海洋工程試驗(yàn)的浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型設(shè)計(jì)

張 琦， 彭志科， 寇雨豐， 田新亮

(上海交通大學(xué) a.機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引 言

與陸上和近海相比，遠(yuǎn)海風(fēng)能風(fēng)力更為穩(wěn)定和豐富，可開發(fā)區(qū)域更廣闊?；茉粗饾u枯竭，可再生能源的開發(fā)與利用變得愈發(fā)重要，由此各高校研究團(tuán)隊(duì)與風(fēng)電開發(fā)商加快了對大型海上浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究進(jìn)程[1]。大型海上浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)概念首先由Heronemus提出[2]，至20世紀(jì)90年代中期，該概念成為風(fēng)力發(fā)電研究主流方向之一。浮式風(fēng)力機(jī)運(yùn)行處于復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)中，彈性風(fēng)機(jī)系統(tǒng)受到風(fēng)載荷、波浪與洋流載荷的聯(lián)合作用以及各載荷耦合作用影響，數(shù)值仿真的合理性與有效性需要可靠數(shù)據(jù)的支撐與驗(yàn)證[3-5]。2007年，荷蘭Blue H科技公司在意大利海岸外21.3 km處布置了第1個(gè)漂浮式風(fēng)力機(jī)，用于采集風(fēng)浪環(huán)境下的測試數(shù)據(jù)。2009年，第1臺大容量浮式風(fēng)力機(jī)Hywind在挪威北海投入運(yùn)營，主要目的為收集浮式工況下轉(zhuǎn)子與葉片相關(guān)數(shù)據(jù)。然而，全尺寸風(fēng)機(jī)試驗(yàn)成本過高，且環(huán)境條件難以控制，結(jié)果較難觀測，因此結(jié)合海洋工程水池的縮比模型試驗(yàn)成為浮式風(fēng)力機(jī)研究與開發(fā)的重要手段。

自2009年開始，Goupee等開發(fā)了縮尺比為1∶50的NREL 5 MW風(fēng)機(jī)模型，模型風(fēng)機(jī)可獲取風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、機(jī)艙運(yùn)動數(shù)據(jù)，具備葉片主動變槳裝置。該模型風(fēng)機(jī)結(jié)合海洋工程水池試驗(yàn)進(jìn)行了大量研究[4,6]，形成了較為完整的風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)理論[7]。此外，米蘭理工學(xué)院在傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)縮比模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過實(shí)時(shí)控制6自由度平臺模擬波浪載荷對FOWT的運(yùn)動效果，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)手段開發(fā)了混合測試方法(Hybrid/Hardware in Loop)[8]，并對模型葉片獨(dú)立變槳策略與氣動振動進(jìn)行了測試[9]。

目前國內(nèi)FOWT相關(guān)試驗(yàn)主要關(guān)注風(fēng)機(jī)與浮式平臺系統(tǒng)的在風(fēng)浪載荷聯(lián)合作用下的運(yùn)動特性，如天津大學(xué)唐友剛教授團(tuán)隊(duì)針對5 MW風(fēng)機(jī)與半潛平臺的試驗(yàn)研究[10]。上海交通大學(xué)胡志強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)的5 MW風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)也更加側(cè)重于各種波浪載荷以及系泊力對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的作用[11-12]，而對于運(yùn)動情況下風(fēng)輪的氣動載荷，流場特性試驗(yàn)開展較少。因此設(shè)計(jì)開發(fā)關(guān)注風(fēng)機(jī)氣動載荷的縮比模型試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)方案對漂浮式風(fēng)力機(jī)的研發(fā)與測試具有重要意義。

1 模型設(shè)計(jì)理論

為了能夠使模型試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確地反映實(shí)際風(fēng)機(jī)在風(fēng)浪載荷下的動力學(xué)響應(yīng)，模型試驗(yàn)需嚴(yán)格遵守特定的相似準(zhǔn)則[7]，包括模型與實(shí)際尺度幾何相似，運(yùn)動相似與動力相似。幾何相似與運(yùn)動相似定義了模型尺度下的空間與時(shí)間縮尺比；動力相似則保持對應(yīng)流場中作用力與慣性之比相同，不同種類載荷通過不同的流體力學(xué)無量綱數(shù)相等實(shí)現(xiàn)[13]。對于FOWT縮比模型同時(shí)受到波浪載荷與氣動載荷作用，在任意縮尺比λ>0條件下模型與實(shí)際流場的Froude數(shù)與Reynolds數(shù)不可能同時(shí)相等，因此無法同時(shí)滿足兩個(gè)流體作用相似[7]，故本試驗(yàn)采用Froude數(shù)相似保持波浪載荷作用等效，并在后續(xù)試驗(yàn)中對風(fēng)輪氣動粘性力載荷進(jìn)行修正。

