叶片覆冰对抗冰冻机组载荷特性的影响

安利强,常 明,付秀娟,葛永庆,王璋奇(.华北电力大学 机械工程系,河北 保定 07003; .国电联合动力技术(保定)有限公司,河北 保定 0705)

叶片覆冰对抗冰冻机组载荷特性的影响

安利强1,常 明2,付秀娟2,葛永庆1,王璋奇1
(1.华北电力大学 机械工程系,河北 保定 071003; 2.国电联合动力技术(保定)有限公司,河北 保定 071051)

风电机组运行在低温、高湿的环境中,叶片往往会出现结冰现象.叶片覆冰后改变了叶片原有翼型形状且影响叶片的固有频率,进而影响风电机组的载荷特性.抗冰冻机组从安全性设计角度考虑低温环境下叶片覆冰对风电机组载荷的影响.以某2 MW陆上抗冰冻机组为研究对象,采用GH Bladed软件建立风电机组模型,结合特定环境条件考虑均匀覆冰、不均匀覆冰以及低温环境中不同空气密度对风电机组极限载荷的影响,统计风电机组关键部件中叶片、轮毂、塔架上的载荷,分析叶片覆冰前后风电机组关键部件极限载荷变化情况,为抗冰冻机组的设计优化提供参考.

翼型修正; 叶片覆冰; 极限载荷; 抗冰冻机组

我国风电机组装机容量逐年增加,风电机组装机地域覆盖广泛,包括高原、低温、沿海等各种地区.考虑安装环境条件的不同,针对特殊环境进行风电机组适应性设计,目前已有高原型、低温型以及海上风力发电机组.近两年,我国内陆山区以及沿海多出现冰冻天气,叶片覆冰后机组超载运行、机组运行过程中叶片甩冰等影响机组以及运维人员安全的问题日益突出.叶片覆冰与场址气候条件有关,且覆冰程度、覆冰时间具有随机性,所以通常风电机组在设计之初并不能充分考虑叶片覆冰对风电机组的影响.因此,研究风电机组叶片覆冰对风电机组安全的影响具有重要意义.

近年来,风电机组叶片覆冰问题引起广泛关注,国内学者采用实验观测以及计算流体力学仿真的方式对叶片覆冰的成因以及机理、叶片覆冰后对气动性能的影响进行了研究.从工程实践角度,风电机组设计者主要针对结冰成因、防覆冰、除冰方法以及结冰预测等方面进行了研究[1-4].张聘亭等[5]通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟翼型在不同覆冰形态、不同厚度下的静态、动态流场,结果表明,吸力面覆冰会造成覆冰层后的分离涡,随着攻角的增加分离涡向后缘生长,造成升力系数下降,阻力系数增加,覆冰改变了翼型动态升力系数曲线,从而影响了风电机组的气动弹性稳定性.谭海辉等[6]基于结构动力学、柔性多体动力学和振动力学理论基础,采用有限元方法计算不同覆冰厚度下的叶片模态,对频率响应进行了分析,得出频率与幅值的关系曲线.何玉林等[7]分析了叶片覆冰对风力机叶片翼型的影响,证明冰载使得翼型的升力降低、阻力增加、捕风能力减弱，造成发电量损失.孙少华等[8]采用惩罚因子修正的方式考虑覆冰对叶片气动性能的影响,得出覆冰后翼型升力系数下降、阻力系数增加以及造成发电量损失,对于叶根处疲劳载荷影响很大.

本文针对某2 MW抗冰冻风力发电机组,在IEC 61400-1标准[9-10]基础上确定外部风况条件,对叶片覆冰后气动性能参数变化以及整体质量变化,采用惩罚因子修正的方法对原有翼型的气动参数进行修正,并对覆冰的质量分布方式进行假定[11],应用GH Bladed软件建立风电机组模型,研究均匀覆冰以及不均匀覆冰在叶片不同空气密度下的极限载荷变化情况以及规律,为抗冰冻风电机组的设计提供参考.

1 2 MW机组设计参数

以某2 MW风电机组为研究对象,机组为三叶片、上风向、变速变桨距控制方式,风电机组总体技术参数如表1所示.

