大型三槳葉上風(fēng)力機(jī)風(fēng)剪切塔影效應(yīng)的分析

大型三槳葉上風(fēng)力機(jī)風(fēng)剪切塔影效應(yīng)的分析

0風(fēng)輪掃掠面處不同葉片將風(fēng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)器能，這是風(fēng)動(dòng)機(jī)的主要部件。其他部件的負(fù)荷主要是由葉片引起的。隨著風(fēng)力機(jī)向大型化的趨勢(shì)發(fā)展,風(fēng)力機(jī)塔架越來(lái)越高,葉片半徑越來(lái)越長(zhǎng),這種情況下風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響也越發(fā)顯著。由于風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)的存在,風(fēng)速值在整個(gè)風(fēng)輪掃掠面上處處不同,從而加劇了葉片在風(fēng)輪掃掠面上所受到的空氣動(dòng)力載荷的周期性變化。作用在風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩是風(fēng)輪軸功率的來(lái)源,它由葉片擺振方向載荷合成生成。由于作用于風(fēng)輪葉片上的周期性氣動(dòng)載荷會(huì)引起葉片的動(dòng)響應(yīng),而此響應(yīng)又反饋于外部氣動(dòng)載荷,使得本就復(fù)雜的風(fēng)力機(jī)振動(dòng)、疲勞、動(dòng)力穩(wěn)定性等問(wèn)題變得更加復(fù)雜且不容忽視。同時(shí)對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言,其輸出電壓和輸出功率也存在一定波動(dòng),輸出電能的品質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生一定影響。目前,對(duì)于多兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō),風(fēng)力機(jī)功率控制一般都是采用輪轂離地高度處風(fēng)速或平均風(fēng)速作為單一的計(jì)算風(fēng)速。這種控制方式隨風(fēng)力機(jī)容量的增大越發(fā)不合時(shí)宜。根據(jù)每個(gè)葉片所受載荷不同,對(duì)每個(gè)葉片進(jìn)行獨(dú)立控制,這將是風(fēng)力機(jī)功率控制技術(shù)的一大發(fā)展方向。本文在考慮風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)前提下,對(duì)大型三槳葉上風(fēng)向水平軸風(fēng)力機(jī)所受風(fēng)速進(jìn)行了動(dòng)態(tài)建模,并在此基礎(chǔ)上對(duì)一臺(tái)2MW風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力載荷和功率進(jìn)行了詳細(xì)地計(jì)算和分析。1塔影效應(yīng)風(fēng)速模型大型三槳葉上風(fēng)向水平軸風(fēng)力機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1。通常風(fēng)剪切是指風(fēng)速隨垂直高度的變化,塔影效應(yīng)是指風(fēng)遇到塔架堵塞改變大小和方向的變化,二者本質(zhì)上都是一個(gè)周期性變化過(guò)程。造成風(fēng)剪切現(xiàn)象的原因有動(dòng)力因素和熱力因素,前者主要來(lái)源于地面的摩擦效應(yīng),即地面的粗糙度;后者主要表現(xiàn)為與近地層大氣垂直穩(wěn)定度的關(guān)系。風(fēng)剪切時(shí)風(fēng)速計(jì)算常用的是指數(shù)模型,如式(1):V(z)=Vh(zh)α(1)V(z)=Vh(zh)α(1)式中,V(z)——離地高度為z處的風(fēng)速;Vh——輪轂離地高度處風(fēng)速;h——輪轂離地高度;α——風(fēng)剪切系數(shù);z——離地垂直高度。式(1)還可寫成葉片微元半徑距離r和方位角θ的形式:W(r,θ)是風(fēng)剪切效應(yīng)對(duì)風(fēng)速施加的變化擾動(dòng),用三階泰勒函數(shù)展開(kāi)有:W(r,θ)≈α(rΗ)cosθ+α(α-1)2(rΗ)2cos2θ+α(α-1)(α-2)6(rΗ)3cos3θ(3)W(r,θ)≈α(rH)cosθ+α(α?1)2(rH)2cos2θ+α(α?1)(α?2)6(rH)3cos3θ(3)由于塔架對(duì)氣流的堵塞,在塔架的上游和下游都將使來(lái)流速度減小,稱為塔影效應(yīng)。參考坐標(biāo)系如圖1,考慮塔影效應(yīng)時(shí)風(fēng)速的表達(dá)式為:V(y,x)=Vh+vt(y,x)(4)vt(y,x)=V0a2y2-x2(x2+y2)2(5)vt(y,x)=V0a2y2?x2(x2+y2)2(5)式中,V0——空間平均風(fēng)速;a——塔架半徑;y——槳葉微元到塔架軸線的y軸方向距離;x——槳葉微元到塔架軸線的x軸方向距離,即懸垂距離;vt(y,x)——塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)速施加的變化擾動(dòng)。