杜運(yùn)超，汪建文,2*，王贏政，張建偉，閆思佳

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)能太陽(yáng)能利用機(jī)理及優(yōu)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

自然風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向時(shí)刻都在變化，這使得風(fēng)力機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面因長(zhǎng)時(shí)間不能正對(duì)來(lái)流風(fēng)方向而處于偏航狀態(tài)，偏航狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致有效掃風(fēng)面積減小，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下降，輸出功率減小.為解決此類(lèi)問(wèn)題，研究人員在設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)時(shí)添加了偏航系統(tǒng)，使風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中利用其偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)輪的迎風(fēng)角度，讓風(fēng)輪可以跟隨風(fēng)向的變化轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能最大限度地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能.但是，由于風(fēng)速、風(fēng)向變化較快，規(guī)律多變，偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在慣性反應(yīng)不靈敏的因素，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面并不能及時(shí)調(diào)節(jié)到垂直于來(lái)流風(fēng)向的位置，因此風(fēng)輪依然可能處于偏航狀態(tài).

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)來(lái)流風(fēng)與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面存在某固定夾角時(shí)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能.進(jìn)行了大量的研究[1-4].美國(guó)NASA AMES實(shí)驗(yàn)室的Phase Ⅵ項(xiàng)目對(duì)固定風(fēng)速下的風(fēng)輪直徑為10 m的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)到固定偏航角的非穩(wěn)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)出了在不同偏航角下葉片表面壓力和流體動(dòng)態(tài)壓力等數(shù)據(jù)[5].BASTANKHAH等[6]發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)所排布風(fēng)力機(jī)在一定偏航角度下運(yùn)行可有效提高風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電功率.UMBERTO等[7]通過(guò)數(shù)值模擬研究偏航控制對(duì)大小2種規(guī)模的風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率的影響，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)力機(jī)通過(guò)合適偏航控制可獲得更高的功率輸出.EBRAHIMI等[8]采用計(jì)算模態(tài)分析的方法研究NREL 5 MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)在強(qiáng)風(fēng)和快速偏航等極端風(fēng)況下的瞬態(tài)性能.胡丹梅等[9]對(duì)NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能采用數(shù)值模擬方法分析了垂直風(fēng)切變、陣風(fēng)和風(fēng)向變化3種工況下風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能.潘茂華等[10]采用數(shù)值模擬方法對(duì)穩(wěn)態(tài)偏航條件下的大型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行流固耦合分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)在偏航情況下，葉輪的功率輸出和推力輸出會(huì)產(chǎn)生周期性波動(dòng).

各國(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)固定偏航角下風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了大量的研究，但是由于風(fēng)速、風(fēng)向是連續(xù)的變化過(guò)程，穩(wěn)態(tài)偏航的試驗(yàn)設(shè)定與風(fēng)力機(jī)在自然風(fēng)場(chǎng)中的實(shí)際運(yùn)行狀況存在偏差，因此近年來(lái)研究人員研究了來(lái)流風(fēng)與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間夾角動(dòng)態(tài)變化下風(fēng)力機(jī)各項(xiàng)性能.曹九發(fā)等[11-12]針對(duì)穩(wěn)態(tài)偏航、動(dòng)態(tài)偏航等復(fù)雜工況，采用非定常自由渦尾跡方法計(jì)算尾跡形狀和氣動(dòng)載荷，得出大型風(fēng)力機(jī)在復(fù)雜工況下的氣動(dòng)性能、載荷、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和尾跡葉尖渦線特性，并計(jì)算出風(fēng)力機(jī)在復(fù)雜工況下的遲滯時(shí)間.王梟[13]采用自由渦尾跡方法，計(jì)算了大型風(fēng)力機(jī)在剪切風(fēng)和動(dòng)態(tài)偏航等工況下的載荷與尾跡發(fā)展.葉昭良等[14-15]針對(duì)風(fēng)力機(jī)偏航過(guò)程中風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)尾流特性，采用數(shù)值模擬方法對(duì)NREL Phase Ⅵ風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了0°～30°偏航角動(dòng)態(tài)偏航過(guò)程的數(shù)值模擬，得出了在該偏航范圍內(nèi)風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)變化特點(diǎn).

文中針對(duì)風(fēng)向勻速變化時(shí)同一風(fēng)速、不同尖速比下風(fēng)力機(jī)的輸出功率、轉(zhuǎn)速變化情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)風(fēng)向變化開(kāi)始及結(jié)束時(shí)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行存在的遲滯現(xiàn)象進(jìn)行分析，以期為風(fēng)力機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中可靠性、經(jīng)濟(jì)效益的預(yù)估提供參考，并且為偏航工況下風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)運(yùn)行提供借鑒.

