風(fēng)突變效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)振動(dòng)特性影響研究

丁勤衛(wèi)， 李 春,2， 葉 舟,2， 闞 威

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093； 2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

?

風(fēng)突變效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)振動(dòng)特性影響研究

丁勤衛(wèi)1， 李 春1,2， 葉 舟1,2， 闞 威1

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093； 2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

風(fēng)是影響風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)特性的最直接的因素，風(fēng)速突變將誘發(fā)風(fēng)力機(jī)更強(qiáng)的氣動(dòng)載荷。為分析風(fēng)力機(jī)在高突變湍流風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)振動(dòng)特性，以NREL實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為湍流風(fēng)數(shù)據(jù)源，并添加擬序結(jié)構(gòu)刻畫(huà)風(fēng)速突變，以NREL Wind PACT 1.5 MW樁柱式風(fēng)力機(jī)為樣機(jī)，分別研究了風(fēng)力機(jī)葉片和塔架的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明：添加擬序結(jié)構(gòu)前后，輪轂點(diǎn)處風(fēng)速分形維數(shù)均在1.5左右；擬序結(jié)構(gòu)的添加使得基礎(chǔ)湍流風(fēng)具有更大的風(fēng)突變以及更高的湍流強(qiáng)度；切出風(fēng)速工況，風(fēng)力機(jī)葉尖位移同時(shí)為揮舞和擺振；擬序結(jié)構(gòu)的添加使得葉片和塔架振動(dòng)加速度成倍增加。

風(fēng)力機(jī)；擬序結(jié)構(gòu)；位移；振動(dòng)；加速度

風(fēng)能作為一種清潔的永續(xù)能源逐漸受到各國(guó)的重視，2014年中國(guó)新增裝機(jī)容量達(dá)到2 303 萬(wàn)kW[1-2]。我國(guó)風(fēng)能資源的整體特點(diǎn)是分布廣、不穩(wěn)定和能量密度相對(duì)較低[3]，風(fēng)能資源相對(duì)豐富的東南沿海地區(qū)需要面對(duì)地貌復(fù)雜、氣流強(qiáng)烈的空間不均勻性和時(shí)域風(fēng)場(chǎng)非定常性等客觀因素的巨大挑戰(zhàn)。風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的設(shè)備，風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，來(lái)流風(fēng)向改變、邊界層效應(yīng)、大氣紊流、陣風(fēng)以及上游風(fēng)力機(jī)尾跡的影響，使得風(fēng)力機(jī)在多數(shù)情況下處于非穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行環(huán)境，突變的風(fēng)作用于風(fēng)力機(jī)將導(dǎo)致非定常的氣動(dòng)外載[4-5]。

早期對(duì)風(fēng)力機(jī)的研究側(cè)重于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的提升[6-7]，忽視了其振動(dòng)性能方面的研究，近年來(lái)頻繁出現(xiàn)的風(fēng)力機(jī)損害事故使得風(fēng)力機(jī)振動(dòng)特性研究成為風(fēng)力機(jī)研究領(lǐng)域內(nèi)的新熱點(diǎn)[8-9]。文獻(xiàn)[10]考慮氣彈耦合現(xiàn)象，對(duì)失速型600 kW風(fēng)力機(jī)進(jìn)行振動(dòng)分析。文獻(xiàn)[11]比較了索塔型風(fēng)力機(jī)和塔架型風(fēng)力機(jī)在50 a一遇陣風(fēng)作用下振動(dòng)響應(yīng)。文獻(xiàn)[12]通過(guò)對(duì)某3 MW風(fēng)力機(jī)塔架動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，得到了風(fēng)力機(jī)塔架在風(fēng)-地震聯(lián)合作用下塔架頂部振動(dòng)位移和塔架底部載荷。文獻(xiàn)[13]通過(guò)建立風(fēng)力機(jī)柔性葉片氣彈耦合方程，分析葉片的振動(dòng)和葉根揮舞和擺振力矩，研究了柔性葉片振動(dòng)對(duì)氣動(dòng)載荷的影響。文獻(xiàn)[14]通過(guò)建立連續(xù)梁的偏微分方程，施加外部和內(nèi)部的正弦激勵(lì)，通過(guò)Galerkin數(shù)值分析方法，研究了葉片的非線性振動(dòng)。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有對(duì)風(fēng)力機(jī)振動(dòng)特性研究大都側(cè)重于單一柔性部件或塔架或葉片，同時(shí)限于條件只進(jìn)行定性分析而未定量比較，對(duì)風(fēng)況的選擇大都是普通湍流風(fēng)，并未考慮極強(qiáng)的湍流和切變效應(yīng)。