風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)中使用的參考風(fēng)速不同,風(fēng)剪切使用的是輪轂離地高度處風(fēng)速Vh,塔影效應(yīng)中使用的是空間平均風(fēng)速V0,二者有如下關(guān)系式成立:V0=Vh[1+α(α-1)(R2)8h2]=mVh(6)V0=Vh[1+α(α?1)(R2)8h2]=mVh(6)式中,R——風(fēng)輪半徑;m=1+α(α-1)(R2)8h2m=1+α(α?1)(R2)8h2。實(shí)際中,Vh容易獲得,V0可通過(guò)式(6)計(jì)算獲得。由于y=rsinθ,式(5)可改寫成式(7):vt(r,θ,x)=mVha2r2sin2θ-x2(r2sin2θ+x2)2=Vhvtt(r,θ,x)(7)vt(r,θ,x)=mVha2r2sin2θ?x2(r2sin2θ+x2)2=Vhvtt(r,θ,x)(7)式中,vtt(r,θ,x)=ma2r2sin2θ-x2(r2sin2θ+x2)2vtt(r,θ,x)=ma2r2sin2θ?x2(r2sin2θ+x2)2,需要注意的是,塔影效應(yīng)只產(chǎn)生于下半風(fēng)輪掃掠面,即方位角0.5π≤θ≤1.5π。在上半風(fēng)輪掃掠面,即方位角為0≤θ<0.5π和1.5π<θ≤2π處,風(fēng)速計(jì)算模型為:V(r,θ)=Vh[1+W(r,θ)](8)在下半風(fēng)輪掃掠面,即方位角為0.5π≤θ≤1.5π處,風(fēng)速計(jì)算模型為:V(r,θ)=Vh[1+W(r,θ)][1+vtt(r,θ,x)](9)2機(jī)械轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪軸功率的關(guān)系風(fēng)力機(jī)采用葉片坐標(biāo)系,根據(jù)動(dòng)量-葉素理論,可求得作用在葉片上擺振方向(切向)的剪力fyb和彎矩Mxb、揮舞方向(法向)的剪力fxb和彎矩Myb分別為:fxb=12ρW2cCn(10)fyb=12ρW2cCt(11)Mxb=∫Rr0fybrdr(12)Myb=∫Rr0fxbrdr(13)葉片空氣動(dòng)力扭轉(zhuǎn)力矩為:式中,R——風(fēng)輪半徑;下標(biāo)P——翼型壓力中心;下標(biāo)C——扭轉(zhuǎn)中心;c——葉素剖面弦長(zhǎng);r0——輪轂半徑;W——相對(duì)來(lái)流風(fēng)速。Cn=Clcosφ+Cdsinφ(15)Ct=Clsinφ-Cdcosφ(16)式中,Cn——法向力系數(shù);Ct——切向力系數(shù);Cl、Cd——翼型升力、阻力系數(shù);φ——入流角。作用在風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩是風(fēng)輪軸功率的來(lái)源,它由葉片擺振力矩Mxb合成生成,與揮舞力矩Myb、扭轉(zhuǎn)力矩Mzb一樣隨葉片的方位角變化。在不考慮風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)情況下,3個(gè)槳葉所受到的擺振力矩Mxb相同,此時(shí)風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩如式(17):Tt=3Mxb(17)風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩還可由式(18)近似表示:Τt=12ρπR3Cq(λ,β)V2(18)風(fēng)力機(jī)輸出功率與機(jī)械轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為:Ρt=ΤtΩ=12ρπR2CΡ(λ,β)V3(19)式中,λ——風(fēng)力機(jī)葉尖速比,λ=ΩR/V;Ω——風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度;V——風(fēng)速;ρ——空氣密度;β——槳距角;CP(λ,β)、Cq(λ,β)——分別為風(fēng)能利用系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)。3風(fēng)速影響分析選取一2MW三槳葉上風(fēng)向水平軸風(fēng)力機(jī),應(yīng)用Bladed和Matlab軟件進(jìn)行功率控制和載荷分析。風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)如表1。查翼型手冊(cè)得到作用在葉素上的翼型壓力中心、扭轉(zhuǎn)中心、升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd。在考慮和不考慮風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)兩種情況下,以槳葉A方位角為參量,分別對(duì)輪轂離地高度處風(fēng)速Vh取4個(gè)具有代表意義的數(shù)值,即6、12、18、25m/s,分別對(duì)2MW風(fēng)力機(jī)進(jìn)行功率控制,額定風(fēng)速以下采用變速控制,額定風(fēng)速以上采用統(tǒng)一變槳控制,即3個(gè)槳葉接受同一槳距角改變命令。