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

試驗(yàn)采用課題組自行設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)S翼型三葉片水平軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪直徑1.4 m，額定功率300 W，額定來(lái)流風(fēng)速8 m/s，額定轉(zhuǎn)速546 r/min，葉片采用樟子松木為芯，表面蒙皮玻璃纖維為1∶1的0°/90°鋪設(shè)，楊氏彈性模量為7.8 GPa，泊松比為0.47；以葉片長(zhǎng)為R,葉輪中心為原點(diǎn)，該葉片翼型最大弦長(zhǎng)位于沿展向0.15R處，為193.2 mm，其最大扭角為28.95°，如圖1所示.

試驗(yàn)風(fēng)洞為B1/K2直流式低速風(fēng)洞，其無(wú)法實(shí)現(xiàn)風(fēng)向的變化，因此在風(fēng)力機(jī)底部安裝動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，該平臺(tái)由控制器、伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、旋轉(zhuǎn)臺(tái)等設(shè)備構(gòu)成，伺服電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)減速器相連，控制器可通過(guò)編程輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等指令.當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)按照設(shè)定速度運(yùn)行時(shí)即可同時(shí)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)搭載風(fēng)力機(jī)整體，以塔筒為軸心進(jìn)行水平方向旋轉(zhuǎn)，而通過(guò)控制伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與速度即可間接控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向與速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)向變化方向及速度的模擬，設(shè)備整體如圖2所示.

圖1 水平軸風(fēng)力機(jī)

圖2 風(fēng)向變化試驗(yàn)臺(tái)整體圖

風(fēng)力機(jī)的輸出功率及轉(zhuǎn)速變化數(shù)據(jù)，采用Fluke NORMA功率分析儀進(jìn)行測(cè)量記錄，該設(shè)備可對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中功率、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，如圖3所示.

圖3 功率分析儀

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備整體布局如圖4所示.試驗(yàn)中風(fēng)向變化過(guò)程如圖5所示，圖中t為時(shí)間，θ為偏航角度.風(fēng)向變化速度為勻速變化，參考IEC61400中規(guī)定的極端風(fēng)向角變化速度5°/s，以5°/s速度為上限每間隔1°/s選取1個(gè)風(fēng)向變化速度，即選取5個(gè)風(fēng)向變化速度1°/s，2°/s，3°/s，4°/s和5°/s.試驗(yàn)中受風(fēng)洞設(shè)備及外界環(huán)境影響，來(lái)流風(fēng)會(huì)與設(shè)定風(fēng)速值存在誤差，通常采取提前開(kāi)啟風(fēng)洞并觀測(cè)風(fēng)速儀的方法來(lái)減小試驗(yàn)誤差，因此本試驗(yàn)中采取對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)提前采集的方法來(lái)進(jìn)一步減小系統(tǒng)誤差，即在風(fēng)輪正對(duì)來(lái)流風(fēng)時(shí)采集10 s該狀態(tài)下的功率、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行風(fēng)向變化過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集，風(fēng)向變化示意圖如圖5所示.

圖4 設(shè)備整體布局示意圖

圖5 風(fēng)向變化示意圖

風(fēng)向變化在第10 s處開(kāi)始，以風(fēng)輪正對(duì)來(lái)流風(fēng)時(shí)定義為0°，以面向風(fēng)輪逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)轱L(fēng)向變化方向，分別以5種速度變化至45°，當(dāng)風(fēng)向變化至45°后試驗(yàn)并不停止，而是以當(dāng)前狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行較長(zhǎng)的一段時(shí)間，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

試驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)輪額定工況為風(fēng)速8 m/s，尖速比(葉片葉尖線速度與來(lái)流風(fēng)速的比值)λ為5，因此，為了使試驗(yàn)中運(yùn)行工況更全面并且包括額定工況，風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行工況選擇了風(fēng)速為8 m/s，尖速比λ分別為4.5，5.0，5.5，6.0這4種工況.在不同尖速比下分別進(jìn)行5種風(fēng)向變化速度的試驗(yàn)測(cè)試，采集風(fēng)力機(jī)輸出功率及轉(zhuǎn)速變化數(shù)據(jù).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)向變化速度對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率的影響

在風(fēng)速為8 m/s，尖速比分別為4.5，5.0，5.5，6.0，風(fēng)向變化速度分別為(1°/s，2°/s，3°/s，4°/s和5°/s)下運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)輸出功率變化規(guī)律如圖6所示.圖中可以看出，前10 s風(fēng)輪正對(duì)來(lái)流風(fēng)時(shí)，受試驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境因素的影響，風(fēng)力機(jī)輸出功率具有輕微的波動(dòng)現(xiàn)象.第10 s風(fēng)向開(kāi)始變化后，輸出功率呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，同一尖速比不同風(fēng)向變化速度下的輸出功率最終趨近于同一數(shù)值，這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)向變化過(guò)程結(jié)束后，風(fēng)力機(jī)與來(lái)流風(fēng)之間夾角都固定在45°，所以風(fēng)力機(jī)在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行后輸出功率會(huì)趨近于同一數(shù)值.

