海上風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的仿真分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

引言

海上風(fēng)電資源對(duì)環(huán)境影響低、社會(huì)不良影響小,具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前,大功率海上風(fēng)電機(jī)組相繼得到研發(fā)和投運(yùn)。應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組基本是根據(jù)陸上風(fēng)電機(jī)組改進(jìn)而來的,但如果盲目改進(jìn)將會(huì)產(chǎn)生很大的風(fēng)險(xiǎn)。

1海上風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)性能研究現(xiàn)狀

隨著我國東部沿海風(fēng)電資源的開發(fā),風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量也在增長,與此同時(shí)臺(tái)風(fēng)造成的破壞也隨之增長。國內(nèi)學(xué)者開始研究風(fēng)電機(jī)組的防臺(tái)風(fēng)特性,部分學(xué)者通過對(duì)紅海灣風(fēng)電場(chǎng)的研究發(fā)現(xiàn),過境臺(tái)風(fēng)對(duì)葉片產(chǎn)生的震動(dòng)和扭矩是葉片損毀的根本原因。紅海灣風(fēng)電場(chǎng)使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,葉片最大設(shè)計(jì)風(fēng)速70m/s。正常情況下風(fēng)速可由風(fēng)速計(jì)獲得,7號(hào)風(fēng)機(jī)是位于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)最高處的風(fēng)機(jī),根據(jù)風(fēng)速記錄顯示,在風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)速計(jì)被破壞前最大風(fēng)速達(dá)57m/s,明顯沒有達(dá)到最大設(shè)計(jì)風(fēng)速,但是葉片出現(xiàn)損毀。9臺(tái)位于山區(qū)的風(fēng)機(jī)葉片都有不同程度的損壞,只有一只葉片沒有損壞,這些損壞的葉片中有7只處于下垂指向地面的位置。在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過區(qū)域,空氣湍流強(qiáng)度很高,垂直對(duì)流也很強(qiáng),這些因素都會(huì)引起對(duì)葉片的強(qiáng)沖擊。對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組而言,葉片損毀將會(huì)更加嚴(yán)重。

2海上風(fēng)電機(jī)組葉片模型建立方法

2.1海上風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)改進(jìn)

臺(tái)風(fēng)造成的風(fēng)電場(chǎng)損毀事故,充分暴露了現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組的缺陷?；诖?海上風(fēng)電機(jī)組需要加強(qiáng)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)。

首先,需要改進(jìn)葉片性能。目前風(fēng)電機(jī)組的容量越來越大,葉片長度超過60m。當(dāng)臺(tái)風(fēng)襲來時(shí),葉片上的載荷非常大,這就很容易造成葉片的變形甚至解體。增加葉片的強(qiáng)度來改善這一情況比較容易,但是會(huì)增加風(fēng)電機(jī)組成本。因此,需要從設(shè)計(jì)上的改善來解決葉片強(qiáng)度的問題。

第二,改進(jìn)偏航系統(tǒng)。臺(tái)風(fēng)來襲時(shí),電網(wǎng)可能被摧毀,后備電源只能供偏航系統(tǒng)連續(xù)工作以適應(yīng)風(fēng)向的變化。這種方式效率較低,當(dāng)后備電源耗盡時(shí)風(fēng)電機(jī)組將會(huì)非常危險(xiǎn)。三菱重工設(shè)計(jì)的新型偏航控制設(shè)備正常情況下可以操作風(fēng)電機(jī)組在迎風(fēng)方向上:臺(tái)風(fēng)襲來時(shí),偏航系統(tǒng)自動(dòng)將葉輪移動(dòng)到順風(fēng)方向。這種方法可以減少葉輪迎風(fēng)時(shí)25%的負(fù)載,風(fēng)電機(jī)組可以抵抗風(fēng)速高達(dá)70m/s的臺(tái)風(fēng)襲擊。

第三,塔筒設(shè)計(jì)改進(jìn)。塔筒倒塌會(huì)給風(fēng)電機(jī)組帶來災(zāi)難性毀壞。因此,必須非常重視塔筒設(shè)計(jì),特別是安全系數(shù)的提升。