為探究突變的風(fēng)對(duì)風(fēng)力機(jī)振動(dòng)特性影響，選擇一種合適的方法建立隨時(shí)間及空間變化的湍流風(fēng)是仿真首先需要解決的問(wèn)題。文獻(xiàn)[15]通過(guò)大渦模擬方法，考慮大氣邊界層和地表粗糙度等條件，建立風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的三維風(fēng)場(chǎng)，該方法雖然空間、時(shí)間尺度均滿足仿真需求，但需耗費(fèi)大量的計(jì)算資源；文獻(xiàn)[16-18]均基于測(cè)風(fēng)塔收集的實(shí)際時(shí)域風(fēng)速數(shù)據(jù)，分別通過(guò)自回歸滑動(dòng)平均模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型和模糊邏輯預(yù)測(cè)等方法得到小空間范圍的風(fēng)速變化規(guī)律，該方法雖然準(zhǔn)確性較高，但對(duì)于大空間風(fēng)場(chǎng)模型需要大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為近似樣本，因此成本較高；文獻(xiàn)[19]基于風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)域風(fēng)速數(shù)據(jù)，考慮地表粗糙度，通過(guò)氣象分析方法建立整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布，該模型雖然準(zhǔn)確度較高，但空間尺度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)載荷計(jì)算誤差變大；文獻(xiàn)[20-21]基于經(jīng)典的湍流風(fēng)譜模型并考慮了空間相干關(guān)系建立了三維時(shí)域變化的風(fēng)場(chǎng)，該方法理論清晰并容易實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用最為廣泛。

故針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先采用NREL提出的NWTCUP湍流譜模型，同時(shí)，為表示時(shí)有發(fā)生的風(fēng)速變化突然加劇的風(fēng)況，在基礎(chǔ)湍流風(fēng)上加入擬序結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)風(fēng)速的擾動(dòng)程度。通過(guò)該方法建立合適的強(qiáng)湍流風(fēng)，對(duì)NREL Wind PACT 1.5 MW樁柱式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真，分析風(fēng)力機(jī)振動(dòng)特性響應(yīng)，以期為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和安全性的提高提供理論參考。

1 研究方法

基于模態(tài)截?cái)喾ǖ娘L(fēng)力機(jī)多體動(dòng)力學(xué)建模的計(jì)算方法是目前實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真的主流方式之一。模態(tài)截?cái)喾ㄊ乾F(xiàn)有各風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件(GH.Bladed、FAST、FLEX5等)通用的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法，該方法假設(shè)風(fēng)力機(jī)為有限個(gè)剛性體和柔性體的組合系統(tǒng)，通過(guò)形函數(shù)描述風(fēng)力機(jī)柔性葉片和塔架的模態(tài)振型，葉片和塔架等連續(xù)體的變形被表示為一系列正振動(dòng)模態(tài)的線性疊加，可將葉片和塔架從連續(xù)系統(tǒng)的無(wú)限多個(gè)自由度減小到N(N為選取的簡(jiǎn)正模態(tài)數(shù)目)，從而加快氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算速度。其中，由NWTC(National Wind Technology Center)針對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)研發(fā)的開(kāi)源軟件FAST應(yīng)用最為廣泛。

