安利強(qiáng),常 明,付秀娟,葛永慶,王璋奇(.華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系,河北 保定 07003; .國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)(保定)有限公司,河北 保定 0705)

葉片覆冰對(duì)抗冰凍機(jī)組載荷特性的影響

安利強(qiáng)1,常 明2,付秀娟2,葛永慶1,王璋奇1
(1.華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系,河北 保定 071003; 2.國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)(保定)有限公司,河北 保定 071051)

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在低溫、高濕的環(huán)境中,葉片往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象.葉片覆冰后改變了葉片原有翼型形狀且影響葉片的固有頻率,進(jìn)而影響風(fēng)電機(jī)組的載荷特性.抗冰凍機(jī)組從安全性設(shè)計(jì)角度考慮低溫環(huán)境下葉片覆冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷的影響.以某2 MW陸上抗冰凍機(jī)組為研究對(duì)象,采用GH Bladed軟件建立風(fēng)電機(jī)組模型,結(jié)合特定環(huán)境條件考慮均勻覆冰、不均勻覆冰以及低溫環(huán)境中不同空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷的影響,統(tǒng)計(jì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件中葉片、輪轂、塔架上的載荷,分析葉片覆冰前后風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件極限載荷變化情況,為抗冰凍機(jī)組的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考.

翼型修正; 葉片覆冰; 極限載荷; 抗冰凍機(jī)組

我國(guó)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量逐年增加,風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)地域覆蓋廣泛,包括高原、低溫、沿海等各種地區(qū).考慮安裝環(huán)境條件的不同,針對(duì)特殊環(huán)境進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組適應(yīng)性設(shè)計(jì),目前已有高原型、低溫型以及海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組.近兩年,我國(guó)內(nèi)陸山區(qū)以及沿海多出現(xiàn)冰凍天氣,葉片覆冰后機(jī)組超載運(yùn)行、機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中葉片甩冰等影響機(jī)組以及運(yùn)維人員安全的問(wèn)題日益突出.葉片覆冰與場(chǎng)址氣候條件有關(guān),且覆冰程度、覆冰時(shí)間具有隨機(jī)性,所以通常風(fēng)電機(jī)組在設(shè)計(jì)之初并不能充分考慮葉片覆冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響.因此,研究風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全的影響具有重要意義.

近年來(lái),風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰問(wèn)題引起廣泛關(guān)注,國(guó)內(nèi)學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)觀測(cè)以及計(jì)算流體力學(xué)仿真的方式對(duì)葉片覆冰的成因以及機(jī)理、葉片覆冰后對(duì)氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行了研究.從工程實(shí)踐角度,風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)者主要針對(duì)結(jié)冰成因、防覆冰、除冰方法以及結(jié)冰預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了研究[1-4].張聘亭等[5]通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)數(shù)值模擬翼型在不同覆冰形態(tài)、不同厚度下的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)流場(chǎng),結(jié)果表明,吸力面覆冰會(huì)造成覆冰層后的分離渦,隨著攻角的增加分離渦向后緣生長(zhǎng),造成升力系數(shù)下降,阻力系數(shù)增加,覆冰改變了翼型動(dòng)態(tài)升力系數(shù)曲線,從而影響了風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性.譚海輝等[6]基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、柔性多體動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ),采用有限元方法計(jì)算不同覆冰厚度下的葉片模態(tài),對(duì)頻率響應(yīng)進(jìn)行了分析,得出頻率與幅值的關(guān)系曲線.何玉林等[7]分析了葉片覆冰對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片翼型的影響,證明冰載使得翼型的升力降低、阻力增加、捕風(fēng)能力減弱，造成發(fā)電量損失.孫少華等[8]采用懲罰因子修正的方式考慮覆冰對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響,得出覆冰后翼型升力系數(shù)下降、阻力系數(shù)增加以及造成發(fā)電量損失,對(duì)于葉根處疲勞載荷影響很大.

本文針對(duì)某2 MW抗冰凍風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,在IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)[9-10]基礎(chǔ)上確定外部風(fēng)況條件,對(duì)葉片覆冰后氣動(dòng)性能參數(shù)變化以及整體質(zhì)量變化,采用懲罰因子修正的方法對(duì)原有翼型的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行修正,并對(duì)覆冰的質(zhì)量分布方式進(jìn)行假定[11],應(yīng)用GH Bladed軟件建立風(fēng)電機(jī)組模型,研究均勻覆冰以及不均勻覆冰在葉片不同空氣密度下的極限載荷變化情況以及規(guī)律,為抗冰凍風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)提供參考.