對(duì)比4種不同尖速比下同一風(fēng)向變化速度，如當(dāng)風(fēng)向變化速度為1°/s時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)輸出功率下降趨勢(shì)都是先經(jīng)過(guò)5 s左右的波動(dòng)，然后下降速率增加；當(dāng)風(fēng)向變化過(guò)程結(jié)束后即第55 s時(shí)，輸出功率仍會(huì)持續(xù)下降一定幅度，直至某一穩(wěn)定值，且初始尖速比越大，這一數(shù)值也會(huì)越大，最終穩(wěn)定功率值分別為6.0，7.5，9.0，15.0 W，因?yàn)榧馑俦仍酱箫L(fēng)力機(jī)負(fù)載越小，當(dāng)風(fēng)速、風(fēng)向不再改變時(shí)，負(fù)載越小，風(fēng)力機(jī)輸出功率值越大.觀察圖6b可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)向變化速度越大，輸出功率下降速率越大，下降至最終穩(wěn)定值所用時(shí)間越短，因?yàn)楫?dāng)風(fēng)向變化緩慢時(shí)，風(fēng)輪吸收風(fēng)能的有效面積在緩慢減小，輸出功率下降趨勢(shì)也相對(duì)緩慢，風(fēng)向變化速度增大后會(huì)導(dǎo)致來(lái)流風(fēng)作用在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上的風(fēng)量驟減，因此輸出功率下降幅度也相應(yīng)發(fā)生驟降.

圖6 不同風(fēng)向變化下風(fēng)力機(jī)輸出功率

2.2 風(fēng)力機(jī)輸出功率遲滯現(xiàn)象

在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總分析的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)向變化開(kāi)始后，風(fēng)力機(jī)輸出功率并不是立即隨之下降，而是會(huì)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的波動(dòng)，然后才會(huì)出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)；同樣的，在風(fēng)向變化結(jié)束后，風(fēng)力機(jī)輸出功率仍會(huì)持續(xù)下降一段時(shí)間才能夠到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定值，這證明在風(fēng)向變化起始和結(jié)束時(shí)，風(fēng)力機(jī)的輸出功率都存在遲滯現(xiàn)象.

將圖6中10～20 s區(qū)域進(jìn)行放大單獨(dú)分析，如圖7所示.由圖7b可以看出，輸出功率都在風(fēng)向變化開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)了小幅度上升現(xiàn)象，然后會(huì)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的波動(dòng)才會(huì)持續(xù)下降，波動(dòng)過(guò)程大約為3 s，其原因是當(dāng)風(fēng)向變化開(kāi)始時(shí)，風(fēng)輪本身轉(zhuǎn)速由于離心力及機(jī)械慣性會(huì)在短時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，來(lái)流風(fēng)作用在風(fēng)輪上的氣動(dòng)特性也尚未改變，同時(shí)在模擬風(fēng)向變化過(guò)程中會(huì)使風(fēng)輪在水平方向上產(chǎn)生一個(gè)新的相對(duì)速度，此時(shí)風(fēng)輪所受到的合力會(huì)出現(xiàn)小幅度上升，從而導(dǎo)致輸出功率產(chǎn)生波動(dòng).當(dāng)風(fēng)向繼續(xù)變化，來(lái)流風(fēng)作用在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面上的余弦分量越來(lái)越小，風(fēng)向變化速度保持不變，所以輸出功率在經(jīng)過(guò)初期波動(dòng)后保持持續(xù)下降.同時(shí)對(duì)比不同尖速比下風(fēng)力機(jī)輸出功率在風(fēng)向變化開(kāi)始時(shí)，都產(chǎn)生了載荷波動(dòng)現(xiàn)象，且持續(xù)時(shí)間都在3 s左右，因?yàn)樵囼?yàn)風(fēng)速都是8 m/s，風(fēng)向變化速度設(shè)置也一致，所以風(fēng)輪受到的載荷變化大致相同，起始遲滯時(shí)間都維持在3 s左右.

圖7 風(fēng)向變化起始時(shí)輸出功率遲滯時(shí)間

當(dāng)風(fēng)向變化結(jié)束后，風(fēng)力機(jī)的功率值并不是一個(gè)穩(wěn)定值，而是仍保持下降趨勢(shì)，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后下降為某定值保持不變.圖8為風(fēng)力機(jī)在風(fēng)向變化結(jié)束后輸出功率下降分析圖.

風(fēng)向變化速度分別為1°/s，2°/s，3°/s，4°/s和5°/s，總變化角度都為45°，且在第10 s開(kāi)始變化，因此風(fēng)向變化結(jié)束時(shí)間分別為第55.00，32.50，25.00，21.25，19.00 s，然后再經(jīng)過(guò)不同的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定值.