表1 机组参数Tab.1 General parameters

2 覆冰后叶片气动性能与质量

2.1冰质量分布

结冰叶片上的冰质量具有随机性,取决于当时的外部环境条件.本文参考规范见文献[11]中对叶片覆冰质量的假定方式,叶片结冰后线密度从风轮轴线性增加至风轮半径处,从风轮半径处沿展向至叶尖处线保持不变,

μE=ρEkcmin(cmax+cmin)

(1)

式中:μE为风轮叶片前缘半径处的线密度,kg/m;ρE为冰密度(700 kg/m3);k=0.006 75+0.3exp(-0.32R/R1),R为风轮半径,m,R1为1,m;cmax为最大弦长,m;cmin为依据叶片几何外形线性外推得到叶尖弦长,m.

本文中根据叶片几何外形外推得到叶尖覆冰最小弦长cmin为0.7 m,经计算单只叶片结冰质量为396 kg.叶片覆冰后将影响叶片固有频率,考虑单叶片覆冰后,叶片固有频率变化,如表3所示.

表2 覆冰前后叶片参数变化Tab.2 Parameters of blade without and with ice-coat

2.2覆冰对翼型气动性能影响

叶片覆冰后原有翼型的气动参数发生变化,变化程度由覆冰的程度以及覆冰位置确定.本文采用文献[8]中方法,对覆冰前的翼型气动数据进行惩罚因子修正,并通过Viterna方法[12]外推,得到覆冰后翼型的气动参数.对叶片某截面上的一个翼型进行惩罚因子修正并外推,如图1和图2所示.修正后的升力系数在小攻角范围内出现降低趋势,阻力系数在小攻角范围内出现上升趋势,且失速攻角前移,改变了翼型的气动性能.风电机组在变速变桨距的控制方式下运行,叶片攻角长时间运行在失速攻角以下,覆冰将会对叶片的载荷产生影响.

3 风况条件

风电机组安全等级为IIIB等级,依据IEC 61400-1标准[10]中假定IIIB等级风况,湍流度期望值Iref为0.12,50年重现期10 min平均风速Vref

图1 覆冰前后升力系数曲线Fig.1 Schematic of lift coefficient for airfoilwith and without ice-coat

图2 覆冰前后阻力系数曲线Fig.2 Schematic of drag coefficient for airfoilwith and without ice-coat

为37.5 m/s,湍流风以及瞬态风模型依据标准,风廓线指数为0.2,本文中湍流风风速谱采用Kaimal模型,

(2)

式中:f为频率;Vhub为轮毂高度处风速;Sk为速度分量功率谱;k为3个速度分量对应的下标;σk为速度分量标准偏差;Lk为速度分量积分比例参数.

4 覆冰工况下极限载荷分析

本文主要研究风电机组三叶片均匀覆冰、两叶片与单叶片不均匀覆冰,以及低温环境下不同空气密度对风电机组极限载荷的影响.在未考虑结冰的所有工况统计的极限载荷为“A”,在考虑三叶片均匀覆冰的所有工况中统计的载荷记为“B”,在考虑两叶片不均匀覆冰的所有工况统计的极限载荷记为“C”.

在IEC 61400-1标准基础上选取部分载荷工况用于计算极限载荷.极限载荷工况表如表3所示.仿真中DLC 1.2,DLC 6.1,DLC 6.2每个风速下使用6个风种子,每个风速下载荷分量的后处理采用6个风种子的计算结果取平均方式;DLC 5.1工况每个风速下使用12个风种子,每个风速下载荷分量的后处理采用12个风种子的前6个最大值取平均方式;DLC 2.3采用极端运行阵风EOG,每个风速下考虑风轮方位角0°～90°、步长30°与电网掉电时间的组合情况.

表3 工况表Tab.3 Load cases

4.1均匀覆冰工况下极限载荷

本节在表3基础上考虑三叶片结冰工况,统计风电机组关键部件的极限载荷,并将统计结果与未考虑三叶片结冰工况的极限载荷比较.在GL标准中定义的坐标系[11]下,如图3所示,统计叶根极限载荷、旋转轮毂极限载荷以及塔底极限载荷,载荷结果不包含局部安全系数,结果如图4～图6所示.

