水平軸風力機模型測力試驗研究

馬進驍　李永貴　肖翅翔　李毅

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

【關鍵詞】水平軸風力機;風洞試驗;測力天平;風力系數(shù);風力功率譜;相干性

中圖分類號： TU317+.1文獻標識碼： 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、社會發(fā)展的基礎，但隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源污染環(huán)境、不可再生等缺點已不能滿足需要。調(diào)整能源結構，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)關注和國家提倡的熱點[1]。風能作為一種不污染環(huán)境，能源利用率高、蘊量巨大、可持續(xù)利用的綠色能源越來越受到全球各國的重視。風力機葉片受到氣動力產(chǎn)生旋轉，在運轉過程中葉片承受的氣動力將通過葉根傳遞到風力機輪轂[2]，因此對風力機輪轂處風荷載特性進行研究有重要意義。

目前，國內(nèi)外關于水平軸風力機風荷載特性開展了部分研究。王偉峰[3]對小型水平軸風力機風輪進行了數(shù)值模擬，并進行實體化設計完成了風洞試驗，發(fā)現(xiàn)了風力機在來流風速為12.5m/s時，試驗機架振動現(xiàn)象明顯，當風速繼續(xù)增大，風洞振動加劇，出現(xiàn)了風力機與風洞的共振現(xiàn)象。李強[4]利用風洞試驗對小型水平軸風力機的導流罩結冰現(xiàn)象進行了研究，發(fā)現(xiàn)了空氣中的水滴含量和來流風速是影響風力機導流罩表面結冰的重要因素。Hiromasa Kawai和Kazutoshi Michishita等[5]基于兩個假設，提出了一種評估風力機整體與葉片、塔架所受風荷載的轉換方法。

本文以2.0MW主流機型為研究對象，進行了風力機轉動狀態(tài)的測力天平試驗[6]，研究了不同風輪轉速下輪轂處風荷載特性，可為類似的水平軸風力發(fā)電機抗風設計提供參考。

1 風洞試驗概況

1.1 模型設計

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)制作的縮尺風洞試驗模型，其主要參數(shù)見表1，表中：H1為風力機模型總高度，H為輪轂高度，D為風輪直徑，l為葉片長。試驗模型照片如圖1所示。

1.2 風場模擬

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》[7]模擬了A、B兩類風場，兩類風場的風速剖面、湍流度剖面、脈動風速譜與目標值吻合較好，具體風場特性如圖2所示。

2 試驗結果與分析

2.1 輪轂平均和脈動風力系數(shù)

體軸系坐標系統(tǒng)如圖3所示：定義x軸向為沿風輪掃掠面平行向，y軸向為沿風輪掃掠面垂直向，z軸向為沿風輪豎向向上，以風輪掃掠面與風向垂直時為0°風向角。

在0°風向角、0°槳距角時，7個不同風輪轉速下輪轂處y軸向、x軸向平均、脈動風力系數(shù)如圖4所示：隨著風輪轉速均勻增大，分別對應的y軸向平均風力系數(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，其值增大的幅度比較均勻，在180rpm至300prm時，增大幅度更明顯，曲線有略微“上揚”趨勢，說明風輪風速的均勻增大，y軸向平均風力系數(shù)呈現(xiàn)不均勻增大的現(xiàn)象。B類地貌各個轉速下的風力系數(shù)與A類地貌之比的均值為94.2%（下同）;y軸向脈動風力系數(shù)隨著風輪轉速的均勻增大，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類地貌整體脈動值比B類小;x軸向平均風力系數(shù)隨著轉速的均勻增大，其風力系數(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軸向脈動風力系數(shù)相比y軸向波動更為明顯，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 輪轂風力系數(shù)頻域分析

2.2.1 輪轂脈動風力功率譜

0°風向角，0°槳距角，風輪轉速為300rpm時，輪轂y軸向、x軸向脈動風力功率譜如圖5所示：y、x軸向均在折減頻率約為0.6處有一個譜峰，這是由于模型剛度不足，其頻率處于來流風荷載譜的頻率范圍內(nèi)，導致天平-模型共振引起的結果。在折減頻率約為0.4處有另一個譜峰，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，這說明風輪轉速對x軸向功率譜影響更大。實際工程中，由于慣性力的存在，輪轂風力與慣性力合力的功率譜也會存在類似的譜峰。在A、B地貌下，功率譜曲線基本一致。

2.2.2 輪轂脈動風力相干性

0°風向角，0°槳距角，風輪轉速為300rpm時，輪轂處順—橫風向脈動風力相干函數(shù)如圖6所示：對于常規(guī)高層建筑，順風向風力是由脈動風引起，橫風向風力由漩渦脫落而產(chǎn)生，順、橫方向受力機理不同，因此順-橫相關性小。但對于風力機此類細長結構，在轉動狀態(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)，說明風輪轉速對順-橫方向相干性影響很大。B類地貌順—橫風力相干性略大于A類。

3 結論

采用1：80縮尺比的水平軸風力機進行了測力天平風洞試驗，研究了風力機在轉動狀態(tài)下輪轂處風荷載特性，得到以下結論：

1）風力機轉動狀態(tài)下隨著風輪轉速呈規(guī)律性變化。風輪轉速增大，兩個軸向的平均、脈動風力系數(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，導致x、y兩個軸向脈動風力功率譜均在折減頻率0.6處存在一個天平-模型共振引起的譜峰，折減頻率為0.4處存在一個風輪轉動引起的譜峰。實際工程中，由于慣性力的存在，輪轂風力與慣性力合力的功率譜也會存在類似的譜峰。

3）風輪轉速為300rpm下，順-橫方向風力相關性很大，B類地貌順—橫風力相干性略大于A類。

【參考文獻】

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

[2]周新坪.風力發(fā)電機葉片葉根的受力性能綜述[J].科技風，2016（16）：159.

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

[4]李強，李巖，馮放.小型水平軸風力機導流罩結冰的風洞試驗[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 建筑結構荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版，2012.