1 2 MW機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)

以某2 MW風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象,機(jī)組為三葉片、上風(fēng)向、變速變槳距控制方式,風(fēng)電機(jī)組總體技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 機(jī)組參數(shù)Tab.1 General parameters

2 覆冰后葉片氣動(dòng)性能與質(zhì)量

2.1冰質(zhì)量分布

結(jié)冰葉片上的冰質(zhì)量具有隨機(jī)性,取決于當(dāng)時(shí)的外部環(huán)境條件.本文參考規(guī)范見(jiàn)文獻(xiàn)[11]中對(duì)葉片覆冰質(zhì)量的假定方式,葉片結(jié)冰后線密度從風(fēng)輪軸線性增加至風(fēng)輪半徑處,從風(fēng)輪半徑處沿展向至葉尖處線保持不變,

μE=ρEkcmin(cmax+cmin)

(1)

式中:μE為風(fēng)輪葉片前緣半徑處的線密度,kg/m;ρE為冰密度(700 kg/m3);k=0.006 75+0.3exp(-0.32R/R1),R為風(fēng)輪半徑,m,R1為1,m;cmax為最大弦長(zhǎng),m;cmin為依據(jù)葉片幾何外形線性外推得到葉尖弦長(zhǎng),m.

本文中根據(jù)葉片幾何外形外推得到葉尖覆冰最小弦長(zhǎng)cmin為0.7 m,經(jīng)計(jì)算單只葉片結(jié)冰質(zhì)量為396 kg.葉片覆冰后將影響葉片固有頻率,考慮單葉片覆冰后,葉片固有頻率變化,如表3所示.

表2 覆冰前后葉片參數(shù)變化Tab.2 Parameters of blade without and with ice-coat

2.2覆冰對(duì)翼型氣動(dòng)性能影響

葉片覆冰后原有翼型的氣動(dòng)參數(shù)發(fā)生變化,變化程度由覆冰的程度以及覆冰位置確定.本文采用文獻(xiàn)[8]中方法,對(duì)覆冰前的翼型氣動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行懲罰因子修正,并通過(guò)Viterna方法[12]外推,得到覆冰后翼型的氣動(dòng)參數(shù).對(duì)葉片某截面上的一個(gè)翼型進(jìn)行懲罰因子修正并外推,如圖1和圖2所示.修正后的升力系數(shù)在小攻角范圍內(nèi)出現(xiàn)降低趨勢(shì),阻力系數(shù)在小攻角范圍內(nèi)出現(xiàn)上升趨勢(shì),且失速攻角前移,改變了翼型的氣動(dòng)性能.風(fēng)電機(jī)組在變速變槳距的控制方式下運(yùn)行,葉片攻角長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在失速攻角以下,覆冰將會(huì)對(duì)葉片的載荷產(chǎn)生影響.

3 風(fēng)況條件

風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)為IIIB等級(jí),依據(jù)IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)[10]中假定IIIB等級(jí)風(fēng)況,湍流度期望值Iref為0.12,50年重現(xiàn)期10 min平均風(fēng)速Vref

圖1 覆冰前后升力系數(shù)曲線Fig.1 Schematic of lift coefficient for airfoilwith and without ice-coat

圖2 覆冰前后阻力系數(shù)曲線Fig.2 Schematic of drag coefficient for airfoilwith and without ice-coat

為37.5 m/s,湍流風(fēng)以及瞬態(tài)風(fēng)模型依據(jù)標(biāo)準(zhǔn),風(fēng)廓線指數(shù)為0.2,本文中湍流風(fēng)風(fēng)速譜采用Kaimal模型,

(2)

式中:f為頻率;Vhub為輪轂高度處風(fēng)速;Sk為速度分量功率譜;k為3個(gè)速度分量對(duì)應(yīng)的下標(biāo);σk為速度分量標(biāo)準(zhǔn)偏差;Lk為速度分量積分比例參數(shù).