从图4～图6可以看出,三叶片覆冰后相比未覆冰情况下,叶根Mx最大值降低近6%,叶根My,Mxy以及Mz分别增加约1%,0.6%,76%.覆冰前后叶根Mx最大值同时出现在DLC 6.1,因覆冰后叶片气动性能变化与湍流风具有随机性导致载荷的变化具有随机性;叶根My,Mxy增幅在1%以内,经分析极限载荷均出现在DLC 2.3电网掉电工况风速上升趋势且停机过程中,风轮方位角位于45°～90°,因覆冰后叶片质量增加,停机变桨过程中叶片惯性力与覆冰后叶片重力在风轮旋转平面外的合力导致.叶根Mz最大值出现在DLC 6.1空转工况中,与风电机组运行控制系统无关,出极限时环境条件中风速纵向分量瞬时达到42 m/s,风向波动较大,叶片覆冰后气动性能变化综合导致叶根Mz出现极限载荷.为防止叶根Mz极限载荷超出设计值发生叶片变桨滑移以及失控,设计之初应关注变桨驱动电机制动力矩的硬件限值,在变桨电机选型时应尽可能保留较大余量,防止风电机组叶片因变桨电机制动力矩不足导致变桨失控故障发生.

图3 坐标系Fig.3 Coordinate

图4 叶根极限载荷比对Fig.4 Ultimate load of the blade root

图5 轮毂极限载荷比对Fig.5 Ultimate load of the hub

图6 塔底极限载荷比对Fig.6 Ultimate load of the tower root

旋转轮毂坐标系下轮毂各分量极限载荷均呈现不同幅度降低.轮毂载荷来源于三叶根载荷的合成,叶根极限载荷比对结果中除叶根Mz外其余载荷分量差异不大,且叶根Mz载荷数量级低于其余载荷分量.叶片结冰覆冰后单只叶片质量增加4%左右,但由于覆冰后叶片气动性能降低,捕获风能降低,导致风电机组在正常发电过程中载荷出现降低趋势.

塔底各分量极限载荷Mx,My,Mxy各增加2%左右,覆冰前后塔底Mx极限载荷均出现在DLC 6.2空转工况,此时叶片处于顺桨状态,湍流风风向与风轮的偏航误差为90°;塔底My极限载荷出现载荷DLC 2.3工况,电网掉电与极端运行阵风EOG组合工况;塔底Mz极限载荷出现在DLC 1.2正常发电工况,塔底Mz极限载荷因覆冰后气动性能变化与湍流风随机性结合导致旋转轮毂坐标系下的My,Mz降低,载荷通过塔架传递到塔底导致降低.

4.2不均匀覆冰工况下极限载荷

本节在表3假定的所有工况基础上考虑风轮不均匀结冰工况,即两叶片覆冰与单叶片覆冰情况,统计风电机组关键部件的极限载荷,并将统计结果与未覆冰工况的极限载荷进行比较.两叶片覆冰情况下叶根、轮毂、塔底极限载荷比较结果如图7～图9所示.两叶片覆冰工况相比未覆冰工况极限载荷,叶根My,Mxy载荷增加5%左右.两叶片覆冰后轮毂载荷变化情况同三叶片覆冰后载荷变化情况一致.

图7 叶根极限载荷比对Fig.7 Ultimate load of the blade root

图8 轮毂极限载荷比对Fig.8 Ultimate load of the hub

图9 塔底极限载荷比对Fig.9 Ultimate load of the tower roots

塔底极限载荷在两叶片覆冰工况下与未覆冰工况极限载荷相比,塔底Mx,My,Mxy增加幅度在2%～5%以内.经分析塔底Mx极限载荷均出现在DLC6.2湍流风、偏航误差90°工况,两叶片覆冰后产生风轮不平衡质量矩,对塔底左右方向弯矩产生影响.在当前覆冰情况下极限载荷增加近5%,需要重新复核载荷对结构的影响.此外,还需考虑因覆冰产生的不平衡载荷对塔架底部疲劳载荷的影响.在相同风况下覆冰前后两种情况下的塔底Mx载荷时序图,如图10所示.

图10 塔底Mx时序图比对Fig.10 Mx-time curve of tower root

单叶片覆冰与两叶片覆冰均会造成风轮质量不平衡以及影响覆冰叶片的气动特性,单叶片结冰工况相比两叶片覆冰工况,叶根、轮毂、塔底各关键分量载荷变化与两叶片覆冰载荷变化趋势一致,载荷大小出现不同程度变化:叶根Mz极限载荷增幅8%,塔底各分量载荷均出现小幅度降低,其余部件各分量载荷基本无变化.

