葉片變槳失效過程中空氣動力失衡對海上風(fēng)機(jī)影響

李嘉文，唐友剛，李 焱

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

葉片變槳失效過程中空氣動力失衡對海上風(fēng)機(jī)影響

李嘉文，唐友剛，李 焱

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

葉片槳距角之間的角度差異產(chǎn)生的空氣動力失衡是海上風(fēng)機(jī)的主要動力問題之一?；诤Ｉ巷L(fēng)機(jī)分析程序FAST和水動力計算程序WADAM開發(fā)的一種時域數(shù)值模擬程序，可計算海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在風(fēng)浪載荷作用下的耦合動力響應(yīng)。應(yīng)用此數(shù)值工具，模擬一個葉片上變槳控制系統(tǒng)失效的情況，研究空氣動力失衡對浮式海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運動響應(yīng)的影響。分析表明，空氣動力載荷失衡引起的激振不僅激發(fā)了浮式基礎(chǔ)的橫向運動，而且增大了基礎(chǔ)的縱蕩運動和首搖運動。同時，空氣動力失衡還大幅增加了風(fēng)機(jī)塔柱底部受到的橫向剪切力，對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的安全性造成了威脅。

海上風(fēng)機(jī)；葉片變槳系統(tǒng)；空氣動力失衡；耦合動力分析

Abstract: Aerodynamic imbalance due to the difference between the blade pitch angles is a major cause of the dynamic problems of the offshore wind turbine. The effects of the aerodynamic imbalance on the responses of an offshore wind turbine were analyzed. Based on the wind turbine analysis code FAST and hydrodynamics computational code WADAM, a time-domain numerical simulation tool was developed to calculate the coupled dynamic analysis of the offshore wind turbine in the presence of wind and wave loads. To investigate the influence of the aerodynamic imbalance, the case with one pitch controller failure was simulated and performed with this numerical tool. The analysis shows that the excitation induced by the aerodynamic imbalance results in the significant changes in the responses of the floating foundation, not only the horizontal motion, but also the surge motion and yaw motion. Meanwhile, the side-side shear forces of the tower base are significantly increased, which could be the potential risk to the safety of the wind turbine system.

Keywords: offshore wind turbine; blade pitch control; aerodynamic imbalance; dynamic coupled analysis

在現(xiàn)代風(fēng)機(jī)設(shè)計中，每一個葉片都配有一個獨立的變槳控制系統(tǒng)，其所有部件都安裝在輪轂上，風(fēng)機(jī)正常運行時所有部件隨輪轂以一定的速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)風(fēng)速在風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速內(nèi)時，為了控制電機(jī)的輸出功率，變槳控制系統(tǒng)會根據(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)每個葉片的槳距角，從而改變?nèi)~片上受到的升力，使風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在一個穩(wěn)定的區(qū)間。在停機(jī)自存工況下，變槳系統(tǒng)會將每一個葉片順槳至90°位置，因此葉片上受到的阻力會大幅增加，升力大幅減小。通過這種空氣動力制動的方式使風(fēng)機(jī)逐漸停機(jī)，確保整個風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在停機(jī)自存海況下的安全。

然而每個葉片的變槳控制系統(tǒng)都是一個獨立的機(jī)械單元，當(dāng)三個葉片的槳距角存在差異時，每個葉片上受到的空氣載荷便各不相同，進(jìn)而導(dǎo)致空氣動力失衡，產(chǎn)生的激振載荷與葉片旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用可能對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一定頻率的附加載荷。研究表明，葉片空氣動力失衡和葉片質(zhì)量失衡是傳動系統(tǒng)低速軸扭矩波動的主要原因。據(jù)統(tǒng)計，60%的扭矩激振來自于葉片質(zhì)量失衡，40%來自于葉片空氣動力失衡，而葉片槳距角失衡是空氣動力失衡的主要原因[1]。大約20%～50%的風(fēng)機(jī)存在明顯的轉(zhuǎn)子空氣動力失衡，會導(dǎo)致重要構(gòu)件損傷、高額維修費用以及發(fā)電量減產(chǎn)[2]。由于空氣動力失衡對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的正常運行具有重要影響，很多學(xué)者提出了針對空氣動力失衡的模擬和探測方法。Hameed等[3]對探測及監(jiān)控轉(zhuǎn)子動力失衡進(jìn)行了研究。Kusnick等[4]的研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用機(jī)艙和葉片的組合測量法，可以形成一種探測和定位轉(zhuǎn)子動力失衡的方法。Niebsch等[5]提出了模擬風(fēng)機(jī)動力和質(zhì)量失衡的方法。Petrovic等[6]發(fā)展了一種控制算法以減少轉(zhuǎn)子不對稱產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)載荷。