FAST是耦合氣動(dòng)-伺服-彈性在時(shí)域求解風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的CAE軟件，業(yè)已通過(guò)GL的陸上風(fēng)力機(jī)氣彈計(jì)算軟件的認(rèn)證，因此具有較高的計(jì)算精度[22]，其主要包含3個(gè)模塊：氣動(dòng)模塊(AeroDyn)、彈性模塊(ElastoDyn)和伺服控制模塊(ServoDyn)。其中，AeroDyn模塊采用Pitt-Peters加速度勢(shì)動(dòng)態(tài)入流理論，求解風(fēng)輪平面誘導(dǎo)速度；考慮Prandtl葉尖損失及葉輪損失，通過(guò)葉素動(dòng)量理論結(jié)合翼型靜態(tài)氣動(dòng)力特性求解風(fēng)輪氣動(dòng)力，翼型動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性則通過(guò)Beddoes-Leishman動(dòng)態(tài)失速模型修正。在ElastoDyn模塊中，通過(guò)Kane方法建立多體動(dòng)力學(xué)模型，將風(fēng)力機(jī)視為由葉片、低速軸和塔架等柔性體及輪轂、變速箱、高速軸、發(fā)電機(jī)和機(jī)艙等剛性體組成的多結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)。采用模態(tài)截?cái)喾枋鋈~片和塔架等柔性連續(xù)體彈性變形，假設(shè)其結(jié)構(gòu)變形為一系列振動(dòng)模態(tài)的線性疊加，以氣動(dòng)模塊求解的風(fēng)輪氣動(dòng)力作為輸入激勵(lì)，得到該時(shí)間步的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)并反饋至伺服模塊和氣動(dòng)模塊。ServoDyn模塊則根據(jù)彈性模塊反饋信息作出相應(yīng)的控制指令，主要包括調(diào)節(jié)葉片槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和高速軸轉(zhuǎn)速等。具體仿真流程如圖1所示，其中Tmax為仿真時(shí)間，Δt為時(shí)間步長(zhǎng)。

圖1 動(dòng)力學(xué)仿真流程圖Fig.1 The flowchart of dynamic simulation

2 研究對(duì)象

本文模擬風(fēng)力機(jī)為NREL WindPACT 1.5 MW風(fēng)力機(jī)[23]，風(fēng)力機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)力機(jī)參數(shù)

在風(fēng)力機(jī)上建立多個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系，分別為葉片坐標(biāo)系{O,X,Y,Z}、輪轂坐標(biāo)系{O′,X′,Y′,Z′}和塔架坐標(biāo)系{O″,X″,Y″,Z″}，各結(jié)構(gòu)部件坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 風(fēng)力機(jī)坐標(biāo)系Fig.2 The coordinates of the model of the wind turbine

3 風(fēng)場(chǎng)模型的建立

3.1 風(fēng)譜選擇

風(fēng)場(chǎng)模型與風(fēng)載荷直接相關(guān)，風(fēng)場(chǎng)模型選擇的準(zhǔn)確性刻畫(huà)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的真實(shí)環(huán)境。為真實(shí)模擬風(fēng)力機(jī)在湍流風(fēng)作用下柔性部件振動(dòng)特性響應(yīng)，本文選用由NWTC建立的NWTCUP風(fēng)譜模型，該模型由實(shí)測(cè)40 Hz時(shí)間序列數(shù)據(jù)構(gòu)成的湍流模型速度譜。該模型的特殊之處在于結(jié)合了SMOOTH[24-25]風(fēng)譜模型和San Gorgonio風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速。其中SMOOTH風(fēng)譜模型適合于地表粗糙度較低的地形，而San Gorgonio風(fēng)電場(chǎng)與我國(guó)東海附近風(fēng)電場(chǎng)緯度、氣候和地形均十分接近，具有地表粗糙度低、能量密度高和湍流度強(qiáng)等特點(diǎn)。該風(fēng)譜模型一定程度上可以代表我國(guó)東部近海湍流風(fēng)。

根據(jù)風(fēng)力機(jī)參數(shù)設(shè)定風(fēng)場(chǎng)覆蓋區(qū)域?yàn)?49 m×149 m，如圖3所示。風(fēng)速分量u沿x軸正向(即垂直于風(fēng)輪平面)，風(fēng)速分量v沿y軸正向，風(fēng)速分量w沿z軸正向。對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共15×15個(gè)節(jié)點(diǎn)，輪轂中心位于中心節(jié)點(diǎn)。

圖3 風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域示意圖Fig,3 Wind Field of Simulation

任意給定點(diǎn)的風(fēng)速和湍流分量可用過(guò)風(fēng)譜模型得到，但整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速分布情況及湍流度無(wú)法通過(guò)某一個(gè)點(diǎn)的風(fēng)譜表示，因此，必須考慮空間點(diǎn)之間的相互關(guān)系，這種相互作用的關(guān)系可通過(guò)空間相干模型表示：

