文献解读：台风活动区大型风电机组非定常特性分析

题目：台风活动区大型风电机组非定常特性分析
关键词：停机的风电机组；台风；空气动力学

1 中文摘要

  近年来，我国在热带气旋区建造了大量大型风力发电机组，但每年都有大量的台风活动区风力发电机组停机故障的报道，人们从气象学、疲劳、振动、颤振和屈曲等方面对风力发电机组的故障进行了大量的研究。
  为了计算台风活动区停放的风电机组的非定常性能，建立了不同风速、风向和湍流强度的风模型，基于超强台风的观测资料，通过数值模拟，研究了一个由三个叶片和一个塔筒组成的静止风电机组的非定常气动力，发现叶片和塔筒之间的尾迹干扰对风电机组上的气动力有很大的影响，风荷载的临界方向为E、W、NW和NE方向。

2 关键信息提取

2.1 计算模型

2.2 塔筒

  塔的圆柱形状可以产生卡门涡，卡门涡可以诱导非定常升力和阻力。
  
  图9（a）显示了塔的升力和阻力的时间历程。升力在零附近振荡，振幅为1.34 × 105 N，而阻力停滞在4.22 × 105 N，振幅小得多，为1.51 × 104 N。图9（B）显示了升力和阻力的频谱。升力的频率主要在20 Hz以下，主频为6.95 Hz，而阻力的频率主要在30 Hz以下，主频为13.9 Hz，是升力主频的两倍。升力和阻力都表现出规则的周期性行为

  图10中为涡量等值线，其中逆时针和顺时针涡分别用正（红色）和负（蓝色）值表示。随着气流通过，典型的卡门涡在塔后产生，向下游脱落，并由于耗散而逐渐衰减。然而，这些旋涡脱落不是均匀连续的，而是表现出强烈的三维效应。
  在塔的下部，H =4 ~30 m之间的高度处，产生了直的三维涡流。中段（H=15 m）表明脱落为2S（两个单涡）尾流模式。涡沿塔沿着扩展约30 m，然后由于3D不稳定性在约H=30 m处破裂。H=30 m处的涡量等值线上观察到从2S到2 P的过渡（两个涡对）尾流模式。
  在塔的上部，H =32~45 m高度处产生了一个直涡，也出现了同样的2S尾迹，与下部不同的是，上部直涡被拉伸弯曲，呈“C”形。
  在顶部，塔后持续存在负压系数，空气流过塔顶时，向下游流向根部，因此在塔顶形成下洗，塔后涡结构抑制了头部附近卡门涡的形成。

2.3 叶片与叶轮

  单个旋翼的空气动力学研究，与轴对称塔不同，每个叶片的阻力和升力都取决于风向。因此，在所有8个方向下模拟了转子周围的非定常流动。图11显示了每个叶片上的气动力，平均升力并拖动表示气动力的强度，升力（Lift）和阻力（Drag）的振幅表示非定常的强度。

  叶片1（顶部叶片）在大多数风向下承受最大风载荷。叶片1的最大升力在NE方向上约为3.45 × 105 N，其次为NW方向的2.24 × 105N；叶片1在E、W方向上的最大阻力分别为3.24× 105 N和3.14 ×105 N；叶片1对叶轮的结构完整性至关重要。
  对三个叶片的升力和阻力进行积分，发现NE方向的最大力为6.18×105 N。E、W、NW方向的力也相当。

  叶片和叶轮的气动力幅值如图12所示：叶片3在W方向上的最大升力幅值为2.72 ×104 N，叶片2在NE和E方向上的最大升力幅值分别为1.95× 104 N和2.01 × 104 N。叶片3在W方向上的最大阻力幅值为1.16 × 104 N；旋翼的最大振幅出现在NE方向上，为2.29 × 104 N；

  如前所述，四个方向（NE，E，W，NW）被认为是分析平均气动力的关键，而三个方向（NE，E，W）在分析振幅时很重要。图13显示了E和NE方向下停转叶轮周围的涡流结构。
  当空气来自E方向时，叶片和短舱的攻角几乎为90°，如图13（a）所示，在前缘和后缘都发生了强烈的流动分离。诱导的强前缘和后缘涡考虑了叶片后侧的低压区，造成了强的风载荷。在3个叶片中，叶片1在横流方向上的投影面积最大，因此它经受了观察到的最大气动力。叶片3产生的涡流向下游脱落并与叶片2相互作用，导致叶片2后面出现复杂的旋涡脱落模式。高非定常流解释了叶片2中出现的力的最大振荡幅度。当风向改变为NW时，涡型发生明显变化，攻角减小，仅在尾缘出现流动分离，在相对有利的攻角下，升力从1.12× 105 N大幅增加到3.45× 105 N，阻力从3.24 × 105 N减小到2.11×105 N。

2.4 整机

  每个叶片的平均气动力与叶轮的气动力非常接近，如图14为叶片、塔筒的平均升力、阻力、总空气动力雷达图。最大平均升力也出现在NE方向，叶片1处，3.18 × 105 N；最大平均阻力出现在E、W方向，叶片1处，值为3.170 × 105 N，比单叶轮模拟结果小2.1%；
  塔筒表现出与单塔筒情况不同的行为：气动力取决于风向，平均阻力从3.03 × 105 N→3.54 × 105 N，平均升力从0.08 × 105 N→1.14 × 105 N；最大阻力从单塔筒情况下的4.22 × 105 N降低到3.54 × 105 N，降低了16.1%。塔筒在E，W，NW，NE方向观察到强风载荷。