FOWT模型試驗(yàn)主要應(yīng)用Froude數(shù)相似，雖然Froude數(shù)模型并不能準(zhǔn)確反映風(fēng)機(jī)的全部受力，但是對于浮式風(fēng)電系統(tǒng)，F(xiàn)roude數(shù)相似包含了大部分影響系統(tǒng)全局響應(yīng)的因素，風(fēng)輪氣動力除外；然而應(yīng)用Reynolds數(shù)相似的氣動試驗(yàn)方案則無法應(yīng)用于波浪力的模擬[14]。自由面波的Froude數(shù)定義為

式中：C為特征速度；L為特征尺度；g為重力加速度。模型與實(shí)際尺度下對滿足重力相似的Froude數(shù)相似條件為

Frp=Frm

對于風(fēng)輪縮比，需保持模型與實(shí)際風(fēng)機(jī)葉片葉尖速比(TSR)相似，

TSR=ΩR/u

式中:Ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；R為葉尖半徑；u為風(fēng)速。葉尖速比相似條件為

TSRp=TSRm

葉尖速比相似可保證在對應(yīng)縮尺風(fēng)場與工況下模型與實(shí)際葉片各翼型截面來流攻角相同，若忽略雷諾數(shù)對氣動力的影響，則可保持模型與實(shí)尺度下風(fēng)輪推力與轉(zhuǎn)矩相似。此外，葉尖速比相似也可準(zhǔn)確模擬風(fēng)輪自身偏差以及與風(fēng)輪塔架間的氣動作用[15]。

由以上縮尺關(guān)系可推導(dǎo)縮比模型各量綱單位的縮尺因數(shù)如表1所示，其中，λ為尺寸縮尺比，考慮試驗(yàn)水池為淡水環(huán)境，需修正淡水與海水密度不同對試驗(yàn)結(jié)果的影響，設(shè)置海水與淡水密度之比為γ，取γ=1.025；L為線性長度，M為質(zhì)量，T表示時(shí)間。

表1 FOWT縮比模型試驗(yàn)縮尺因數(shù)

2 風(fēng)機(jī)模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以NREL 5 MW參考風(fēng)機(jī)作為原型風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)研究資料豐富、可驗(yàn)證性強(qiáng)。根據(jù)海洋工程水池試驗(yàn)條件及其他裝置尺度限制，設(shè)置尺寸縮尺比λ=50。參考風(fēng)機(jī)主要縮尺參數(shù)如表2所示。

2.1 葉片設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)模型葉片各截面翼型以5 MW原型風(fēng)機(jī)[16]各截面翼型輪廓為基礎(chǔ)，經(jīng)縮比后進(jìn)行易于加工的氣動參數(shù)等效化處理后擬合而成[14]，葉尖由于缺少原型數(shù)據(jù)，通過插值收縮葉尖翼型截面使葉尖端部平滑過渡收尾，翼型截面投影如圖1所示。

表2 參考風(fēng)機(jī)與模型風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

圖1 葉片各截面翼型分布

2.2 機(jī)艙設(shè)計(jì)

模型機(jī)艙連接模型葉片與模型塔架，在滿足模型質(zhì)量精度的同時(shí)，需具備調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。風(fēng)輪主軸位置與傾角、風(fēng)輪中心、輪轂直徑等參數(shù)由參考風(fēng)機(jī)參數(shù)[16]嚴(yán)格縮尺轉(zhuǎn)子末端布置有伺服電機(jī)與行星齒輪減速器，可以控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；同時(shí)在轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪間布置獲取風(fēng)輪驅(qū)動力矩的轉(zhuǎn)矩傳感器，機(jī)艙底部布置獲取機(jī)艙與塔架連接處載荷的六分力計(jì)；為獲取葉片在風(fēng)場中受載情況，沿葉片軸向設(shè)計(jì)布置光纖光柵應(yīng)變計(jì)；由于光纖應(yīng)變計(jì)與轉(zhuǎn)子運(yùn)動干涉，所以在機(jī)艙內(nèi)設(shè)置安裝單通道光纖滑環(huán)使光纖導(dǎo)通，并設(shè)計(jì)雙軸傳動方案連接轉(zhuǎn)子其他部分，通過一1∶1傳動比的定軸齒輪副連接；六分力計(jì)底部通過支架與塔筒連接。風(fēng)機(jī)機(jī)艙模型滿足布置上述裝置前提下要求盡可能小巧，因此采用模型機(jī)艙一體化設(shè)計(jì)，提高機(jī)艙強(qiáng)度。另外，設(shè)計(jì)前端蓋用于齒輪傳動限位，設(shè)計(jì)光纖滑環(huán)限位器限制其轉(zhuǎn)動，設(shè)計(jì)光纖滑環(huán)連接器與主軸形成可拆卸連接?？傮w設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 塔筒設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)模型塔筒設(shè)計(jì)為滿足質(zhì)量、質(zhì)心與剛度相似的變截面金屬梁結(jié)構(gòu)[14]。此方法雖能在單方面較好模擬了塔架參數(shù)，但無法反映模型試驗(yàn)工況下風(fēng)輪與塔架間的氣動干擾——風(fēng)機(jī)塔影效應(yīng)；此外，模型機(jī)艙處多布置傳感器，線束布置方式為綁縛于金屬塔架或懸吊在機(jī)艙外，線束的質(zhì)量與剛度對質(zhì)量較小的模型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生了較大干擾[17]。因此，設(shè)計(jì)幾何相似的中空模型塔筒，并將線束布置于塔筒內(nèi)，使塔筒與線束整體滿足縮尺條件。參考風(fēng)機(jī)縮比后模型塔架頂部外徑77.4 mm，底部外徑120 mm，設(shè)計(jì)質(zhì)量2.0 kg，為線束質(zhì)量提供足夠裕度，并在上下兩端設(shè)置連接件方便安裝。另在塔筒底部布置一六分力計(jì)采集塔筒下端受載情況。