(1)

式中：Si,j(f)為節(jié)點(diǎn)i,j的互功率譜；C(Δr,f)為空間相干大小，節(jié)點(diǎn)之間的距離為Δr；Si,i(f)和Sj,j(f)分別為節(jié)點(diǎn)i和j的功率譜，在同一高度處通?？梢哉J(rèn)為二者相等

3.2 擬序結(jié)構(gòu)

擬序結(jié)構(gòu)是具有真實(shí)時(shí)空特征的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定流數(shù)值模擬結(jié)果，首先將其分割成具有無(wú)量綱速度信息的固定的無(wú)量綱尺寸片段，然后在空間和時(shí)間維度進(jìn)行縮放，以確定其對(duì)絕對(duì)風(fēng)速的影響大小。通過(guò)在普通湍流風(fēng)上加入擬序結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)風(fēng)速湍動(dòng)，以此刻畫(huà)高風(fēng)突變和高湍流度。擬序結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱可通過(guò)相干湍動(dòng)能來(lái)描述：

(2)

式中:u′為X方向的風(fēng)速波動(dòng)值；v′為Y方向的風(fēng)速波動(dòng)值；w′為Z方向的風(fēng)速波動(dòng)值。

通過(guò)冪律風(fēng)廓線形式描述風(fēng)剪切效應(yīng)，水平方向速度變化規(guī)律采用對(duì)數(shù)風(fēng)廓線表示：

(3)

式中:u(z)為垂直方向速度分布；u(zhub)為輪轂處風(fēng)速；z為計(jì)算節(jié)點(diǎn)高度；zhub為輪轂高度；u(y)為水平方向速度分布；u(yhub)為輪轂處風(fēng)速；y為計(jì)算節(jié)點(diǎn)水平位置；z0為地表表面粗糙度，其值取0.021；ψ為垂直穩(wěn)定度無(wú)量綱函數(shù)。

3.3 風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果

以輪轂中心為參考點(diǎn)，以該點(diǎn)時(shí)歷平均風(fēng)速24 m/s為參考風(fēng)速，對(duì)選擇的NWTCUP風(fēng)譜模型進(jìn)行傅里葉逆變換并考慮空間相干關(guān)系得到空間各個(gè)節(jié)點(diǎn)風(fēng)速，并通過(guò)建立基礎(chǔ)湍流風(fēng)，并在150 s～450 s之間隨機(jī)添加擬序結(jié)構(gòu)建立更強(qiáng)的湍流風(fēng)，共2種風(fēng)況：普通湍流風(fēng)(無(wú)擬序結(jié)構(gòu))、強(qiáng)湍流風(fēng)(添加擬序結(jié)構(gòu))。圖4為300 s時(shí)加入擬序結(jié)構(gòu)前后風(fēng)速的比較。由圖4可知，加入擬序結(jié)構(gòu)后空間風(fēng)速分布出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的渦，風(fēng)速大小差異更大，且平均風(fēng)速增大，說(shuō)明添加擬序結(jié)構(gòu)的有效性。

圖4 加入擬序結(jié)構(gòu)前后速度對(duì)比Fig.4 Wind speed of background inflow only and coherent structure added wind

兩種風(fēng)況在輪轂點(diǎn)風(fēng)速在三個(gè)方向分量大小及其對(duì)比情況如圖5所示。由圖5可知，添加擬序結(jié)構(gòu)的150 s～450 s內(nèi)，三個(gè)方向的風(fēng)速分量均出現(xiàn)了劇烈的波動(dòng)，尤其是v和w，風(fēng)速波動(dòng)的增大不僅僅引起風(fēng)速絕對(duì)大小的增加，更加劇風(fēng)速方向的變化。

圖5 輪轂高度處風(fēng)速時(shí)域分布Fig.5 Velocities of wind at hub height in time domain

圖6為加入擬序結(jié)構(gòu)前后相干湍動(dòng)能的變化對(duì)比情況，由圖6可直觀的看出擬序結(jié)構(gòu)的添加使得相干湍動(dòng)能增加翻倍。

