風向角度變化對風力機葉片應變應力的影響

張 鵬，汪建文，2，趙 煜，尹九俊，任 彪

（1.內蒙古工業(yè)大學 能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區(qū)風能太陽能利用機理及優(yōu)化重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

在“碳達峰、碳中和”的背景下，風能作為清潔能源得到了廣泛利用，風力機裝機容量不斷上升。風力機運行在自然環(huán)境中，風的變化是常態(tài)的，導致風力機實際運行的過程中不僅會遇到風速的變化，也會受到風向變化的影響，特別是遇到一些極端天氣時。來流風速大小的變化，改變了葉片受力的大小，來流風向的變化，改變了葉片受力的作用點。風向的變化使得風力機葉片的受力變得更加復雜，造成葉片承受的載荷更加具有隨機性與多變性。這對風力機葉片的安全使用和正常運行產生了極大的危害。

許多專家學者對風力機葉片載荷問題以及偏航側風下葉片受力等問題進行了一系列研究。Fernandez G[1]計算了風力機葉片在氣動載荷作用下的應力分布情況。李仁年[2]依據(jù)IEC61400標準和GL準則下的極端風況模型，采用數(shù)值模擬的方法分析得出了在極端風況下風力機葉片的升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨攻角的變化而明顯改變的結論。Hulskamp A W[3]通過在葉片布置傳感器進行測試，記錄了風輪葉片的動態(tài)應變以及加速度的變化情況。劉德順[4]考慮了風電機組不同的運行工況，依據(jù)浮桶直徑與波長的比值來確定波浪載荷適用的計算模型，得到了不同工況、不同環(huán)境參數(shù)和結構參數(shù)條件下的載荷結果，分析了風波載荷的變化特征。馬劍龍[5]采用實驗的方法分析了葉片應變隨側風角度的變化，發(fā)現(xiàn)偏側風對葉片應變影響較顯著。葉昭良[6]采用數(shù)值模擬的方法對NREL Phase VI風力機進行了關于動態(tài)偏航的研究，得到了風輪整體載荷隨偏航角的變化規(guī)律。吳勝勝[7]通過數(shù)值模擬得出葉片應力集中區(qū)域主要在葉根及葉片中部靠近前緣部位，在功率調控過程中，隨著槳距角與風速的增加，應力集中區(qū)域由葉中向葉根轉移，最大應力值總體呈下降趨勢。Santo G[8]研究了偏航工況下葉片與塔架的氣動彈性性能，發(fā)現(xiàn)偏航誤差角度對風力機傾斜力矩及偏航力矩影響顯著。Minardo A[9]采用光纖應變傳感器，以14 m長的復合材料葉片為研究對象，進行探索試驗，證明了分布應變測量和振動測量的可能性。Hyeon JinKim[10]研究了風載荷和波浪載荷引起的應力變化情況，并利用神經網(wǎng)絡模型計算了風載荷所引起的應力譜以及基于線性波理論的運動分析引起的慣性荷載應力譜。Wan S T[11]研究了偏航誤差對風力機在不同風速階段運行特性的影響，提出了根據(jù)不同風速將偏航控制策略分階段運行。

綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，針對風向變化引起的風力機應力變化，學者們大多采用理論分析和數(shù)值模擬計算方法進行固定風向角度下的偏航實驗研究，關于風向角度動態(tài)變化的實驗研究相對較少。本文采用風洞實驗的測試方法進行風向角度動態(tài)變化下風力機葉片應力的測試研究。

1 實驗設備及方案

1.1 實驗設備

本實驗在內蒙古工業(yè)大學直流式低速風洞開口試驗段進行，該風洞試驗段的直徑為2 m，實驗使用的是S翼型三葉片水平軸風力機，風輪直徑為1.4 m，額定風速為8 m/s，額定尖速比λ=5。葉片材料以松木為主，楊氏彈性模量為7.8 GPa，泊松比為0.47。動態(tài)旋轉控制系統(tǒng)和風力機整機如圖1所示。

圖1 動態(tài)旋轉控制系統(tǒng)和風力機整機Fig.1 Dynamic rotating platform，control system and wind tyrbine

模擬風向角度變化采用自行設計的動態(tài)旋轉平臺系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由旋轉平臺（基座，伺服電機）和控制系統(tǒng)（編碼器，變壓器，動力控制柜）組成。

1.2 實驗方案

實驗分為兩部分，第一部分采用B&K振動分析系統(tǒng)對葉片進行靜模態(tài)測試分析，為布置葉片的應力應變測點位置提供依據(jù)。第二部分是葉片應變動態(tài)測試，為開展風向角度動態(tài)變化對風力機的影響研究得到實驗數(shù)據(jù)。首先確定應變花測點位置。應變花測試方位以及應變花布點位置如圖2，3所示（C為葉片弦長，R為葉片長度）。