4 覆冰工況下極限載荷分析

本文主要研究風(fēng)電機(jī)組三葉片均勻覆冰、兩葉片與單葉片不均勻覆冰,以及低溫環(huán)境下不同空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷的影響.在未考慮結(jié)冰的所有工況統(tǒng)計(jì)的極限載荷為“A”,在考慮三葉片均勻覆冰的所有工況中統(tǒng)計(jì)的載荷記為“B”,在考慮兩葉片不均勻覆冰的所有工況統(tǒng)計(jì)的極限載荷記為“C”.

在IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上選取部分載荷工況用于計(jì)算極限載荷.極限載荷工況表如表3所示.仿真中DLC 1.2,DLC 6.1,DLC 6.2每個(gè)風(fēng)速下使用6個(gè)風(fēng)種子,每個(gè)風(fēng)速下載荷分量的后處理采用6個(gè)風(fēng)種子的計(jì)算結(jié)果取平均方式;DLC 5.1工況每個(gè)風(fēng)速下使用12個(gè)風(fēng)種子,每個(gè)風(fēng)速下載荷分量的后處理采用12個(gè)風(fēng)種子的前6個(gè)最大值取平均方式;DLC 2.3采用極端運(yùn)行陣風(fēng)EOG,每個(gè)風(fēng)速下考慮風(fēng)輪方位角0°～90°、步長(zhǎng)30°與電網(wǎng)掉電時(shí)間的組合情況.

表3 工況表Tab.3 Load cases

4.1均勻覆冰工況下極限載荷

本節(jié)在表3基礎(chǔ)上考慮三葉片結(jié)冰工況,統(tǒng)計(jì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的極限載荷,并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果與未考慮三葉片結(jié)冰工況的極限載荷比較.在GL標(biāo)準(zhǔn)中定義的坐標(biāo)系[11]下,如圖3所示,統(tǒng)計(jì)葉根極限載荷、旋轉(zhuǎn)輪轂極限載荷以及塔底極限載荷,載荷結(jié)果不包含局部安全系數(shù),結(jié)果如圖4～圖6所示.

從圖4～圖6可以看出,三葉片覆冰后相比未覆冰情況下,葉根Mx最大值降低近6%,葉根My,Mxy以及Mz分別增加約1%,0.6%,76%.覆冰前后葉根Mx最大值同時(shí)出現(xiàn)在DLC 6.1,因覆冰后葉片氣動(dòng)性能變化與湍流風(fēng)具有隨機(jī)性導(dǎo)致載荷的變化具有隨機(jī)性;葉根My,Mxy增幅在1%以內(nèi),經(jīng)分析極限載荷均出現(xiàn)在DLC 2.3電網(wǎng)掉電工況風(fēng)速上升趨勢(shì)且停機(jī)過(guò)程中,風(fēng)輪方位角位于45°～90°,因覆冰后葉片質(zhì)量增加,停機(jī)變槳過(guò)程中葉片慣性力與覆冰后葉片重力在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面外的合力導(dǎo)致.葉根Mz最大值出現(xiàn)在DLC 6.1空轉(zhuǎn)工況中,與風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制系統(tǒng)無(wú)關(guān),出極限時(shí)環(huán)境條件中風(fēng)速縱向分量瞬時(shí)達(dá)到42 m/s,風(fēng)向波動(dòng)較大,葉片覆冰后氣動(dòng)性能變化綜合導(dǎo)致葉根Mz出現(xiàn)極限載荷.為防止葉根Mz極限載荷超出設(shè)計(jì)值發(fā)生葉片變槳滑移以及失控,設(shè)計(jì)之初應(yīng)關(guān)注變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)力矩的硬件限值,在變槳電機(jī)選型時(shí)應(yīng)盡可能保留較大余量,防止風(fēng)電機(jī)組葉片因變槳電機(jī)制動(dòng)力矩不足導(dǎo)致變槳失控故障發(fā)生.