圖6 輪轂點(diǎn)湍動(dòng)能變化曲線Fig.6 The variations of wind speed at hub point

為進(jìn)一步表明擬序結(jié)構(gòu)添加的更接近實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的有效性，通過(guò)計(jì)盒維數(shù)法計(jì)算輪轂點(diǎn)處總風(fēng)速的分形維數(shù)[26]。計(jì)算結(jié)果為：未加入擬序結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)為1.493 6，加入擬序結(jié)構(gòu)后為1.508 1，二者均在1.5左右，且相差很小，表明了所建立的湍流風(fēng)具有非常明顯的混沌特征和自然屬性，從而驗(yàn)證擬序結(jié)構(gòu)的添加的有效性。

4 結(jié)果與分析

風(fēng)力機(jī)的柔性部件主要為葉片、塔架和低速傳動(dòng)軸，其中低速傳動(dòng)軸的剛度相對(duì)較大，且在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中位移較小，因此，柔性結(jié)構(gòu)研究重點(diǎn)為葉片和塔架。

4.1 計(jì)算結(jié)果可靠性驗(yàn)證

分別建立風(fēng)速為3、7、12、18、21和25 m/s的全域穩(wěn)態(tài)風(fēng)，模擬時(shí)間為600 s，對(duì)應(yīng)功率隨風(fēng)速變化如圖7所示。

圖7 功率Fig.7 Rotor power

由圖7可知隨風(fēng)速增加平均功率逐漸增大到額定功率，在7 m/s左右出現(xiàn)較大功率波動(dòng)當(dāng)風(fēng)速超過(guò)12 m/s時(shí)功率趨于穩(wěn)定，這與風(fēng)力機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的情況較為接近。計(jì)算結(jié)果表明模型和求解方法能較好的反應(yīng)風(fēng)力機(jī)真實(shí)運(yùn)行情況，較大程度驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性和可信度。

4.2 柔性部件結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

圖8為風(fēng)力機(jī)在兩種湍流風(fēng)作用下葉尖位移、葉根載荷時(shí)歷曲線及有無(wú)添加擬序結(jié)構(gòu)的對(duì)比情況。在葉片坐標(biāo)系中，X方向?yàn)榭v向，Y方向?yàn)闄M向；葉片在XOZ平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)為揮舞；在YOZ平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)為擺振。

圖8 葉片位移和載荷Fig.8 Deflectionand load of the blade-tip

由圖8(a)和圖8(b)可知，湍流風(fēng)作用下，未添加擬序結(jié)構(gòu)時(shí)葉尖揮舞波動(dòng)范圍-0.9～1.4 m，擺振波動(dòng)范圍-0.6～0.5 m，添加擬序結(jié)構(gòu)之后，葉尖揮舞波動(dòng)范圍-1～1.8 m，葉尖擺振波動(dòng)在-0.8～0.6 m；葉尖位移同時(shí)體現(xiàn)為揮舞和擺振，但揮舞方向略大于擺振方向。在添加擬序結(jié)構(gòu)的150～450 s內(nèi)，葉尖位移波動(dòng)幅度加劇，即出現(xiàn)大變形時(shí)間縮短。無(wú)論是否添加擬序結(jié)構(gòu)，葉尖揮舞均滿足該風(fēng)力機(jī)最小葉片凈空設(shè)計(jì)小于3.3 m的要求[24]，進(jìn)一步說(shuō)明計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可信。

由圖8(c)和8(d)可知，在來(lái)流風(fēng)作用下，葉根處承受巨大的揮舞力矩和擺振力矩，未添加擬序結(jié)構(gòu)時(shí)，葉根擺振力矩波動(dòng)在-511～554 kN·m，揮舞力矩波動(dòng)在-512～1 240 kN·m，添加擬序結(jié)構(gòu)后，葉根擺振力矩波動(dòng)-596～741 kN·m，揮舞力矩波動(dòng)在-627～1 410 kN·m；波動(dòng)幅度分別為未添加擬序結(jié)構(gòu)時(shí)的1.25倍和1.16倍。

