風(fēng)力機(jī)錯(cuò)列布置的尾流效應(yīng)

張志陽, 魏 敏*, 胡 蓉, 張立新, 李 輝,2

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,石河子 832000； 2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

風(fēng)流經(jīng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)后會(huì)產(chǎn)生風(fēng)速變化形成尾流區(qū)[1],而尾流效應(yīng)是影響風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率的主要原因之一[2],下游風(fēng)機(jī)置于上游風(fēng)機(jī)的尾流場(chǎng)中,會(huì)造成下游風(fēng)機(jī)輸出功率的降低[3],從而影響風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效益[4]。在有限資源內(nèi),為使風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生最大的發(fā)電效益[5],要盡可能多而且不受上游風(fēng)機(jī)的尾流場(chǎng)影響地布置風(fēng)機(jī)[6]。尾流場(chǎng)中的湍流強(qiáng)度不僅會(huì)影響風(fēng)機(jī)的疲勞載荷[7],也會(huì)影響風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率[8],為了提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率[9],風(fēng)機(jī)的最優(yōu)布置至關(guān)重要[10],所以開展兩臺(tái)錯(cuò)列風(fēng)機(jī)尾流研究具有重要意義[11]。

目前尾流效應(yīng)研究主要來自數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的方法。Archer等[12]研究風(fēng)機(jī)尾流產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度對(duì)地表的流場(chǎng)融合影響,表明地表附近的流場(chǎng)融合強(qiáng)度沒有增強(qiáng)。Han等[13]研究了復(fù)雜地形風(fēng)機(jī)性能和尾流特性,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)尾流在不穩(wěn)定性條件下比在穩(wěn)定性條件下恢復(fù)更快。Mahdi[14]研究了穩(wěn)定流速條件下風(fēng)機(jī)尾流的大渦模擬,發(fā)現(xiàn)SGS模型對(duì)作用在葉片上的平均氣動(dòng)載荷忽略不計(jì),而尾流的結(jié)構(gòu)受SGS模型的顯著影響。Dou等[15]研究了小型風(fēng)機(jī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)偏航角的變化影響風(fēng)機(jī)推力變化,導(dǎo)致尾流場(chǎng)的偏移。段鑫澤等[16]研究了錯(cuò)列風(fēng)機(jī)尾流干擾模擬分析,發(fā)現(xiàn)三維的致動(dòng)線模型在風(fēng)機(jī)尾流特征模擬中優(yōu)于二維的制動(dòng)盤模型。楊瑞等[17]研究了室內(nèi)模型風(fēng)機(jī)錯(cuò)列布置,發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)量間距增大,軸向速度先減小后增加。葉昭良等[18]研究了偏航過程中風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)尾流特性,發(fā)現(xiàn)偏航角增加引起動(dòng)態(tài)偏航的速度尾流軌跡偏斜出現(xiàn)延遲且寬度增加。

現(xiàn)利用Windcube V2激光雷達(dá)測(cè)量無尾流和有尾流狀態(tài)下,達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)在錯(cuò)列布置下風(fēng)機(jī)的尾流場(chǎng)變化,獲得尾流場(chǎng)中的速度場(chǎng)信息,為風(fēng)機(jī)錯(cuò)列布置尾流效應(yīng)數(shù)值模擬提供實(shí)驗(yàn)對(duì)比,從而為達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)二期建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 風(fēng)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

實(shí)驗(yàn)選用2臺(tái)金風(fēng)科技GW106/2500水平軸直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī),額定風(fēng)速12.5 m/s, 風(fēng)電場(chǎng)月平均風(fēng)速13.5 m/s。所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Table 1 Experimental equipment

實(shí)驗(yàn)在新疆天翼達(dá)坂城試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示,兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)錯(cuò)列布置上風(fēng)機(jī)與下風(fēng)機(jī)橫向間距1.5D(D為風(fēng)輪直徑),縱向間距8D,利用多普勒測(cè)風(fēng)儀分別測(cè)量下風(fēng)機(jī)后3D、5D、8D三個(gè)截面處的速度分布。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)利用GPS定位系統(tǒng)確定下風(fēng)機(jī)3D、5D、8D截面處激光雷達(dá)測(cè)量位置,對(duì)測(cè)量位置打樁固定,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示。通過中央監(jiān)控平臺(tái)預(yù)測(cè)未來半個(gè)月風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化和風(fēng)功率變化,持續(xù)預(yù)測(cè)5個(gè)月以確定風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)向的主方向和激光雷達(dá)測(cè)量方向保持一致,否則應(yīng)及時(shí)調(diào)整激光雷達(dá)位置,中央監(jiān)控室布置如圖3所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置Fig.1 The experimental setup

圖2 實(shí)驗(yàn)布置現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Experimental layout site map