需要注意的是風(fēng)速取值6m/s時(shí),采用變速功率控制方式,通過(guò)公式λ=ΩR/V計(jì)算,可知此時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速為1.2rad/s,風(fēng)速取值12、18、25m/s時(shí),采用變槳功率控制方式,風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1.884rad/s?？紤]風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)情況下,風(fēng)速變化曲線如圖2,兩種情況下風(fēng)力機(jī)擺振載荷、揮舞載荷和扭轉(zhuǎn)載荷響應(yīng)曲線如圖3～圖5。由圖2～圖5可得到:1)在上半風(fēng)輪掃掠面,槳葉可只考慮風(fēng)剪切的影響,在同一方位角的前提下,風(fēng)速隨風(fēng)輪半徑的增大而增大。方位角為0和2π時(shí),即在槳葉葉尖處即掃掠面最高點(diǎn)處,風(fēng)速有最大值。在下半風(fēng)輪掃掠面,槳葉同時(shí)受到風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)的雙重作用,風(fēng)速隨風(fēng)輪半徑的增大而減小,而且離風(fēng)輪中心越近,塔影效應(yīng)越嚴(yán)重,即風(fēng)速值趨向于變小,方位角為π時(shí),即在槳葉葉尖處即掃掠面最低點(diǎn)處,風(fēng)速有最小值?？紤]風(fēng)輪掃掠面左右對(duì)稱,圖2只對(duì)槳葉在右半風(fēng)輪掃掠面,即方位角取值0≤θ≤π作了風(fēng)速變化分析。2)不考慮風(fēng)剪切及塔影效應(yīng)時(shí),風(fēng)力機(jī)3個(gè)槳葉所受氣動(dòng)載荷相同,當(dāng)考慮風(fēng)剪切及塔影效應(yīng)時(shí),風(fēng)力機(jī)3個(gè)槳葉所受氣動(dòng)載荷隨方位角呈周期性變化。如果風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率是1倍頻(1P),那么風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷頻率就是3P。3)同一時(shí)刻3個(gè)槳葉,無(wú)論是擺振載荷還是揮舞載荷、扭轉(zhuǎn)載荷,數(shù)值相差較大。另外考慮和不考慮風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)兩種情況下的載荷平均值也相差較大。這充分說(shuō)明對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō),風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響不容忽視。要想對(duì)風(fēng)力機(jī)的輸出功率實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié),獨(dú)立變槳控制取代目前常用的統(tǒng)一變槳控制是必然趨勢(shì)。4)風(fēng)速在12m/s以上變化時(shí),風(fēng)力機(jī)采用的是變槳功率控制方式,通過(guò)調(diào)整槳葉的槳距角,使得風(fēng)力機(jī)保持額定功率不變。由圖3b～圖3d可見(jiàn),兩種情況下擺振載荷都基本維持在3.6×105Nm附近,由式(19)知風(fēng)力機(jī)基本保持額定功率2MW不變。由圖4b～圖4d可見(jiàn),兩種情況下?lián)]舞載荷卻隨風(fēng)速的增大而大幅減小。5)由圖4可知,風(fēng)速在6m/s時(shí)的揮舞載荷值遠(yuǎn)大于風(fēng)速在25m/s時(shí)的揮舞載荷值,可見(jiàn)即使在低風(fēng)速時(shí),風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷對(duì)風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)、疲勞、動(dòng)力穩(wěn)定性等也會(huì)產(chǎn)生很大影響。6)由圖5可知,由于存在變槳作用,風(fēng)力機(jī)扭轉(zhuǎn)載荷并不是線性變化的,在額定風(fēng)速處有負(fù)的最大值。4風(fēng)力機(jī)功率控制技術(shù)由于風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)的存在,風(fēng)速在整個(gè)風(fēng)輪掃掠面上不是固定不變的。隨著風(fēng)力機(jī)向大型化的趨勢(shì)發(fā)展,塔架越來(lái)越高,風(fēng)輪直徑越來(lái)越大,風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響也越來(lái)越大,使得風(fēng)力機(jī)每個(gè)葉片所受氣動(dòng)載荷呈一個(gè)周期性的變化過(guò)程,同時(shí)葉片之間所受載荷相差也越來(lái)越大,對(duì)風(fēng)力機(jī)功率輸出、振動(dòng)、疲勞、動(dòng)力穩(wěn)定性等影響也越發(fā)不容忽視。顯然,對(duì)每個(gè)槳葉進(jìn)行獨(dú)立控制取代對(duì)3個(gè)槳葉進(jìn)行統(tǒng)一控制,將是風(fēng)力機(jī)功率控制