因風(fēng)輪有著巨大的迎風(fēng)面積，葉根揮舞方向力矩主要來(lái)自于氣動(dòng)載荷，故揮舞方向力矩高于擺振方向力矩；擺振方向力矩一部分來(lái)自氣動(dòng)載荷，更多的一部分來(lái)自于葉片的自重，葉片在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，葉片因慣性作用產(chǎn)生具有周期性的力矩?？傮w而言，風(fēng)速的突變導(dǎo)致氣動(dòng)載荷的突變，強(qiáng)湍流風(fēng)作用下(擬序結(jié)構(gòu)的添加)，葉片葉尖位移增大、葉根力矩增加，加劇了葉片的疲勞載荷并容易導(dǎo)致疲勞破壞。

圖9為風(fēng)力機(jī)在兩種湍流風(fēng)作用下葉尖、塔尖振動(dòng)加速度時(shí)歷曲線及有無(wú)添加擬序結(jié)構(gòu)的對(duì)比情況。

圖9 葉尖和塔尖振動(dòng)加速度Fig.9 Vibration acceleration of the blade-tip and tower-top

由圖9可知，添加擬序結(jié)構(gòu)的150～450 s內(nèi)，葉尖和塔尖振動(dòng)加速度波動(dòng)速度和幅度劇烈增加。由圖9(a)和圖9(b)可知，未添加擬序結(jié)構(gòu)時(shí)，葉尖揮舞振動(dòng)加速度波動(dòng)在-8.8～28.6 m/s2，葉尖擺振加速度波動(dòng)在-8.8～8.9 m/s2；添加擬序結(jié)構(gòu)后，葉尖揮舞振動(dòng)加速度波動(dòng)在-97.3-92.7 m/s2，擺振方向振動(dòng)加速度波動(dòng)在-18.9～22.8 m/s2；揮舞方向振動(dòng)加速度波動(dòng)幅度為未添加擬序結(jié)構(gòu)的5倍，擺振方向振動(dòng)加速度波動(dòng)幅度約為未添加擬序結(jié)構(gòu)的2倍。

由圖9(c)和圖9(d)可知，未添加擬序結(jié)構(gòu)時(shí)，塔尖前后方向振動(dòng)加速度波動(dòng)在-0.6～0.9 m/s2，塔尖左右方向振動(dòng)加速度波動(dòng)在-0.4～0.4 m/s2；添加擬序結(jié)構(gòu)后，塔尖前后振動(dòng)加速度波動(dòng)在-1.4～1.4 m/s2，波動(dòng)幅度約為未添加擬序結(jié)構(gòu)時(shí)的2倍，塔尖左右振動(dòng)加速度波動(dòng)在-0.9～0.7 m/s2，波動(dòng)幅度約為未添加擬序結(jié)構(gòu)時(shí)的2倍。

葉尖振動(dòng)加速度揮舞方向大于擺振方向，這主要是因?yàn)閾]舞方向葉片所受氣動(dòng)載荷(風(fēng)輪軸向推力)較大，揮舞方向更容易發(fā)生形變及運(yùn)動(dòng)；塔尖方向振動(dòng)加速度在前后方向和左右方向較接近；對(duì)比葉尖和塔尖振動(dòng)加速度可知，葉尖振動(dòng)加速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塔尖振動(dòng)加速度，這主要是因?yàn)樗鈩偠容^大，與葉片相比不易形變。因葉片屬柔性構(gòu)件，同時(shí)葉片上的氣動(dòng)載荷和葉片的運(yùn)動(dòng)是耦合的，故氣動(dòng)載荷波動(dòng)劇烈時(shí)，葉片振動(dòng)會(huì)迅速加劇，同時(shí)作用在塔尖處的加速度也是迅速加劇。

5 結(jié) 論

基于NWTCUP湍流風(fēng)譜模型建立了基礎(chǔ)湍流風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)湍流風(fēng)添加逆序結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了湍動(dòng)劇烈的湍流風(fēng)場(chǎng)作為風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境，以NREL Wind PACT 1.5 MW樁柱式風(fēng)力機(jī)為樣機(jī)，模擬風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，分析了風(fēng)力機(jī)柔性部件即葉片和塔架的位移和振動(dòng)特性，得出結(jié)論如下：

