引言

海上風電資源對環(huán)境影響低、社會不良影響小,具有廣闊的應用前景。當前,大功率海上風電機組相繼得到研發(fā)和投運。應用于海上風電場的機組基本是根據(jù)陸上風電機組改進而來的,但如果盲目改進將會產(chǎn)生很大的風險。

1海上風電機組抗臺風性能研究現(xiàn)狀

隨著我國東部沿海風電資源的開發(fā),風電場數(shù)量也在增長,與此同時臺風造成的破壞也隨之增長。國內(nèi)學者開始研究風電機組的防臺風特性,部分學者通過對紅海灣風電場的研究發(fā)現(xiàn),過境臺風對葉片產(chǎn)生的震動和扭矩是葉片損毀的根本原因。紅海灣風電場使用的風力發(fā)電機組,葉片最大設計風速70m/s。正常情況下風速可由風速計獲得,7號風機是位于整個風電場最高處的風機,根據(jù)風速記錄顯示,在風向標和風速計被破壞前最大風速達57m/s,明顯沒有達到最大設計風速,但是葉片出現(xiàn)損毀。9臺位于山區(qū)的風機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。在臺風經(jīng)過區(qū)域,空氣湍流強度很高,垂直對流也很強,這些因素都會引起對葉片的強沖擊。對于海上風電機組而言,葉片損毀將會更加嚴重。

2海上風電機組葉片模型建立方法

2.1海上風電機組抗臺風設計改進

臺風造成的風電場損毀事故,充分暴露了現(xiàn)有風電機組的缺陷?；诖?海上風電機組需要加強抗臺風設計的改進。

首先,需要改進葉片性能。目前風電機組的容量越來越大,葉片長度超過60m。當臺風襲來時,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。增加葉片的強度來改善這一情況比較容易,但是會增加風電機組成本。因此,需要從設計上的改善來解決葉片強度的問題。

第二,改進偏航系統(tǒng)。臺風來襲時,電網(wǎng)可能被摧毀,后備電源只能供偏航系統(tǒng)連續(xù)工作以適應風向的變化。這種方式效率較低,當后備電源耗盡時風電機組將會非常危險。三菱重工設計的新型偏航控制設備正常情況下可以操作風電機組在迎風方向上:臺風襲來時,偏航系統(tǒng)自動將葉輪移動到順風方向。這種方法可以減少葉輪迎風時25%的負載,風電機組可以抵抗風速高達70m/s的臺風襲擊。

第三,塔筒設計改進。塔筒倒塌會給風電機組帶來災難性毀壞。因此,必須非常重視塔筒設計,特別是安全系數(shù)的提升。

第四,加強基礎設計。海上風電機組的基礎建設在海域環(huán)境中,不但需要承受風機本身的重量和風載荷,還需要承受海浪的沖擊、海洋生物侵蝕還有海水的侵蝕。風機的抗臺風設計包括基礎結(jié)構(gòu)整體的設計。

2.2海上風電機組葉片設計模型

葉輪直徑指的是風機運行時的掃風平面的直徑,該指標是風電機組輸出功率的重要影響因素。在風電機組的設計過程中可以用下式來估算葉輪直徑:

式中,D是葉輪直徑:P是風力機功率:p是空氣密度,約等于1.225kg/m3:U是設計風速:Cp是風電機組的風能利用因數(shù):71是發(fā)電機效率:72是機械傳動系統(tǒng)效率。

葉素理論是目前風電機組葉片設計中的常用理論。該理論將葉片沿葉尖方向劃分成許多獨立的部分,每部分可以被看作是一個互不影響的二維翼面?？諝鈱γ總€部分的應力沿葉尖方向合成葉片整體載荷。圖1中給出了一個葉片小段的二維翼面,圖中展示了風速、葉輪轉(zhuǎn)速和翼面角度的關系。

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

入流角o是總?cè)肓黠L速U0和轉(zhuǎn)動平面的夾角:

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,這取決于每個葉片元素的軸向感應系數(shù)a、切向感應系數(shù)a'、設計風速以及轉(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速度的分布,同時也影響了風電機組的輸出功率。