應(yīng)用自主開發(fā)的空氣動力-水動力時域耦合分析模型，對一種新型海上浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的空氣動力失衡的極限情況進(jìn)行重點研究。在正常工作工況下，某一時刻一個葉片的變槳控制系統(tǒng)失效，導(dǎo)致該葉片進(jìn)入順槳狀態(tài)(槳距角為90°)，其產(chǎn)生的空氣制動力沒有使風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，其他兩個葉片的槳距角保持在6.5°左右以維持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子正常運轉(zhuǎn)，因此風(fēng)機(jī)進(jìn)入了空氣動力失衡的極限情況。下文重點研究這種情況對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)造成的影響，并分析塔柱底部橫向剪切力的變化，探討葉片變槳系統(tǒng)故障對海上風(fēng)機(jī)安全的影響。

1 數(shù)值計算模型

本文應(yīng)用的空氣動力-水動力耦合動態(tài)分析模型基于水動力計算程序WADAM，風(fēng)機(jī)分析軟件FAST，以及編制的MATLAB模塊。數(shù)值模型包括三葉片風(fēng)機(jī)、變速和變槳控制系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、機(jī)艙、塔柱、浮式基礎(chǔ)以及錨泊系統(tǒng)。

WADAM程序[7]是基于繞射理論和莫里森理論的波浪分析方法。頻域水動力分析由WADAM完成，得到浮式基礎(chǔ)的附加質(zhì)量系數(shù)、阻尼系數(shù)、回復(fù)力系數(shù)以及一階、二階波浪傳遞函數(shù)。FAST軟件[8]由美國國家可再生能源實驗室(NREL)開發(fā)，是氣動力-水動力-隨動-彈性全耦合模擬程序。以上水動力系數(shù)和傳遞函數(shù)通過編制的MATLAB程序傳遞到FAST程序中。葉片上的空氣動力載荷由FAST的模塊AeroDyn根據(jù)葉素動量理論計算?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)平臺實時的狀態(tài)信息，輸出控制變量，主要對葉片槳距角、發(fā)電機(jī)扭矩、高速軸剎車以及機(jī)艙首搖進(jìn)行控制，控制特性采用NREL基準(zhǔn)控制系統(tǒng)設(shè)置[9]。風(fēng)機(jī)與浮式基礎(chǔ)的時域耦合分析在此基礎(chǔ)上由FAST完成。圖1為耦合動態(tài)分析的流程圖。

圖1 數(shù)值模擬模型流程Fig. 1 Flowchart for the simulation model

為了驗證上述空氣動力-水動力耦合分析模型的合理性和準(zhǔn)確性，利用此模型對DeepCwind浮式風(fēng)機(jī)在波浪作用下的縱蕩響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)報，并與Coulling等[10]得到的實驗數(shù)據(jù)和其他數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。對于數(shù)值計算模型的驗證過程與結(jié)果已發(fā)表于文獻(xiàn)[11]中。

2 海上風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)

針對設(shè)計的新型浮式基礎(chǔ)形式，進(jìn)行空氣動力失衡研究。該浮式基礎(chǔ)整體設(shè)計形式類似于桁架式Spar平臺，如圖2所示。浮式基礎(chǔ)由六個部分組成：浮力艙(A1)；主動壓載艙(A2)；桁架構(gòu)件(A3)；錨泊系統(tǒng)(A4)；垂蕩板(A5)；以及混凝土壓載艙(A6)。

圖2 浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig. 2 Configuration of the floating foundation

