向功率譜影響更大。實(shí)際工程中，由于慣性力的存在，輪轂風(fēng)力與慣性力合力的功率譜也會(huì)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(dòng)風(fēng)力相干性

0°風(fēng)向角，0°槳距角，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為300rpm時(shí)，輪轂處順—橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)力相干函數(shù)如圖6所示：對于常規(guī)高層建筑，順風(fēng)向風(fēng)力是由脈動(dòng)風(fēng)引起，橫風(fēng)向風(fēng)力由漩渦脫落而產(chǎn)生，順、橫方向受力機(jī)理不同，因此順-橫相關(guān)性小。但對于風(fēng)力機(jī)此類細(xì)長結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)動(dòng)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(fēng)輪轉(zhuǎn)速對順-橫方向相干性影響很大。B類地貌順—橫風(fēng)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(fēng)力機(jī)進(jìn)行了測力天平風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了風(fēng)力機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下輪轂處風(fēng)荷載特性，得到以下結(jié)論：

1）風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速呈規(guī)律性變化。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增大，兩個(gè)軸向的平均、脈動(dòng)風(fēng)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(dǎo)致x、y兩個(gè)軸向脈動(dòng)風(fēng)力功率譜均在折減頻率0.6處存在一個(gè)天平-模型共振引起的譜峰，折減頻率為0.4處存在一個(gè)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的譜峰。實(shí)際工程中，由于慣性力的存在，輪轂風(fēng)力與慣性力合力的功率譜也會(huì)存在類似的譜峰。

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

【參考文獻(xiàn)】

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

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

[4]李強(qiáng)，李巖，馮放.小型水平軸風(fēng)力機(jī)導(dǎo)流罩結(jié)冰的風(fēng)洞試驗(yàn)[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.