圖3 中央監(jiān)控室Fig.3 Central monitoring room

相同條件下對(duì)上風(fēng)機(jī)停機(jī)使下風(fēng)機(jī)處于無尾流效應(yīng)狀態(tài),測(cè)量下風(fēng)機(jī)后3D、5D、8D三個(gè)截面處的速度分布,并分析有尾流狀態(tài)下風(fēng)機(jī)和無尾流狀態(tài)下風(fēng)機(jī)后不同角度下3D、5D、8D三個(gè)截面處的速度變化。

Jenson模型認(rèn)為尾流橫截面呈線性變化,測(cè)量范圍的選取依據(jù)Jenson公式:

r=r0+kx

(1)

式(1)中:x為風(fēng)力機(jī)下游距離,m；r0為風(fēng)力機(jī)半徑,m;r為尾流截面半徑,m;k為尾流膨脹系，可由式(2)求得：

(2)

式(2)中:h為輪轂高度,m;z0為地表粗糙面,結(jié)合達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際地形,取z0=0.17。

為了確保實(shí)驗(yàn)的合理性和準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)選取較大的測(cè)量范圍,以風(fēng)機(jī)輪轂中心點(diǎn)為水平軸方向?yàn)闇y(cè)量中心點(diǎn),尾流測(cè)量半徑為800 m,測(cè)量半徑平均分為10段。由于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)錯(cuò)列布置,為了便于分析風(fēng)機(jī)尾流場(chǎng)3D、5D、8D截面處的軸向、徑向、切向速度,軸向速度選取第一象限和第二象限區(qū)域測(cè)量點(diǎn),徑向和切向速度選取第一象限區(qū)域測(cè)量點(diǎn)。第一象限的測(cè)量角度劃分為0°、30°、45°、60°、90° 5個(gè)測(cè)量角。第二象限的測(cè)量角度劃分為90°、120°、135°、150°、180° 5個(gè)測(cè)量角。為了便于錯(cuò)列布置風(fēng)機(jī)后尾流場(chǎng)速度值的數(shù)據(jù)對(duì)比,軸向速度測(cè)量角度第一象限選取0°、30°、60°,第二象限選取120°、150°、180°。徑向和切向速度只選取第二象限測(cè)量角度60°、90°、120°。測(cè)量范圍和測(cè)量點(diǎn)圖4所示。

圖5 無尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面軸向速度曲線Fig.5 Axial velocity of the same section at different angles of the lower fan without wake effect

圖4 測(cè)量范圍和測(cè)量點(diǎn)Fig.4 Measurement range and measurement point

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選用兩個(gè)風(fēng)機(jī)錯(cuò)列布置對(duì)下風(fēng)機(jī)尾流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。風(fēng)機(jī)錯(cuò)列布置時(shí)下風(fēng)機(jī)尾流場(chǎng)變化比較復(fù)雜,第一和第二象限尾流場(chǎng)變化差異較大,因此對(duì)下風(fēng)機(jī)后兩個(gè)象限區(qū)尾流場(chǎng)中3D、5D、8D截面處的速度值進(jìn)行測(cè)量并取其平均值,獲得下風(fēng)機(jī)兩個(gè)象限區(qū)的尾流場(chǎng)信息。相同條件下為了對(duì)比風(fēng)機(jī)錯(cuò)列布置時(shí)下風(fēng)機(jī)速度場(chǎng)變化,對(duì)上風(fēng)機(jī)停機(jī)測(cè)量無尾流狀態(tài)時(shí)下風(fēng)機(jī)尾流場(chǎng)的速度值變化。

圖5為無尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面軸向速度測(cè)量值,可知來流經(jīng)過下風(fēng)機(jī)時(shí)發(fā)生能量交換,風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,軸向速度出現(xiàn)損失后會(huì)逐漸恢復(fù)。測(cè)量角度的變化對(duì)軸向速度值有些影響,隨著測(cè)量點(diǎn)向外延伸軸向速度的變化趨勢(shì)變緩,其中尾流場(chǎng)影響最大范圍為3D～6D截面,8D截面處尾流效應(yīng)基本消失。

圖6為有尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面第一象限區(qū)軸向速度測(cè)量值,可知測(cè)量角度的變化對(duì)第一象限區(qū)軸向速度值影響不大,軸向速度先減小后增加并且軸向速度幅值波動(dòng)較小,說明第一象限區(qū)內(nèi)軸向速度受上風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)較弱與無尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)軸向速度的變化趨勢(shì)相似,且出現(xiàn)速度線平行。