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)下尾流的流速場和渦流平面之間的對流。

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)象導致葉片的軸向感應系數(shù)的值迅速增長,同時葉尖翼面的攻角迅速減小。一系列的反應導致葉片尖端的空氣升力明顯提升,同時阻力明顯下降。

Prandtl尖端損失模型有著一定的不足。這個模型中假設尾流場包含在渦流容量中,并且不延徑向延伸。因此,采用該模型進行高葉尖速度比的葉片設計時精度偏低,在輪轂處也有一些激流存在,從而影響感應速度。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。

在實際工程應用中,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作用。這時的修正因子不再只是簡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

葉尖速比指的是風電機組葉尖的轉(zhuǎn)速與設計風速的比值,這是風電機組設計時一個重要的參數(shù)。葉尖速比與風電機組的效率有著密切的關系,正常運行狀態(tài)下,高葉尖速比的風電機組有著更高的風能利用率。風電機組的形式、傳動系統(tǒng)和葉輪直徑都會影響到葉尖速比。表l展示了葉尖速比、葉片數(shù)以及風電機組形式之間的關系,可以明顯看出3葉片高速風電機組目前的葉尖速比范圍是6～8。

葉輪堅固性指的是葉片平面投影面積和葉輪掃風面積的比率,實際的數(shù)值由葉尖速比決定:此外,葉輪的堅固性也和風力機的設計啟動風速有關。葉片的空氣動力學性能受翼面的空氣動力學性能影響很大,高翼面提升比率能夠讓葉輪更好地獲得風能轉(zhuǎn)化能力。在葉片的空氣動力設計階段,為了獲得最優(yōu)的空氣動力學特性,不同的翼面被應用到葉片的不同部分。

輸入設定為速度輸入邊界,設定120m/s為風速的計算極值:輸出設定為壓力推出邊界:穩(wěn)定邊界被設定為硬性界限:轉(zhuǎn)速界限被設定為內(nèi)部界限:葉輪表面被設定為wallboundary:計算的初始值使用流速?；谌S方法建設3Mw風電機組葉輪空氣動力學分析模型,對葉片空氣動力學性能在極限風速狀態(tài)下的性能表現(xiàn)進行了分析。圖4展示了扭轉(zhuǎn)角從-10°～10°時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力學受力分析可以看出,葉片扭轉(zhuǎn)角在-6°～-3°時葉輪表面的壓差最小,此時安全性最佳。

圖5描繪了扭轉(zhuǎn)角在-10°～10°時葉輪壓力變化情況,可以看出葉片角為-5°時葉輪表面壓力最小,比葉片角0°時小20%左右。這樣的受力情況可以大大減少風電機組葉片在臺風來襲時的堅強性。通過實際情況與Bladed軟件的仿真結(jié)果對比可以明顯看出二者基本一致并且誤差很小,這也證明了計算流體動力學(CFD）應用于風電機組空氣動力特性設計優(yōu)化具有很好的精確度。

計算流體動力學(CFD）方法被許多研究人員用于分析復雜流場的特性,該方法的可行性與精確性被廣泛認可。基于CFD,我們對極限風速下葉輪壓力與葉片扭轉(zhuǎn)角的關系進行了分析,通過21個模型的對比分析得到結(jié)論:葉片扭轉(zhuǎn)角為-5°時葉輪表面壓力最小,并且此時壓力可以降低20%左右。該結(jié)果極大地提高了風電機組葉片設計的安全性。

4結(jié)語

本文研究了海上風電機組葉片的抗臺風特性,討論了臺風對風電場的影響、葉片空氣動力學設計理論、葉片的空氣動力學外形設計方法、葉輪在臺風來襲時的受力情況以及葉片扭轉(zhuǎn)角對葉輪受力的影響,利用Bladed和CFD技術建立葉輪模型來判斷臺風來襲時葉輪迎風角度。另外,文章還分析了極限風速下葉片扭轉(zhuǎn)角對葉輪壓力的影響,通過分析對比得出結(jié)論:葉片扭轉(zhuǎn)角為-5°時葉輪表面壓力最小,并且此時壓力可以降低20%左右。