海上风电机组关键部件的仿真分析及设计优化

引言

海上风电资源对环境影响低、社会不良影响小,具有广阔的应用前景。当前,大功率海上风电机组相继得到研发和投运。应用于海上风电场的机组基本是根据陆上风电机组改进而来的,但如果盲目改进将会产生很大的风险。

1海上风电机组抗台风性能研究现状

随着我国东部沿海风电资源的开发,风电场数量也在增长,与此同时台风造成的破坏也随之增长。国内学者开始研究风电机组的防台风特性,部分学者通过对红海湾风电场的研究发现,过境台风对叶片产生的震动和扭矩是叶片损毁的根本原因。红海湾风电场使用的风力发电机组,叶片最大设计风速70m/s。正常情况下风速可由风速计获得,7号风机是位于整个风电场最高处的风机,根据风速记录显示,在风向标和风速计被破坏前最大风速达57m/s,明显没有达到最大设计风速,但是叶片出现损毁。9台位于山区的风机叶片都有不同程度的损坏,只有一只叶片没有损坏,这些损坏的叶片中有7只处于下垂指向地面的位置。在台风经过区域,空气湍流强度很高,垂直对流也很强,这些因素都会引起对叶片的强冲击。对于海上风电机组而言,叶片损毁将会更加严重。

2海上风电机组叶片模型建立方法

2.1海上风电机组抗台风设计改进

台风造成的风电场损毁事故,充分暴露了现有风电机组的缺陷。基于此,海上风电机组需要加强抗台风设计的改进。

首先,需要改进叶片性能。目前风电机组的容量越来越大,叶片长度超过60m。当台风袭来时,叶片上的载荷非常大,这就很容易造成叶片的变形甚至解体。增加叶片的强度来改善这一情况比较容易,但是会增加风电机组成本。因此,需要从设计上的改善来解决叶片强度的问题。

第二,改进偏航系统。台风来袭时,电网可能被摧毁,后备电源只能供偏航系统连续工作以适应风向的变化。这种方式效率较低,当后备电源耗尽时风电机组将会非常危险。三菱重工设计的新型偏航控制设备正常情况下可以操作风电机组在迎风方向上:台风袭来时,偏航系统自动将叶轮移动到顺风方向。这种方法可以减少叶轮迎风时25%的负载,风电机组可以抵抗风速高达70m/s的台风袭击。

第三,塔筒设计改进。塔筒倒塌会给风电机组带来灾难性毁坏。因此,必须非常重视塔筒设计,特别是安全系数的提升。

第四,加强基础设计。海上风电机组的基础建设在海域环境中,不但需要承受风机本身的重量和风载荷,还需要承受海浪的冲击、海洋生物侵蚀还有海水的侵蚀。风机的抗台风设计包括基础结构整体的设计。

2.2海上风电机组叶片设计模型

叶轮直径指的是风机运行时的扫风平面的直径,该指标是风电机组输出功率的重要影响因素。在风电机组的设计过程中可以用下式来估算叶轮直径:

式中,D是叶轮直径:P是风力机功率:p是空气密度,约等于1.225kg/m3:U是设计风速:Cp是风电机组的风能利用因数:71是发电机效率:72是机械传动系统效率。

叶素理论是目前风电机组叶片设计中的常用理论。该理论将叶片沿叶尖方向划分成许多独立的部分,每部分可以被看作是一个互不影响的二维翼面。空气对每个部分的应力沿叶尖方向合成叶片整体载荷。图1中给出了一个叶片小段的二维翼面,图中展示了风速、叶轮转速和翼面角度的关系。

U＋(1-a）是风速分量垂直于转动平面,(1+a'）0r是切向风速平行于转动平面,经过叶片表面的入流风速U0可以表达为:

入流角o是总入流风速U0和转动平面的夹角:

攻角α是叶片轴线与气流方向的夹角:

叶片不同部分的攻角是不一样的,这取决于每个叶片元素的轴向感应系数a、切向感应系数a'、设计风速以及转速等。

2.3叶尖损失和轮毂损失模型

叶轮后方会有许多叶尖涡流,图2给出了一种螺旋结构,这些涡流决定了感应速度的分布,同时也影响了风电机组的输出功率。

方程(4）为Prandtl尖端损失模型,描述了增加叶尖损失因子Ft以降低修正平流状态下尾流的流速场和涡流平面之间的对流。

式中,R是叶轮的半径。

图3描述了叶片径向的叶尖损失因子Ft,从图中可以看出,在叶尖处叶尖损失系数的值快速下降。这种现象导致叶片的轴向感应系数的值迅速增长,同时叶尖翼面的攻角迅速减小。一系列的反应导致叶片尖端的空气升力明显提升,同时阻力明显下降。

Prandtl尖端损失模型有着一定的不足。这个模型中假设尾流场包含在涡流容量中,并且不延径向延伸。因此,采用该模型进行高叶尖速度比的叶片设计时精度偏低,在轮毂处也有一些激流存在,从而影响感应速度。这就要求轮毂损失模型可以修正这些问题。该模型与叶尖损失模型类似。叶轮损失因数Fh用来描述激流的影响,Fh的计算方法和Ft相同,只有/的确定方法与Ft不同。/描述为:

式中,Rhub是轮毂的半径。

在实际工程应用中,给定的叶素的空气升力通常受到轮毂损失和叶尖损失的同时作用。这时的修正因子不再只是简单的叶尖损失因子或者轮毂损失因子,而是二者的综合:

3结果分析与讨论

叶尖速比指的是风电机组叶尖的转速与设计风速的比值,这是风电机组设计时一个重要的参数。叶尖速比与风电机组的效率有着密切的关系,正常运行状态下,高叶尖速比的风电机组有着更高的风能利用率。风电机组的形式、传动系统和叶轮直径都会影响到叶尖速比。表l展示了叶尖速比、叶片数以及风电机组形式之间的关系,可以明显看出3叶片高速风电机组目前的叶尖速比范围是6～8。

叶轮坚固性指的是叶片平面投影面积和叶轮扫风面积的比率,实际的数值由叶尖速比决定:此外,叶轮的坚固性也和风力机的设计启动风速有关。叶片的空气动力学性能受翼面的空气动力学性能影响很大,高翼面提升比率能够让叶轮更好地获得风能转化能力。在叶片的空气动力设计阶段,为了获得最优的空气动力学特性,不同的翼面被应用到叶片的不同部分。

输入设定为速度输入边界,设定120m/s为风速的计算极值:输出设定为压力推出边界:稳定边界被设定为硬性界限:转速界限被设定为内部界限:叶轮表面被设定为wallboundary:计算的初始值使用流速。基于三维方法建设3Mw风电机组叶轮空气动力学分析模型,对叶片空气动力学性能在极限风速状态下的性能表现进行了分析。图4展示了扭转角从-10°～10°时叶轮表面的最大静压、最小静压和压差。通过全面的叶轮空气动力学受力分析可以看出,叶片扭转角在-6°～-3°时叶轮表面的压差最小,此时安全性最佳。

图5描绘了扭转角在-10°～10°时叶轮压力变化情况,可以看出叶片角为-5°时叶轮表面压力最小,比叶片角0°时小20%左右。这样的受力情况可以大大减少风电机组叶片在台风来袭时的坚强性。通过实际情况与Bladed软件的仿真结果对比可以明显看出二者基本一致并且误差很小,这也证明了计算流体动力学(CFD）应用于风电机组空气动力特性设计优化具有很好的精确度。

计算流体动力学(CFD）方法被许多研究人员用于分析复杂流场的特性,该方法的可行性与精确性被广泛认可。基于CFD,我们对极限风速下叶轮压力与叶片扭转角的关系进行了分析,通过21个模型的对比分析得到结论:叶片扭转角为-5°时叶轮表面压力最小,并且此时压力可以降低20%左右。该结果极大地提高了风电机组叶片设计的安全性。

4结语

本文研究了海上风电机组叶片的抗台风特性,讨论了台风对风电场的影响、叶片空气动力学设计理论、叶片的空气动力学外形设计方法、叶轮在台风来袭时的受力情况以及叶片扭转角对叶轮受力的影响,利用Bladed和CFD技术建立叶轮模型来判断台风来袭时叶轮迎风角度。另外,文章还分析了极限风速下叶片扭转角对叶轮压力的影响,通过分析对比得出结论:叶片扭转角为-5°时叶轮表面压力最小,并且此时压力可以降低20%左右。