浮式基礎(chǔ)上部布置浮力艙內(nèi)部充滿空氣，為整個浮式基礎(chǔ)提供浮力與回復(fù)力，通過水線面慣性保持穩(wěn)性。主動壓載艙內(nèi)部設(shè)置十二個分艙，并裝有主動壓載系統(tǒng)。在平均風(fēng)速和風(fēng)向發(fā)生劇變時，主動壓載系統(tǒng)使壓載水根據(jù)需求在不同分艙內(nèi)移動，提供額外回復(fù)力矩，目的在于保持塔柱豎直，以保證發(fā)電機(jī)的最大電力輸出。下部布置混凝土壓載艙降低整個浮式基礎(chǔ)的重心，以提高穩(wěn)性。上部和下部艙室由桁架構(gòu)件連接。垂蕩板可增加垂蕩方向的附加質(zhì)量和黏性阻尼，以減小垂蕩響應(yīng)，同時連接桁架構(gòu)件，增強結(jié)構(gòu)強度。表1為浮式基礎(chǔ)的主尺度參數(shù)。

浮式基礎(chǔ)由三根懸鏈線錨泊定位，通過三角連接形式與浮式基礎(chǔ)相連，以提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的首搖剛度。表2列出了錨泊系統(tǒng)的其他信息。

表1 浮式基礎(chǔ)主尺度Tab. 1 Dimension of the floating foundation

表2 錨泊系統(tǒng)信息Tab. 2 Mooring system properties

為了研究新型浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在錨泊系統(tǒng)作用下的剛體運動的固有周期，對六個自由度的自由衰減運動分別進(jìn)行了數(shù)值模擬。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的固有周期信息如表3所示。

表3 浮式基礎(chǔ)自振周期Tab. 3 Natural periods of floating foundation motions

3 故障工況模擬

本文稱風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)變槳失效的情況為故障工況，模擬一個葉片意外發(fā)生順槳，其他兩個葉片正常，轉(zhuǎn)子依然運行的情況。此時由于故障葉片迎風(fēng)角度為90°，其旋轉(zhuǎn)過程受到的阻力大幅增加，造成了風(fēng)機(jī)空氣動力的嚴(yán)重失衡。在數(shù)值模擬中，在1 500 s時，一個葉片的變槳系統(tǒng)發(fā)生故障。經(jīng)過300 s后，此葉片的槳距角增大為90°，并保持不變。在此期間，其他兩個葉片的槳距角約保持在6.5°?？偰M時間為3 600 s，時間步長為0.012 5 s。

在數(shù)值模擬中，采用JONSWAP海浪譜和全域Kaimal風(fēng)譜，考慮葉片掃過面積內(nèi)的水平豎直隨機(jī)變量。輪轂處平均風(fēng)速為NREL-5MW風(fēng)機(jī)的額定工作風(fēng)速。海洋風(fēng)浪入射方向沿x軸方向，具體的海況信息見如表4所示。為了對比，還模擬了風(fēng)機(jī)在相同海況下的正常工作情況。

表4 海況信息Tab. 4 Sea state information

4 數(shù)值結(jié)果

4.1運動響應(yīng)時間歷程分析

圖3對比了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在正常工況和故障工況下的六自由度運動時間歷程。圖中虛線和黑色實線分別代表了正常工況和故障工況下的模擬結(jié)果。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在葉片變槳控制系統(tǒng)發(fā)生故障前(1 500 s)，兩種工況預(yù)測相同的浮式基礎(chǔ)響應(yīng)。故障發(fā)生后，三個葉片之間的槳距角差異不斷變大，風(fēng)機(jī)空氣動力平衡被打破，導(dǎo)致浮式基礎(chǔ)的六個自由度運動發(fā)生了不同程度的變化。