(1) 擬序結(jié)構(gòu)的添加可導(dǎo)致更大的風(fēng)速突變、更強(qiáng)的湍流度效應(yīng)，使風(fēng)具有更高的湍動(dòng)能，其分形維數(shù)為1.508 1，具有明顯的分形特征和混沌特性，表明模型建立的準(zhǔn)確性即擬序結(jié)構(gòu)添加的有效性；

(2) 對(duì)設(shè)定風(fēng)速(切出風(fēng)速附近)，葉尖位移同時(shí)體現(xiàn)為揮舞和擺振，但揮舞方向位移大于擺振方向；揮舞方向葉根力矩大于擺振方向葉根力矩；高風(fēng)突變、高湍流度加劇了葉根處疲勞載荷；

(3) 擬序結(jié)構(gòu)的添加使得葉片和塔架的振動(dòng)較之無(wú)擬序結(jié)構(gòu)有了成倍的增加，振動(dòng)的加劇可以誘發(fā)顫振進(jìn)而導(dǎo)致葉片和塔架的損毀，因此，風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)不僅僅考慮最大風(fēng)速，更應(yīng)該考慮風(fēng)突變效應(yīng)。

[1] Global Wind Energy Council. Global wind statitics 2014[R]. Global Wind Energy Council，2015.

[2] 張亮，吳海濤，荊豐梅，等.海上漂浮式風(fēng)力機(jī)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].海洋技術(shù)，2010，29(4)：22-27. ZHANG Liang, WU Haitao, JING Fengmei, et al. Study on offshore floating wind turbine and its development[J]. Ocean Technology, 2010, 29(4):22-27.

[3] 李春，葉舟，高偉，等．現(xiàn)代陸海風(fēng)力機(jī)計(jì)算域仿真[M]．上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[4] 周文平，唐勝利，呂紅. 風(fēng)剪切和動(dòng)態(tài)來(lái)流對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)尾跡和氣動(dòng)性能的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，32(14)：122-127. ZHOU Wenping, TANG Shengli, Lü Hong. Effect of transient wind shear and dynamic inflow on the wake structure and performance of horizontal axis wind turbine[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 32(14):122-127.

[5] 李本立，宋憲耕，賀德馨，等. 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999：162-165.

[6] HABALI S M, SALCH I A. Design and testing of small mixed airfoil wind turbine blades [J]. Renewable Energy, 1995, 6(2):161-169.

[7] FUGLSANG P, BAK C. Development of the ris? wind turbine airfoils [J]. Wind Energy, 2004(7):145-162.

[8] GANERIWALA S N, YANG J, RICHARDON M. Using modal analysis for detecting cracks in wind turbine blades [J]. Sound and Vibration, 2011,45(5):10-13.

[9] KUSNICK J F. Vertical axis wind turbine operational modal analysis in sheared wind flow [C]//Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series, 2012, 2:333-344.

[10] 金鑫，何玉林，劉樺. 基于Pitt-peters理論的風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)分析[J].工程力學(xué)，2008，25(7)：28-33. JIN Xin, HE Yulin, LIU Hua. Vibration analysis of wind turbine based on Pitt-peters theory [J]. Engineering Mechanics, 2008, 25(7):28-33.

[11] 章子華，劉國(guó)華，王振宇，等.抗臺(tái)風(fēng)的索塔型風(fēng)機(jī)可行性研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009,39(增刊2)：179-185. ZHANG Zihua, LIU Guohua, WANG Zhenyu, et al. Feasibility study of anti-strong-wind cable-tower structure[J]. Journal of Southeast University (Nature Science Edition), 2009, 39(Sup2):179-185.

[12] 曹必鋒，衣傳寶.風(fēng)力機(jī)塔架在風(fēng)-地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014，34(4)：205-209. CAO Bifeng, YI Chuanbao. Dynamic response analysis wind turbine towers under wind and earthquake combined loadings[J]. Noise and Vibration Control, 2014, 34(4):205-209.

[13] 徐磊，李德源，莫文威，等.基于非線性氣彈耦合模型的風(fēng)力機(jī)柔性葉片隨機(jī)響應(yīng)分析[J].振動(dòng)與沖擊，2015，34(10)：20-27. XU Lei, LI Deyuan, MO Wenwei, et al. Random response analysis for the flexible blade of a wind turbine based on nonlinear aero-elastic coupled model[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(10): 20-27.