圖8 風(fēng)向變化結(jié)束時(shí)輸出功率遲滯時(shí)間

由圖8b所示，當(dāng)風(fēng)向分別以不同變化速度改變45°后，風(fēng)力機(jī)輸出功率則分別繼續(xù)運(yùn)行3，7，8，10，11 s后到達(dá)穩(wěn)定值7.5 W，因?yàn)楫?dāng)風(fēng)向變化過(guò)程停止后，風(fēng)力機(jī)相當(dāng)于在風(fēng)速8 m/s、偏航角45°工況下運(yùn)行，所以最終穩(wěn)定值相同.同時(shí)，再對(duì)比不同尖速比時(shí)風(fēng)向變化結(jié)束后的遲滯時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)向變化速度分別為1°/s，2°/s，3°/s，4°/s和5°/s時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率也在約第60，40，35，31，30 s到達(dá)穩(wěn)定值.

這是因?yàn)轱L(fēng)向變化速度越低，則風(fēng)力機(jī)在該過(guò)程中停留時(shí)間越長(zhǎng)，受氣動(dòng)載荷、偏心轉(zhuǎn)矩變化影響越大，功率降低幅度越大，所以當(dāng)風(fēng)向變化過(guò)程結(jié)束后越能以較短的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定值，且該值隨著初始尖速比的增大而增大.

2.3 風(fēng)向變化速度對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響

風(fēng)速為8 m/s、尖速比為5.0時(shí)，5個(gè)風(fēng)向變化速度下風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖9所示.當(dāng)風(fēng)速為8 m/s、尖速比為5.0時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速n為546 r/min.從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速下降規(guī)律與輸出功率變化規(guī)律大致相似，而且也存在遲滯現(xiàn)象，在風(fēng)向變化開(kāi)始后首先經(jīng)過(guò)5 s左右的波動(dòng)，然后轉(zhuǎn)速持續(xù)下降，風(fēng)向變化速度越大，轉(zhuǎn)速下降速率越快、風(fēng)向變化過(guò)程中下降幅度越小、風(fēng)向變化結(jié)束后所需遲滯時(shí)間越長(zhǎng)，直至降至穩(wěn)定值120 r/min.

圖9 尖速比為5.0時(shí)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

圖10為8 m/s風(fēng)速，尖速比為6.0時(shí)，5個(gè)風(fēng)向變化速度下的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律.

圖10 尖速比為6.0時(shí)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)比圖9與圖10可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)尖速比不同時(shí)，風(fēng)力機(jī)在風(fēng)向變化過(guò)程中的轉(zhuǎn)速也符合上述變化規(guī)律，且尖速比越大，最終穩(wěn)定轉(zhuǎn)速值越大，因?yàn)轱L(fēng)向變化結(jié)束后風(fēng)力機(jī)相當(dāng)于是在固定偏航角下運(yùn)行.

3 結(jié) 論

利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)模擬風(fēng)向以不同速度勻速變化的過(guò)程，進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)輸出功率及轉(zhuǎn)速在該過(guò)程中變化情況的研究，并對(duì)其遲滯現(xiàn)象進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1) 風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)向變化速度下其輸出功率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，風(fēng)向變化速度越大，下降速率越快，但在其變化過(guò)程中對(duì)應(yīng)的下降幅值越小，同一尖速比下最終輸出功率穩(wěn)定在同一數(shù)值.

2) 在風(fēng)向變化開(kāi)始與結(jié)束時(shí)都存在遲滯現(xiàn)象.風(fēng)向變化開(kāi)始時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出功率出現(xiàn)小幅度上升，并持續(xù)波動(dòng)3 s左右后才會(huì)開(kāi)始下降.風(fēng)向變化結(jié)束后，風(fēng)力機(jī)需要繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，此時(shí)輸出功率才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值，風(fēng)向變化速度越大，遲滯時(shí)間越長(zhǎng)，初始尖速比越大，最終穩(wěn)定后功率值越大，這對(duì)風(fēng)向變化時(shí)風(fēng)力機(jī)偏航控制策略的設(shè)定與運(yùn)行具有一定的參考意義.

3) 風(fēng)向變化過(guò)程中風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律與輸出功率變化規(guī)律趨勢(shì)相同，也同樣存在遲滯現(xiàn)象.相同尖速比時(shí)風(fēng)向變化速度越大，轉(zhuǎn)速下降速率越快，風(fēng)向變化過(guò)程中下降幅值越小，風(fēng)向變化結(jié)束后所需遲滯時(shí)間越長(zhǎng)，最終穩(wěn)定在同一轉(zhuǎn)速.尖速比不同時(shí)，尖速比越大，最終穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速越大.