由于故障葉片的槳距角不斷變大，其受到的沿縱蕩方向(圖2中x軸方向)阻力不斷減小，從而導(dǎo)致整個浮式基礎(chǔ)受到的縱蕩風(fēng)載荷減小。此時，錨泊系統(tǒng)提供的縱蕩回復(fù)力大于浮式基礎(chǔ)所受的平均縱蕩力，因此從圖3(a)中可見在1 500 s后浮式基礎(chǔ)的縱蕩不斷變小，最終出現(xiàn)了最小值。由于故障葉片對浮式基礎(chǔ)所受的垂向載荷影響很小，因此圖3(b)中浮式基礎(chǔ)的垂蕩運動在兩種工況下幾乎一致。對于浮式基礎(chǔ)的縱搖運動來說，由于風(fēng)機(jī)受到的縱向阻力減小，所以圖3(c)中前后搖擺位置的平衡角明顯變小，即浮式基礎(chǔ)塔柱運動的平衡位置更接近豎直位置。

圖3(d)對比了浮式基礎(chǔ)在兩種海況下的首搖運動。對比可見，首搖運動被葉片控制系統(tǒng)故障所激發(fā)，其振幅被放大數(shù)倍。圖4展示了故障發(fā)生后由風(fēng)載荷失衡產(chǎn)生的首搖彎矩的機(jī)理。圖中箭頭長度表示風(fēng)載荷大小。由于1號葉片進(jìn)入順槳程序，因此2號和3號葉片受到沿縱蕩方向的風(fēng)載荷遠(yuǎn)大于1號葉片。三個葉片上的風(fēng)載荷會產(chǎn)生一個總的首搖彎矩作用于風(fēng)機(jī)。隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，三個葉片風(fēng)載荷的首搖力臂不斷變化，產(chǎn)生的首搖彎矩會周期性地變換其方向，作用于整個風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。然而，由于此新型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與Spar平臺相似，其首搖阻尼很小。失衡產(chǎn)生的較大首搖彎矩與較小的首搖阻尼最終導(dǎo)致了首搖運動幅度成倍增加。此現(xiàn)象說明了Spar類型浮式風(fēng)機(jī)的首搖運動在葉片變槳系統(tǒng)發(fā)生故障后的不穩(wěn)定性。在設(shè)計浮式基礎(chǔ)過程中，應(yīng)考慮添加阻尼板以加大浮式基礎(chǔ)的首搖阻尼。

當(dāng)故障葉片的槳距角不斷增大過程中(從6.5°到90°)，故障葉片提供的升力不斷減小，最終變?yōu)樨?fù)值，阻礙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動，并周期性地作用于浮式基礎(chǔ)的橫向方向(沿y軸方向)，如圖5所示。由于風(fēng)機(jī)處于很高位置，此橫向載荷產(chǎn)生了很大的橫搖彎矩作用于浮式基礎(chǔ)上，因此浮式基礎(chǔ)的橫搖響應(yīng)于1 600 s開始逐漸增大(見圖3(e))。當(dāng)浮式基礎(chǔ)槳距角增大到90°時，空氣動力失衡造成的激蕩力增加到最大值，浮式基礎(chǔ)的橫蕩響應(yīng)開始被激發(fā)，并不斷增加(見圖3(f))。

綜上可知，葉片控制系統(tǒng)發(fā)生故障后，此浮式基礎(chǔ)的縱蕩會產(chǎn)生一個很大的振幅，然后首搖運動最先被激發(fā)，不斷增大的失衡載荷會相繼激發(fā)浮式基礎(chǔ)的橫搖和橫蕩運動。風(fēng)機(jī)葉片控制系統(tǒng)失效不僅會影響浮式基礎(chǔ)的橫向運動，還會影響浮式基礎(chǔ)的縱蕩運動和首搖運動。

圖3 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)六自由度運動時間歷程Fig. 3 Fan system six degree of freedom motion response time history

圖4 風(fēng)動力首搖彎矩示意Fig. 4 Illustration of the aerodynamic yaw moment

圖5 相對風(fēng)速、攻角與升力方向示意Fig. 5 Illustration of the relative wind speed, angle of attack and lift force