圖3 坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate

圖4 葉根極限載荷比對(duì)Fig.4 Ultimate load of the blade root

圖5 輪轂極限載荷比對(duì)Fig.5 Ultimate load of the hub

圖6 塔底極限載荷比對(duì)Fig.6 Ultimate load of the tower root

旋轉(zhuǎn)輪轂坐標(biāo)系下輪轂各分量極限載荷均呈現(xiàn)不同幅度降低.輪轂載荷來(lái)源于三葉根載荷的合成,葉根極限載荷比對(duì)結(jié)果中除葉根Mz外其余載荷分量差異不大,且葉根Mz載荷數(shù)量級(jí)低于其余載荷分量.葉片結(jié)冰覆冰后單只葉片質(zhì)量增加4%左右,但由于覆冰后葉片氣動(dòng)性能降低,捕獲風(fēng)能降低,導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在正常發(fā)電過(guò)程中載荷出現(xiàn)降低趨勢(shì).

塔底各分量極限載荷Mx,My,Mxy各增加2%左右,覆冰前后塔底Mx極限載荷均出現(xiàn)在DLC 6.2空轉(zhuǎn)工況,此時(shí)葉片處于順槳狀態(tài),湍流風(fēng)風(fēng)向與風(fēng)輪的偏航誤差為90°;塔底My極限載荷出現(xiàn)載荷DLC 2.3工況,電網(wǎng)掉電與極端運(yùn)行陣風(fēng)EOG組合工況;塔底Mz極限載荷出現(xiàn)在DLC 1.2正常發(fā)電工況,塔底Mz極限載荷因覆冰后氣動(dòng)性能變化與湍流風(fēng)隨機(jī)性結(jié)合導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)輪轂坐標(biāo)系下的My,Mz降低,載荷通過(guò)塔架傳遞到塔底導(dǎo)致降低.

4.2不均勻覆冰工況下極限載荷

本節(jié)在表3假定的所有工況基礎(chǔ)上考慮風(fēng)輪不均勻結(jié)冰工況,即兩葉片覆冰與單葉片覆冰情況,統(tǒng)計(jì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的極限載荷,并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果與未覆冰工況的極限載荷進(jìn)行比較.兩葉片覆冰情況下葉根、輪轂、塔底極限載荷比較結(jié)果如圖7～圖9所示.兩葉片覆冰工況相比未覆冰工況極限載荷,葉根My,Mxy載荷增加5%左右.兩葉片覆冰后輪轂載荷變化情況同三葉片覆冰后載荷變化情況一致.

圖7 葉根極限載荷比對(duì)Fig.7 Ultimate load of the blade root

圖8 輪轂極限載荷比對(duì)Fig.8 Ultimate load of the hub

圖9 塔底極限載荷比對(duì)Fig.9 Ultimate load of the tower roots

塔底極限載荷在兩葉片覆冰工況下與未覆冰工況極限載荷相比,塔底Mx,My,Mxy增加幅度在2%～5%以內(nèi).經(jīng)分析塔底Mx極限載荷均出現(xiàn)在DLC6.2湍流風(fēng)、偏航誤差90°工況,兩葉片覆冰后產(chǎn)生風(fēng)輪不平衡質(zhì)量矩,對(duì)塔底左右方向彎矩產(chǎn)生影響.在當(dāng)前覆冰情況下極限載荷增加近5%,需要重新復(fù)核載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響.此外,還需考慮因覆冰產(chǎn)生的不平衡載荷對(duì)塔架底部疲勞載荷的影響.在相同風(fēng)況下覆冰前后兩種情況下的塔底Mx載荷時(shí)序圖,如圖10所示.

圖10 塔底Mx時(shí)序圖比對(duì)Fig.10 Mx-time curve of tower root

單葉片覆冰與兩葉片覆冰均會(huì)造成風(fēng)輪質(zhì)量不平衡以及影響覆冰葉片的氣動(dòng)特性,單葉片結(jié)冰工況相比兩葉片覆冰工況,葉根、輪轂、塔底各關(guān)鍵分量載荷變化與兩葉片覆冰載荷變化趨勢(shì)一致,載荷大小出現(xiàn)不同程度變化:葉根Mz極限載荷增幅8%,塔底各分量載荷均出現(xiàn)小幅度降低,其余部件各分量載荷基本無(wú)變化.

4.3不同空氣密度下極限載荷分析

選取表3中DLC 1.2正常發(fā)電工況,在此基礎(chǔ)上,考慮不同空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷的影響,仿真中基于運(yùn)行控制策略以及控制參數(shù)不變.選取不同空氣密度1.025,1.125,1.225,1.325,1.425 kg/m3.以空氣密度1.025 kg/m3工況計(jì)算出的極限載荷為基準(zhǔn),為降低隨機(jī)風(fēng)種子對(duì)載荷的影響,每個(gè)風(fēng)速下載荷分量的后處理采用6個(gè)風(fēng)種子的計(jì)算結(jié)果取平均方式,其他空氣密度下的各部件載荷與其比值,如圖11所示.