圖2 應變花測試方向Fig.2 Strain rosette test direction

圖3 葉片測點位置Fig.3 Blade measuring point position

首先采用錘擊法得到葉片的響應振型，并對葉片振型圖進行分析。一階振動節(jié)點出現(xiàn)在0.20R處，二階振動節(jié)點分別出現(xiàn)在0.20R和0.53R處，三階振動節(jié)點分別出現(xiàn)在0.20R，0.53R和0.90R處。由于在振動節(jié)線位置處振幅為零，節(jié)線位置處正負值相反，此處受到的應力較大，因此根據(jù)振動節(jié)線、氣動中心線以及弦線，在距離葉根0.20R處同一翼型截面的弦線上的0.25C，0.50C，0.75C和0.90C 4個測點布置三軸應變花。沿葉片展向氣動中心線上的0.39R，0.53R，0.67R，0.73R，0.90R 5個位置布置三軸應變花，選取以上9個測點作為本文應力應變測量實驗的測試點。

其次組建動態(tài)測試實驗系統(tǒng)。應變動態(tài)測試系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)簡圖Fig.4 Test system diagram

首先，來流風由風洞提供，把風向角度變化的規(guī)律編寫為程序輸入動力控制柜，經編譯程序控制旋轉平臺中的伺服電機驅動，利用旋轉平臺帶動風力機組一起轉動進而模擬水平方向的風向角度變化規(guī)律。測試開始后，利用旋轉機械應力遙測系統(tǒng)中的DHT5953G信號采集儀進行應變數(shù)據(jù)的采集，并通過Wi-Fi無線傳輸技術把采集到的數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)綉儨y試系統(tǒng)。風向角度變化如圖5所示。風向角度變化按照5°/s的速度變化至45°，風向角度變化時間為9 s。

圖5 風向角度變化Fig.5 Change in wind direction angle

1.3 數(shù)據(jù)采集

葉片展向應變時域圖如圖6所示。B，C，D，E，F(xiàn)分別表示葉片展向0.39R～0.90R 5個測點的位置情況，與圖3中葉片展向從0.39R到0.90R的5個測點相對應。

圖6 展向主應變時域圖Fig.6 Time domain diagram of spanwise principal strain

0～60 s為風力機的啟動階段；60～100 s為穩(wěn)定運行階段；100～110 s為風向角度變化階段；110～120 s為偏航對風過程；120～160 s為回正后的穩(wěn)定運行過程；160～180 s風力機停機。為進一步分析風向角度變化下的葉片應力情況，截取風向角度變化階段的應變數(shù)據(jù)，每組至少20 000個，為了更加準確地分析葉片的應變應力情況，對以上數(shù)據(jù)進行平均處理。

2 測試結果及分析

本文研究不同風速下，不同風向角度動態(tài)變化時葉片主應力沿展向和葉根弦向的變化規(guī)律。

2.1 葉片展向主應力的影響

為分析葉片展向0.39R，0.53R，0.67R，0.73R和0.90R 5個測點主應力變化規(guī)律，繪制了如圖7所示的不同風速下葉片展向主應力隨風向角度動態(tài)變化曲線。

圖7 不同風速下葉片展向主應力隨風向角度變化Fig.7 Variation of spanwise principal stress of blade with wind direction angle under different wind speeds

由圖7可知，葉片展向各測點的主應力隨風向角度的增大而降低。這是由于隨著來流風向角度增大，作用在葉片上的氣動推力分量不斷減小，風輪旋轉平面吸收的能量降低，造成風輪轉速下降，進而葉片受到離心載荷的作用降低。

圖7中葉片展向各測點主應力大小的變化不盡相同，通過擬合各測點曲線的斜率發(fā)現(xiàn)，0.90R葉尖處的主應力變化較小，葉片展向0.39R和0.53R處的主應力變化較大。這表明風向角度變化對葉片根部和中部的主應力變化影響較大。

葉片展向存在應力波動，表明葉片展向主應力變化不是線性的隨風向角度增大而降低，而是在某一風向角度范圍內主應力值大于附近風向角度下的主應力值。當來流風速為6 m/s和7 m/s時，風向角度變化至15～20°，葉片展向0.39R和0.53R處的主應力大于附近風向角度下此位置處的主應力值；當來流風速為8 m/s和9 m/s時，風向角度為20～25°時，葉片沿展向0.39R，0.53R，0.67R，0.73R和0.90R 5個位置均出現(xiàn)主應力波動。這主要是由于風向角度變化后，風輪旋轉平面會與來流風產生夾角，葉片受到偏側風激振的作用。當達到某一風向角度時，葉片受到偏側風激振的作用會達到某一極值，造成葉片展向在某一角度下的主應力較大。