圖2 模型風(fēng)機(jī)機(jī)艙結(jié)構(gòu)布局

3 模型制造與參數(shù)校核

葉片模型設(shè)計(jì)縮比質(zhì)量為138.46 g，故葉片制造采用雙層碳纖維布中空沖囊成型工藝。首先制造玻璃鋼葉片外輪廓模具，鋪展碳纖維布與樹脂后在內(nèi)側(cè)將相同形狀聚合物內(nèi)囊充氣膨脹，同時(shí)對整體加熱固化，穩(wěn)定后抽出內(nèi)囊，形成強(qiáng)化中空葉片結(jié)構(gòu)(見圖3)。試驗(yàn)采用的3根葉片質(zhì)量分別為141.3、142.2、142.6 g，與目標(biāo)值偏差在3%之內(nèi)。

圖3 碳纖維模型葉片

機(jī)艙部分結(jié)合設(shè)計(jì)要求與模型載荷范圍，選取TECHSERVO CBL3660電動機(jī)作轉(zhuǎn)速及負(fù)載控制，選取Princetel單通道光纖滑環(huán)連接光纖光柵應(yīng)變計(jì)，選取HBM T22(量程2.0 N·m)轉(zhuǎn)矩傳感器測量風(fēng)輪端轉(zhuǎn)矩，選取KYOWA LAT-1030KA-2六分力計(jì)測量機(jī)艙處各方向受載。選取薄壁軸承與尼龍齒輪作為支承與傳動結(jié)構(gòu)，其他機(jī)械結(jié)構(gòu)采用7075鋁合金進(jìn)行加工，確保模型制造滿足質(zhì)量要求，并提供足夠強(qiáng)度，模型裝配如圖4所示。

塔筒制造采用碳纖維復(fù)合材料滾筒成型工藝完成，在塔筒上下兩端預(yù)埋鋁合金接環(huán)，頂部與模型機(jī)艙連接，底部設(shè)置接口測力裝置采集塔筒根部受載。兩端金屬件均設(shè)置鏤空端口方便各線纜穿過。

圖4 模型機(jī)艙裝配

表3、4給出了模型設(shè)計(jì)與實(shí)際參數(shù)對比，其中各質(zhì)量參數(shù)均比設(shè)計(jì)值略小，為水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷馁|(zhì)量與重心匹配預(yù)留了充足余量，試驗(yàn)時(shí)通過增加鐵砂配重的方式補(bǔ)償；尺寸參數(shù)誤差較小，符合幾何相似縮尺法則(見圖5)。

表3 模型設(shè)計(jì)質(zhì)量參數(shù)校核

表4 模型設(shè)計(jì)結(jié)合參數(shù)校核

(a)(b)(c)

圖5 參考風(fēng)機(jī)外觀(a)、模型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)(b)與模型實(shí)物(c)

4 結(jié) 語

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵訬REL 5MW為原型，設(shè)計(jì)與制造嚴(yán)格遵守了Froude數(shù)相似與幾何相似為基礎(chǔ)的縮尺定律，結(jié)合風(fēng)輪葉尖速比相似，保障了試驗(yàn)的有效性與可靠性。模型可采集風(fēng)機(jī)在風(fēng)場作用下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、機(jī)艙受力、葉片各部位變形與受載等參數(shù)，可用于高精度風(fēng)機(jī)氣動響應(yīng)試驗(yàn)研究與浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)海洋工程水池試驗(yàn)研究。目前結(jié)合人工造風(fēng)系統(tǒng)與6自由度運(yùn)動平臺，已對該模型在不同姿態(tài)下對不同來流風(fēng)速的氣動推力與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了研究，并結(jié)合多通道熱線風(fēng)速儀實(shí)現(xiàn)了對不同工況下風(fēng)機(jī)尾流的測量。然而對于Froude數(shù)相似風(fēng)場下風(fēng)機(jī)葉片由于Reynolds數(shù)差異較大而導(dǎo)致的葉片氣動力誤差，將在后續(xù)研究中進(jìn)行分析討論。