從圖11可以看出,隨著空氣密度的增加,葉片極限載荷Mxy、輪轂極限載荷Myz以及塔底極限載荷Mxy均呈上升趨勢(shì).輪轂極限載荷Myz呈明顯線性趨勢(shì),空氣密度每增幅約10%,載荷增幅10%左右,葉根極限載荷Mxy與塔底極限載荷Mxy隨空氣密度變化增幅5%左右.因此,抗冰凍機(jī)組在設(shè)計(jì)之初,要考慮風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在不同的低溫環(huán)境下,并充分考慮不同空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件載荷的影響.

圖11 部件載荷比值Fig.11 Load of components

5 結(jié)論

考慮葉片覆冰的隨機(jī)性,研究三葉片均勻覆冰、兩葉片與單葉片不均勻覆冰以及低溫情況下不同空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件極限載荷的影響,得出以下結(jié)論:

(1) 葉片覆冰后,葉根Mz最大值增加,風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)之初應(yīng)對(duì)葉片覆冰工況下的載荷進(jìn)行評(píng)估,確保機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中葉片極限載荷Mz包絡(luò)于變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)力矩硬件限值內(nèi),以防變槳失控故障發(fā)生.

(2) 兩葉片覆冰、單葉片覆冰同未覆冰載荷相比,載荷變化趨勢(shì)一致.兩葉片覆冰工況相對(duì)于未覆冰工況,葉根Mx,My增加5%左右,葉根Mz極限載荷增幅近70%,塔底極限載荷增加2%～5%.風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)工況假定中應(yīng)盡可能考慮兩葉片結(jié)冰與其他工況的組合,避免因?yàn)樾「怕适录陌l(fā)生影響風(fēng)電機(jī)組安全.

(3) 低溫環(huán)境中不同空氣密度下,葉根極限載荷Mxy、輪轂極限載荷Myz、塔底極限載荷Mxy隨著空氣密度的增加呈現(xiàn)線性遞增趨勢(shì),且輪轂極限載荷Myz增幅與空氣密度增幅一致.

(4) 風(fēng)輪均勻覆冰與不均勻覆冰對(duì)輪轂載荷影響不大.但風(fēng)輪覆冰后因覆冰質(zhì)量不均勻產(chǎn)生風(fēng)輪不平衡質(zhì)量矩,對(duì)塔底左右彎矩Mx影響較大,且葉片覆冰后氣動(dòng)性能、風(fēng)輪不平衡質(zhì)量矩以及覆冰在一年中發(fā)生的時(shí)間具有隨機(jī)性,應(yīng)在疲勞載荷計(jì)算中充分考慮.下一步,將研究風(fēng)輪覆冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件疲勞載荷的影響.

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Effectofanti-freezingwindturbineloadcharacteristicundertheconditionsoficingblades

ANLiqiang1,CHANGMing2,FUXiujuan2,GEYongqing1,WANGZhangqi1
(1.Department of Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,Hebei, China; 2.Guodian United Power Technology Baoding Company Ltd.,Baoding 071051,Hebei, China)

Wind turbines operated under the low temperature and high humidity,as frequently iced on the blades.Airfoils and nature frequency of blades are effected after ice accretion,and further load characteristic of wind turbine was influenced.Load characteristic of wind turbine effected by icing blades should be considered in the low temperature from the perspective of system security.Taking a 2 MW wind turbine as research object,wind turbine model was established by GH Bladed,the effect on ultimate loads of wind turbine was considered under the conditions of uniform icing,uneven icing on rotor and different air density,then ultimate loads of blades,hub,tower of wind turbine was calculated,and changes of ultimate loads before and after icing blades was analyzed for the optimization design.

airfoil correction; icing blades; ultimate loads; anti-freezing wind turbine

TM 315

： A

： 1672-5581(2017)03-0204-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51675179);河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(16214304D);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014ZD33)

安利強(qiáng)(1974—),男,副教授,博士.Email:anliqiang@ncepu.edu.cn