[14] LI L, LI Y H, LIU Q K, et al. Flapwise non-linear dynamics of wind turbine blades with both external and internal resonances[C]//International Journal of Non-linear Mechanics, 2014.

[15] FLEMING P, GEBRAAD P, VAN WINGERDEN J W, et al. The SOWFA super-controller: A high-fidelity tool for evaluating wind plant control approaches[C]//Proceedings of the EWEA Annual Meeting, Vienna, Austria. 2013.

[16] BOSSANYI E. Short-term stochastic wind prediction and possible control applications[C]//Proceedings of the Delphi workshop on wind energy applications. 1985.

[17] BILGILI M, SAHIN B, YASAR A. Application of artificial neural networks for the wind speed prediction of target station using reference stations data[J]. Renewable Energy, 2007, 32(14): 2350-2360.

[18] DAMOUSIS I G, ALEXIADIS M C, THEOCHARIS J B, et al. A fuzzy model for wind speed prediction and power generation in wind parks using spatial correlation[J]. Energy Conversion, IEEE Transactions on, 2004, 19(2): 352-361.

[19] RATHMANN O, MORTENSEN N G, LANDBERG L. The numerical wind atlas-the KAMM/WAsP method[R]. Ris? National Laboratory, 2001.

[20] 岳一松，蔡旭. 風(fēng)場(chǎng)與風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2008，35(4)：17-21. YUE Yisong，CAI Xu．Design and actualization of wind farm and wind turbine imitation system[J]．Electric Machines & Control Application．2008，35(4)：17-21．

[21] 陳曉明．風(fēng)場(chǎng)與風(fēng)力機(jī)尾流模型研究[D]．蘭州：蘭州理工大學(xué)，2010．

[22] BUHI JR M L, MANJOCK A. A comparison of wind turbine aeroelastic codes used for certification[R]. NREL/CP-500-39113,UAS,2006.

[23] SMITH K．WindPACT Turbine design scaling studies technical area 2: turbine, rotor, and blade logistics[R]．USA: National Renewable Energy Laboratory, 2001．

[24] H?JSTRUP J. Velocity spectra in the unstable planetary boundary layer[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1982, 39(10): 2239-2248.

[25] OLESEN H R, LARSEN S E, H?JSTRUP J. Modelling velocity spectra in the lower part of the planetary boundary layer[J]. Boundary-Layer Meteorology, 1984, 29(3): 285-312.

[26] CHANG T P, KO H H, LIU F J, et al. Fractal dimension of wind speed time series[J]. Applied Energy, 2012, 93: 742-749.

Effects of wind gust on a wind turbine’s vibration characteristics

DING Qinwei1, LI Chun1,2, YE Zhou1,2, KAN Wei1

(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093, China;2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China)

A wind turbine suffers from complex environmental conditions and wind is the most important and direct factor that can affect its aerodynamic and structural characteristics. Abrupt wind speed change may lead to higher aerodynamic loads. In order to analyze the structural dynamic characteristics of a wind turbine operating under the action of a strong turbulent wind, simulations were performed with a NREL WindPACT 1.5 MW land-based wind turbine model to study dynamic responses of the wind turbine’s blades and tower. The results slowed that before and after adding a coherent structure, fractal dimensions of wind speed at hub point are both around 1.5; adding a coherent structure into a turbulent flow can cause a higher wind speed change and a stronger turbulent intensity, compared with the basic turbulent wind; when the wind achieves an ultimate speed, the wind turbine’s blades have both in-plane and out-plane vibrations; turbulent wind with a coherent structure can make vibration accelerations of blades and tower foldincrease.

wind turbine; coherent structure; deflection; vibration; acceleration

國(guó)家自然科學(xué)基金(E51176129)；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新(重點(diǎn))(13ZZ120,13YZ066)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(博導(dǎo))(20123120110008);上海市科委項(xiàng)目資助(13DZ2260900)

2015-06-08 修改稿收到日期：2015-11-02

丁勤衛(wèi) 男，博士生，1990年4月生

李春 男，博士，教授,博士生導(dǎo)師，1963年2月生

TK83

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.21.008