圖7為有尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面第二象限區(qū)軸向速度測(cè)量值,可知測(cè)量角度的變化對(duì)第二象限區(qū)軸向速度影響較大,軸向速度所受上風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)影響明顯,軸向速度值出現(xiàn)先減小后增加在減小在增加過程,軸向速度的幅值和頻率波動(dòng)較大,3D截面處幅值變化最大,8D截面處幅值變化最小且8D截面速度線出現(xiàn)與無尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)軸向速度線同樣平行效果。說明來流經(jīng)過下風(fēng)機(jī)時(shí)先出現(xiàn)速度虧損后逐漸恢復(fù),上風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)對(duì)下風(fēng)機(jī)尾流疊加形成復(fù)雜的湍流現(xiàn)象,湍流強(qiáng)度使尾流場(chǎng)和外流場(chǎng)不斷融合,尾流區(qū)內(nèi)外流場(chǎng)形成不同的剪切層,所以造成上風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)對(duì)下風(fēng)機(jī)第一象限區(qū)和第二象限區(qū)軸向速度的影響程度不同。

圖8為無尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面徑向速度測(cè)量值,由圖可知測(cè)量角度的變化對(duì)徑向速度影響不大,隨著軸向距離的增加,徑向速度幅值和頻率先增加后減小,5D截面處幅值變化最大,3D截面處幅值變化最小,尾流場(chǎng)中徑向速度影響最大范圍在3D～6D之間,說明下風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)尾流場(chǎng)徑向速度影響變?nèi)踔敝料А?/p>

圖6 有尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面第一象限區(qū)軸向速度曲線Fig.6 Axial velocity of the first quadrant region with the same section at different angles of the lower fan with wake effect

圖7 有尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面第二象限區(qū)軸向速度曲線Fig.7 Axial velocity of the second quadrant region with the same section at different angles of the lower fan with wake effect

圖8 無尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面徑向速度曲線Fig.8 Radial velocity of the same section at different angles of the lower fan without wake effect

圖9為有尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面徑向速度測(cè)量值,由圖可知測(cè)量角度的變化對(duì)徑向速度影響較小,隨著軸向距離的增加,徑向速度幅值和頻率先增加后減小,5D截面處變化最大,3D截面處變化最小。說明上風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)對(duì)下風(fēng)機(jī)徑向速度影響逐漸減小,8D截面處徑向速度趨于平緩,上風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)對(duì)下風(fēng)機(jī)的影響基本消失。

圖10為無尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面切向速度測(cè)量值,由圖可知測(cè)量角度的變化對(duì)切向速度影響較小,隨著軸向距離的增加,切向速度的幅值和頻率先增加后平穩(wěn),3D截面處變化最小,5D截面處變化最大,尾流場(chǎng)切向速度影響最大的范圍在D～5D之間。說下風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)尾流場(chǎng)中切向速度影響逐漸變?nèi)酢?/p>

圖11為有尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面切向速度測(cè)量值,由圖可知測(cè)量角度的變化對(duì)切向速度有影響,隨著軸向距離的增加,切向速度的幅值和頻率先增加后減小,8D截面處變化最小,5D截面處變化最大,尾流場(chǎng)切向速度影響最大的范圍在D～5D之間,5D～8D之間的幅值和頻率波動(dòng)變小,說明上風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)對(duì)下風(fēng)機(jī)作用逐漸變?nèi)?湍流強(qiáng)度降低,切向速度逐漸平緩。

圖9 有尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面徑向速度曲線Fig.9 Radial velocity of the same section at different angles of the lower fan with wake effect

圖10 無尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面切向速度曲線Fig.10 Tangential velocity curve of the same section at different angles of the lower fan without wake

圖11 有尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)不同角度相同截面切向速度曲線Fig.11 The tangential velocity curve of the same section at different angles of the lower fan with wake effect

3 結(jié)論

(1)有尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)第一象限區(qū)內(nèi)軸向速度受到上風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)的影響較弱與無尾流時(shí)下風(fēng)機(jī)軸向速度的變化趨勢(shì)相似,兩種情況軸向速度變化曲線出現(xiàn)平行。有尾流時(shí)上風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)對(duì)下風(fēng)機(jī)尾流疊加形成復(fù)雜的湍流現(xiàn)象,湍流強(qiáng)度使尾流場(chǎng)和尾流場(chǎng)混合,使得尾流區(qū)內(nèi)外流場(chǎng)形成不同的剪切層。

(2)有尾流和無尾流時(shí)測(cè)量角度的變化對(duì)徑向速度的影響都較小,有尾流時(shí)隨著軸向距離的增加上風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)對(duì)下風(fēng)機(jī)徑向速度影響逐漸減小,8D截面處徑向速度趨于平緩。無尾流時(shí)隨著軸向距離的增加下風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)尾流場(chǎng)徑向速度影響逐漸消失。

(3)有尾流時(shí)測(cè)量角度的變化對(duì)切向速度有影響,尾流場(chǎng)對(duì)切向速度影響最大的范圍在D～5D之間,隨著軸向距離的增加,上風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)對(duì)下風(fēng)機(jī)作用逐漸減弱,湍流度降低。無尾流時(shí)測(cè)量角度的變化對(duì)切向速度影響較小,下風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)尾流場(chǎng)切向速度影響最大的范圍與上風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)對(duì)下風(fēng)機(jī)的影響相同。