第四,加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)建設(shè)在海域環(huán)境中,不但需要承受風(fēng)機(jī)本身的重量和風(fēng)載荷,還需要承受海浪的沖擊、海洋生物侵蝕還有海水的侵蝕。風(fēng)機(jī)的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計(jì)。

2.2海上風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)模型

葉輪直徑指的是風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的掃風(fēng)平面的直徑,該指標(biāo)是風(fēng)電機(jī)組輸出功率的重要影響因素。在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)過程中可以用下式來估算葉輪直徑:

式中,D是葉輪直徑:P是風(fēng)力機(jī)功率:p是空氣密度,約等于1.225kg/m3:U是設(shè)計(jì)風(fēng)速:Cp是風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用因數(shù):71是發(fā)電機(jī)效率:72是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

葉素理論是目前風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)中的常用理論。該理論將葉片沿葉尖方向劃分成許多獨(dú)立的部分,每部分可以被看作是一個(gè)互不影響的二維翼面?？諝鈱?duì)每個(gè)部分的應(yīng)力沿葉尖方向合成葉片整體載荷。圖1中給出了一個(gè)葉片小段的二維翼面,圖中展示了風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速和翼面角度的關(guān)系。

U＋(1-a）是風(fēng)速分量垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)平面,(1+a'）0r是切向風(fēng)速平行于轉(zhuǎn)動(dòng)平面,經(jīng)過葉片表面的入流風(fēng)速U0可以表達(dá)為:

入流角o是總?cè)肓黠L(fēng)速U0和轉(zhuǎn)動(dòng)平面的夾角:

攻角α是葉片軸線與氣流方向的夾角:

葉片不同部分的攻角是不一樣的,這取決于每個(gè)葉片元素的軸向感應(yīng)系數(shù)a、切向感應(yīng)系數(shù)a'、設(shè)計(jì)風(fēng)速以及轉(zhuǎn)速等。

2.3葉尖損失和輪轂損失模型

葉輪后方會(huì)有許多葉尖渦流,圖2給出了一種螺旋結(jié)構(gòu),這些渦流決定了感應(yīng)速度的分布,同時(shí)也影響了風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。

方程(4）為Prandtl尖端損失模型,描述了增加葉尖損失因子Ft以降低修正平流狀態(tài)下尾流的流速場(chǎng)和渦流平面之間的對(duì)流。

式中,R是葉輪的半徑。

圖3描述了葉片徑向的葉尖損失因子Ft,從圖中可以看出,在葉尖處葉尖損失系數(shù)的值快速下降。這種現(xiàn)象導(dǎo)致葉片的軸向感應(yīng)系數(shù)的值迅速增長,同時(shí)葉尖翼面的攻角迅速減小。一系列的反應(yīng)導(dǎo)致葉片尖端的空氣升力明顯提升,同時(shí)阻力明顯下降。

Prandtl尖端損失模型有著一定的不足。這個(gè)模型中假設(shè)尾流場(chǎng)包含在渦流容量中,并且不延徑向延伸。因此,采用該模型進(jìn)行高葉尖速度比的葉片設(shè)計(jì)時(shí)精度偏低,在輪轂處也有一些激流存在,從而影響感應(yīng)速度。這就要求輪轂損失模型可以修正這些問題。該模型與葉尖損失模型類似。葉輪損失因數(shù)Fh用來描述激流的影響,Fh的計(jì)算方法和Ft相同,只有/的確定方法與Ft不同。/描述為:

式中,Rhub是輪轂的半徑。

在實(shí)際工程應(yīng)用中,給定的葉素的空氣升力通常受到輪轂損失和葉尖損失的同時(shí)作用。這時(shí)的修正因子不再只是簡(jiǎn)單的葉尖損失因子或者輪轂損失因子,而是二者的綜合:

3結(jié)果分析與討論

葉尖速比指的是風(fēng)電機(jī)組葉尖的轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)風(fēng)速的比值,這是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要的參數(shù)。葉尖速比與風(fēng)電機(jī)組的效率有著密切的關(guān)系,正常運(yùn)行狀態(tài)下,高葉尖速比的風(fēng)電機(jī)組有著更高的風(fēng)能利用率。風(fēng)電機(jī)組的形式、傳動(dòng)系統(tǒng)和葉輪直徑都會(huì)影響到葉尖速比。表l展示了葉尖速比、葉片數(shù)以及風(fēng)電機(jī)組形式之間的關(guān)系,可以明顯看出3葉片高速風(fēng)電機(jī)組目前的葉尖速比范圍是6～8。

葉輪堅(jiān)固性指的是葉片平面投影面積和葉輪掃風(fēng)面積的比率,實(shí)際的數(shù)值由葉尖速比決定:此外,葉輪的堅(jiān)固性也和風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)啟動(dòng)風(fēng)速有關(guān)。葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能受翼面的空氣動(dòng)力學(xué)性能影響很大,高翼面提升比率能夠讓葉輪更好地獲得風(fēng)能轉(zhuǎn)化能力。在葉片的空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)階段,為了獲得最優(yōu)的空氣動(dòng)力學(xué)特性,不同的翼面被應(yīng)用到葉片的不同部分。

輸入設(shè)定為速度輸入邊界,設(shè)定120m/s為風(fēng)速的計(jì)算極值:輸出設(shè)定為壓力推出邊界:穩(wěn)定邊界被設(shè)定為硬性界限:轉(zhuǎn)速界限被設(shè)定為內(nèi)部界限:葉輪表面被設(shè)定為wallboundary:計(jì)算的初始值使用流速?；谌S方法建設(shè)3Mw風(fēng)電機(jī)組葉輪空氣動(dòng)力學(xué)分析模型,對(duì)葉片空氣動(dòng)力學(xué)性能在極限風(fēng)速狀態(tài)下的性能表現(xiàn)進(jìn)行了分析。圖4展示了扭轉(zhuǎn)角從-10°～10°時(shí)葉輪表面的最大靜壓、最小靜壓和壓差。通過全面的葉輪空氣動(dòng)力學(xué)受力分析可以看出,葉片扭轉(zhuǎn)角在-6°～-3°時(shí)葉輪表面的壓差最小,此時(shí)安全性最佳。

圖5描繪了扭轉(zhuǎn)角在-10°～10°時(shí)葉輪壓力變化情況,可以看出葉片角為-5°時(shí)葉輪表面壓力最小,比葉片角0°時(shí)小20%左右。這樣的受力情況可以大大減少風(fēng)電機(jī)組葉片在臺(tái)風(fēng)來襲時(shí)的堅(jiān)強(qiáng)性。通過實(shí)際情況與Bladed軟件的仿真結(jié)果對(duì)比可以明顯看出二者基本一致并且誤差很小,這也證明了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD）應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力特性設(shè)計(jì)優(yōu)化具有很好的精確度。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD）方法被許多研究人員用于分析復(fù)雜流場(chǎng)的特性,該方法的可行性與精確性被廣泛認(rèn)可?；贑FD,我們對(duì)極限風(fēng)速下葉輪壓力與葉片扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系進(jìn)行了分析,通過21個(gè)模型的對(duì)比分析得到結(jié)論:葉片扭轉(zhuǎn)角為-5°時(shí)葉輪表面壓力最小,并且此時(shí)壓力可以降低20%左右。該結(jié)果極大地提高了風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)的安全性。

4結(jié)語

本文研究了海上風(fēng)電機(jī)組葉片的抗臺(tái)風(fēng)特性,討論了臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響、葉片空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論、葉片的空氣動(dòng)力學(xué)外形設(shè)計(jì)方法、葉輪在臺(tái)風(fēng)來襲時(shí)的受力情況以及葉片扭轉(zhuǎn)角對(duì)葉輪受力的影響,利用Bladed和CFD技術(shù)建立葉輪模型來判斷臺(tái)風(fēng)來襲時(shí)葉輪迎風(fēng)角度。另外,文章還分析了極限風(fēng)速下葉片扭轉(zhuǎn)角對(duì)葉輪壓力的影響,通過分析對(duì)比得出結(jié)論:葉片扭轉(zhuǎn)角為-5°時(shí)葉輪表面壓力最小,并且此時(shí)壓力可以降低20%左右。