4.2運動響應(yīng)譜分析

圖6(a)為正常工作工況和故障工況下的橫蕩運動響應(yīng)譜。對比可知，橫蕩響應(yīng)譜的譜峰值因為故障的發(fā)生而大幅增大。橫搖運動的響應(yīng)譜如圖6(b)所示，與橫蕩情況相似，故障工況下橫搖的譜峰值被大幅增大。同時，由于橫蕩運動的影響，橫搖運動也出現(xiàn)了相應(yīng)的低頻運動。圖6(c)對比了在正常工況和故障工況下的首搖運動響應(yīng)譜。故障工況下，響應(yīng)譜中出現(xiàn)了最大譜峰對應(yīng)的故障葉片轉(zhuǎn)動的頻率，而次大譜峰對應(yīng)的為浮式基礎(chǔ)首搖的固有頻率。值得注意的是在正常工況下這兩個譜峰值并沒有出現(xiàn)。由此看出，風(fēng)機(jī)空氣動力平衡被打破后，產(chǎn)生的高頻氣動載荷會大幅激發(fā)浮式基礎(chǔ)的首搖運動。

圖6 海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運動響應(yīng)譜Fig. 6 Motion response spectrum of offshore wind turbine system

4.3塔柱底部載荷分析

為了分析葉片變槳失效后對結(jié)構(gòu)安全的影響，本節(jié)將討論變槳失效對塔柱底部剪切力的影響，分為縱向剪切力(沿x軸方向)和橫向剪切力(沿y軸方向)兩個部分。圖7(a)給出了兩種工況下塔柱縱向剪切力的時間歷程。從圖中可以看出，當(dāng)葉片變槳系統(tǒng)發(fā)生故障后，突然變化的風(fēng)機(jī)阻力使縱蕩響應(yīng)出現(xiàn)了很大的波谷(見圖3(a))，因而塔柱底部的縱向剪切力也出現(xiàn)了一個很大的負(fù)值。之后，隨著縱蕩運動的不斷減小，縱向剪切力逐漸變小，其變化形式與縱搖運動相似。

圖7(b)給出了兩種工況下塔柱橫向剪切力的時間歷程。如圖所示，塔柱橫向剪切力的振幅在故障工況與正常工況下截然不同。由于塔柱底部橫向剪切力主要由橫搖運動影響，對比可以發(fā)現(xiàn)橫向剪切力的變化形式與橫搖運動相似。數(shù)值方面，故障工況下塔柱底部受到的最大剪切力達(dá)到正常工況下最大剪切力的四倍。由此可見，葉片發(fā)生故障后將會對海上風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)安全造成很大威脅。

圖7 兩種工況下塔柱底部縱向和橫向剪切力時間歷程Fig. 7 The time history of the tower base fore-aft and side-side shear force under two conditions

5 結(jié) 語

應(yīng)用空氣動力-水動力時域耦合模型，模擬了一種新型海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在正常工況和故障工況下的多自由度響應(yīng)。重點探討了空氣動力載荷失衡對海上風(fēng)機(jī)的運動響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)安全造成的影響，得到以下結(jié)論：

1)通過對比故障工況與正常工況下浮式基礎(chǔ)的響應(yīng)可知，故障發(fā)生后，由于風(fēng)機(jī)空氣動力載荷不斷增加，葉片故障不僅會增大浮式基礎(chǔ)的橫向運動，而且還激發(fā)了浮式基礎(chǔ)的首搖運動，揭示了Spar類型海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)首搖運動的不穩(wěn)定性。

2)對塔柱底部的橫向和縱向剪切力的對比分析發(fā)現(xiàn)，橫向和縱向剪切力的時間歷程分別與浮式基礎(chǔ)的橫搖和縱搖運動的時間歷程相似，兩種剪切力均因葉片故障不同程度地增大。

綜上，將故障工況納入Spar類型海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計過程中是必要的。

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Influence of aerodynamic imbalance on an offshore wind turbine during pitch controller fault

LI Jiawen, TANG Yougang, LI Yan

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

TM614

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.03.005

1005-9865(2017)03-0037-07

2016-01-16

國家自然科學(xué)基金項目(51479134)；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項目(51321065)

李嘉文(1987-)，女，遼寧大連人，博士后，從事海洋工程方向研究。E-mail：lijiawen527@163.com

唐友剛。E-mail：tangyougang_td@163.com