  图15为叶片和塔筒的气动力幅值雷达图，塔筒是振荡的主要分量。与单塔筒情况相比，塔筒的幅值显著降低。升力的最大振荡幅度在SE方向，值为0.86x105，比单塔筒情况小36%；
  阻力的大振荡在NE、NW、SE、SW四个方向，最大幅度为0.85x104；E风向叶片2的升力幅值、阻力幅值均减小，W风向叶片3的升力幅值、阻力幅值均减小；叶片2在NE风作用下的阻力幅值从1066 N→4966 N，幅值大大增加；
  在SE方向上发现整机的最大升力幅度为8.8 × 104 N，相比之下，单个塔筒的最大升力幅度为1.34 × 105 N，单个叶轮的最大升力幅度为8559 N，因此，风电机组的气动力不能被认为是每个部件的简单集成，并且受到它们之间的相互作用的强烈影响。

  图16显示了叶片、塔筒、叶轮、整机升力的频谱特征：
叶片1的主频在SW方向，6.8 Hz，振幅为1442；
叶片2的主频在NE方向，6.6 Hz，振幅为2500；
叶片3的主频率在NW、SW方向，15.6 Hz和11.7 Hz，振幅约为322；
  叶轮主频率与叶片1和叶片2相同，出现在SW和NE方向；塔架的主频在所有方向上都在7.8 Hz左右，在SE方向上有一个更大的最大振幅8320。它对风电机组贡献了主要的气动力，因此，整机的频谱与塔筒的频谱接近。
  表明，SE向风荷载对塔架的安全至关重要。与单个塔筒相比，整机系统中的塔架的主频率的幅度已经被抑制，且取决于风向。

  如前所述，在E方向观察到停驻风力风电机组的最大阻力，而在SE方向发现其最大振荡幅度。因此，在这些方向上检查涡流结构。图18显示E和SE风向下塔筒的涡流迹线对比：
  E风向时，塔架顶部位于叶片3的尾流区域下方。尾流区域中的流速降低延迟了卡门涡流脱落的形成，该现象发生在风电机组塔身50 m处，而单塔为60 m。叶片3的遮蔽效应可以解释风电机组塔身空气动力的降低。
  SE风向时，脱落涡流发生弯曲，通过观察到尾流区有更多的脱落涡流，证明涡流的产生得到了加强。叶片2位于叶片3和塔的尾流区，因此叶片2的涡流产生也得到了进一步抑制。

  图19显示了E和SE风向下50 m、55 m和60 m高度处的旋涡结构：
  在60 m高度处，叶片和塔架彼此非常接近。当风向为E时，塔架位于叶片3的尾流处，而叶片2位于叶片3和塔架的尾流内。强烈的相互作用和有限的空间抑制了旋涡脱落；
  SE风向时，只有塔和叶片2的尾流相互作用，塔不再处于叶片2的尾流区域，再次观察到卡门旋涡脱落，在50和55 m高度处，叶片和塔架相互远离，尾迹之间没有相互作用；
  E风向时，叶片的攻角几乎为90 °，叶片承受最大风载荷。

3 结论

  文章分别研究了塔筒、叶片及整机的非定常气动力：

（1）由于攻角和尾流干扰的变化，叶片的气动力高度依赖于风向。叶片平均阻力的雷达图上可以观察到蝴蝶分布。E、W和NW方向的力是关键的，顶部叶片的气动力是由叶片的攻角和尾流干扰引起的。在叶片在横流方向上的投影面积最大，因此承受的风载荷最大。当风向为E时，由于攻角较大，气流在叶片1的前缘和后缘分离。当风向改变为NE时，攻角减小，流动分离仅发生在叶片后缘，尾迹得到明显抑制; E风时，流动分离也开始于叶片3的叶尖，并沿叶展向沿着根部逐渐加强;振荡涡从叶片2脱落，并与叶片2相互作用，产生高的振荡力幅值。

（2）对整机的非定常气动力特性研究结果表明：增加塔架，不仅可以减小风电机组的平均气动力，而且可以减小风电机组叶轮的振动幅值，平均气动力呈肥蝶形分布，最大值出现在E、W、NW、NE、对风电机组的阻力和升力进行了频谱分析，发现其主频率均在7.8 Hz处。叶轮的主频率的最大振幅在3220以下，而塔架的主频率在SE方向上的值为8320。

（3）对整机的涡结构研究揭示了塔架与叶片的相互作用：在一定风向下，塔架顶部处于前叶片尾迹的作用下，推迟了塔架涡的脱落，而后叶片同时处于前叶片和塔架尾迹的作用下;在风电机组的顶部之外，叶片和塔架彼此远离，并且叶片和塔架的尾流彼此不相互作用。

（4）通过对叶片与塔架相互作用的分析，结果表明E向和SE向风荷载对风电机组的安全性至关重要。
点击查看原文