葉片作為非規(guī)則體，葉片各截面扭角不盡相同，不同位置受到偏側風激振力極值的影響也就不同。當風向角度變化后，葉片上的相對速度以及葉片截面翼型的攻角不斷發(fā)生變化，由此引起葉片截面受力的作用點發(fā)生相應變化，進而葉片出現(xiàn)交變載荷，引起葉片展向應力波動。在葉片展向0.67R和0.73R處，主應力大小接近，并且受風向角度變化影響較大，此位置也處于應力集中區(qū)。因此在結構設計時不能忽略，在加強設計時也應對該區(qū)域結構進行優(yōu)化。

2.2 葉片根部弦向主應力的影響

葉片根部往往是應力集中區(qū)，圖8為葉根弦向0.25C，0.50C，0.75C，0.90C 4個測點在不同風速下的主應力隨風向角度的變化曲線。

圖8 不同風速下葉片根部主應力隨風向角度變化Fig.8 Variation of principal stress at blade root with wind direction angle under different wind speeds

由圖8可知：當風向角度變化時，0.90C處主應力變化較小，變化較為平穩(wěn)；0.25C，0.50C和0.75C處主應力變化明顯，尤其是在0.25C和0.50C處，靠近葉根前緣主應力變化較大，這說明風向角度變化對葉根前緣的影響較大，對葉根后緣的影響相對較小；當風速為6 m/s時，來流風速較低，在整個風向角度變化過程中，葉根弦向測點主應力大小順序為0.50C＞0.25C＞0.75C＞0.90C；當來流風速為7，8 m/s和9 m/s，當風向變化角度為0～20°時，0.50C處主應力值大于0.25C處，當風向變化角度為20～45°時，0.25C處主應力值大于0.50C處。這主要因為在額定風速下，當風向角度為0～20°時，風輪轉速較高，葉根0.50C處靠近翼型截面形心，葉根承受離心拉伸作用較大。當風向角度為20～45°時，由于風向角度變大，風輪旋轉平面吸收能量減少，風輪轉速明顯下降，離心載荷的拉伸效果減弱，葉根處承受交變載荷中的離心拉伸的占比效果減弱，氣動擠壓效果占比加強。另外越靠近前葉根處，自前緣向后緣的彎矩和自壓力面向吸力面受到的交變彎矩越大，在交變彎矩與氣動擠壓相互耦合的作用下，造成葉根0.25C處應力較大。

圖9為主應力方位角示意圖。

圖9 主應力方位角示意圖Fig.9 Schematic diagram of the azimuth angle of the principal stress

圖10為風向角度變化時不同風速下的葉根主應力方位角變化曲線。

圖10 葉根主應力方位角Fig.10 Azimuthal distribution of root stress

由圖10可知：主應力方位角沿葉根弦向從后緣到前緣各測點先增大后減小，主應力方位角呈“L”形分布；測點1處主應力方位角為正值，說明葉根后緣處主應力向前緣轉角；測點2，3和測點4處主應力方位角為負值，主應力向后緣轉角；測點2處主應力方位角最大，因為測點2接近翼型氣動中心。

葉根主應力方位角與載荷的作用效果有關，氣動載荷引起弦向壓縮導致主應力方位角向前緣轉角，離心載荷引起展向拉伸導致主應力方位角向后緣轉角。在風向角度變化過程中，在交變載荷作用下，葉根氣動中心附近受氣動載荷弦向壓縮作用明顯，引起主應力方位角向后緣轉角。

3 結論

本文將旋轉機械應變遙測技術與動態(tài)旋轉平臺系統(tǒng)相結合，模擬風向角度動態(tài)變化規(guī)律。通過在葉片展向的氣動中心線處和葉根最大弦長處合理布置應變花，探究了風向角度動態(tài)變化對葉片展向和葉根弦向主應力和應變方向的影響規(guī)律，以及主應力和應變變化的原因，得到以下結論。

①當風向角度變化時，葉片展向0.39R和0.53R處應力變化較大，葉尖0.9R處的主應力變化較小，風向角度變化對葉根和中部的主應力變化影響較大，來流風速越大，葉片展向主應力波動越大。葉片展向0.67R和0.73R兩個位置處的主應力大小接近。

②在低風速下，葉根弦向0.50C主應力最大；在高風速下，當風向變化角度為0～20°時，0.50C處主應力值大于0.25C處，當風向變化角度為20～45 °時，0.25C處主應力值大于0.50C處；葉根0.90C處應力變化較小，變化較為平穩(wěn)。風向角度變化對前緣的影響較大，對后緣的影響較小。

③在風向角度變化過程中，沿葉根弦向從后緣到前緣各測點主應力方位角先增大后減小，主應力方位角呈“L”形分布。