4.3不同空气密度下极限载荷分析

选取表3中DLC 1.2正常发电工况,在此基础上,考虑不同空气密度对风电机组载荷的影响,仿真中基于运行控制策略以及控制参数不变.选取不同空气密度1.025,1.125,1.225,1.325,1.425 kg/m3.以空气密度1.025 kg/m3工况计算出的极限载荷为基准,为降低随机风种子对载荷的影响,每个风速下载荷分量的后处理采用6个风种子的计算结果取平均方式,其他空气密度下的各部件载荷与其比值,如图11所示.

从图11可以看出,随着空气密度的增加,叶片极限载荷Mxy、轮毂极限载荷Myz以及塔底极限载荷Mxy均呈上升趋势.轮毂极限载荷Myz呈明显线性趋势,空气密度每增幅约10%,载荷增幅10%左右,叶根极限载荷Mxy与塔底极限载荷Mxy随空气密度变化增幅5%左右.因此,抗冰冻机组在设计之初,要考虑风电机组运行在不同的低温环境下,并充分考虑不同空气密度对风电机组关键部件载荷的影响.

图11 部件载荷比值Fig.11 Load of components

5 结论

考虑叶片覆冰的随机性,研究三叶片均匀覆冰、两叶片与单叶片不均匀覆冰以及低温情况下不同空气密度对风电机组关键部件极限载荷的影响,得出以下结论:

(1) 叶片覆冰后,叶根Mz最大值增加,风电机组设计之初应对叶片覆冰工况下的载荷进行评估,确保机组运行过程中叶片极限载荷Mz包络于变桨驱动电机制动力矩硬件限值内,以防变桨失控故障发生.

(2) 两叶片覆冰、单叶片覆冰同未覆冰载荷相比,载荷变化趋势一致.两叶片覆冰工况相对于未覆冰工况,叶根Mx,My增加5%左右,叶根Mz极限载荷增幅近70%,塔底极限载荷增加2%～5%.风电机组设计工况假定中应尽可能考虑两叶片结冰与其他工况的组合,避免因为小概率事件的发生影响风电机组安全.

(3) 低温环境中不同空气密度下,叶根极限载荷Mxy、轮毂极限载荷Myz、塔底极限载荷Mxy随着空气密度的增加呈现线性递增趋势,且轮毂极限载荷Myz增幅与空气密度增幅一致.

(4) 风轮均匀覆冰与不均匀覆冰对轮毂载荷影响不大.但风轮覆冰后因覆冰质量不均匀产生风轮不平衡质量矩,对塔底左右弯矩Mx影响较大,且叶片覆冰后气动性能、风轮不平衡质量矩以及覆冰在一年中发生的时间具有随机性,应在疲劳载荷计算中充分考虑.下一步,将研究风轮覆冰对风电机组关键部件疲劳载荷的影响.

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Effectofanti-freezingwindturbineloadcharacteristicundertheconditionsoficingblades

ANLiqiang1,CHANGMing2,FUXiujuan2,GEYongqing1,WANGZhangqi1
(1.Department of Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,Hebei, China; 2.Guodian United Power Technology Baoding Company Ltd.,Baoding 071051,Hebei, China)

Wind turbines operated under the low temperature and high humidity,as frequently iced on the blades.Airfoils and nature frequency of blades are effected after ice accretion,and further load characteristic of wind turbine was influenced.Load characteristic of wind turbine effected by icing blades should be considered in the low temperature from the perspective of system security.Taking a 2 MW wind turbine as research object,wind turbine model was established by GH Bladed,the effect on ultimate loads of wind turbine was considered under the conditions of uniform icing,uneven icing on rotor and different air density,then ultimate loads of blades,hub,tower of wind turbine was calculated,and changes of ultimate loads before and after icing blades was analyzed for the optimization design.

airfoil correction; icing blades; ultimate loads; anti-freezing wind turbine

TM 315

： A

： 1672-5581(2017)03-0204-06

国家自然科学基金资助项目(51675179);河北省科技支撑计划项目(16214304D);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014ZD33)

安利强(1974—),男,副教授,博士.Email:anliqiang@ncepu.edu.cn