马进骁　李永贵　肖翅翔　李毅

【摘 要】在边界层风洞中对转动状态下的风力机模型进行了测力天平试验，研究了A、B两类地貌，0°桨距角，0°风向角时，风力机轮毂处两个轴向的风力系数，脉动风力功率谱和相干函数。结果表明：随着风轮转速的均匀增大，两个轴向的平均、脉动风力系数呈现出非均匀增大的现象;风轮转速为300rpm时，在折减频率为4Hz、6Hz处分别出现了风轮转动、天平-模型共振引起的谱峰。

【关键词】水平轴风力机;风洞试验;测力天平;风力系数;风力功率谱;相干性

中图分类号： TU317+.1文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）28-0040-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.014

【Abstract】Wind turbine model in rotating state is performed in a boundary layer wind tunnel based on the force balance，researched A，B two types of landform， the blades pitch angle was 0°，the wind angle was 0°，two axial wind coefficients，wind power spectrum and coherent function at the hub of a wind turbine.The results show：with the uniform increase of wind wheel speed， the average and fluctuating wind coefficients of the two axes increase unevenly;When the rotation speed of the wind wheel was 300rpm， spectral peaks caused by wind wheel rotation and balance-model resonance appeared at the reduction frequency of 4Hz and 6Hz.

【Key words】Horizontal-axis wind turbines;Wind tunnel test;Foece balance;Wind coefficient;Wind power spectrum;Coherence

能源是人類生存、社会发展的基础，但随着经济的快速发展，传统化石能源污染环境、不可再生等缺点已不能满足需要。调整能源结构，开发与利用可持续发展的绿色能源，成为了全球能源行业关注和国家提倡的热点[1]。风能作为一种不污染环境，能源利用率高、蕴量巨大、可持续利用的绿色能源越来越受到全球各国的重视。风力机叶片受到气动力产生旋转，在运转过程中叶片承受的气动力将通过叶根传递到风力机轮毂[2]，因此对风力机轮毂处风荷载特性进行研究有重要意义。

目前，国内外关于水平轴风力机风荷载特性开展了部分研究。王伟峰[3]对小型水平轴风力机风轮进行了数值模拟，并进行实体化设计完成了风洞试验，发现了风力机在来流风速为12.5m/s时，试验机架振动现象明显，当风速继续增大，风洞振动加剧，出现了风力机与风洞的共振现象。李强[4]利用风洞试验对小型水平轴风力机的导流罩结冰现象进行了研究，发现了空气中的水滴含量和来流风速是影响风力机导流罩表面结冰的重要因素。Hiromasa Kawai和Kazutoshi Michishita等[5]基于两个假设，提出了一种评估风力机整体与叶片、塔架所受风荷载的转换方法。

本文以2.0MW主流机型为研究对象，进行了风力机转动状态的测力天平试验[6]，研究了不同风轮转速下轮毂处风荷载特性，可为类似的水平轴风力发电机抗风设计提供参考。

1 风洞试验概况

1.1 模型设计

按几何缩尺比1：80，叶片采用ABS材质，轮毂、塔筒和底板采用铝合金材质制作的缩尺风洞试验模型，其主要参数见表1，表中：H1为风力机模型总高度，H为轮毂高度，D为风轮直径，l为叶片长。试验模型照片如图1所示。

1.2 风场模拟

根据《建筑结构荷载规范》[7]模拟了A、B两类风场，两类风场的风速剖面、湍流度剖面、脉动风速谱与目标值吻合较好，具体风场特性如图2所示。

2 试验结果与分析

2.1 轮毂平均和脉动风力系数

体轴系坐标系统如图3所示：定义x轴向为沿风轮扫掠面平行向，y轴向为沿风轮扫掠面垂直向，z轴向为沿风轮竖向向上，以风轮扫掠面与风向垂直时为0°风向角。

在0°风向角、0°桨距角时，7个不同风轮转速下轮毂处y轴向、x轴向平均、脉动风力系数如图4所示：随着风轮转速均匀增大，分别对应的y轴向平均风力系数整体上呈现逐渐增大的变化趋势，60rpm有最小值（A类地貌为0.88，B类地貌为0.82），300rpm有最大值（A类地貌为1.69，B类地貌为1.55）。具体在60rpm至180rpm时，其值增大的幅度比较均匀，在180rpm至300prm时，增大幅度更明显，曲线有略微“上扬”趋势，说明风轮风速的均匀增大，y轴向平均风力系数呈现不均匀增大的现象。B类地貌各个转速下的风力系数与A类地貌之比的均值为94.2%（下同）;y轴向脉动风力系数随着风轮转速的均匀增大，亦呈现非均匀增大的趋势，60rpm有最小值（A类地貌为0.57，B类地貌为0.55），300rpm有最大值（A类地貌为0.80，B类地貌为0.86），A类地貌整体脉动值比B类小;x轴向平均风力系数随着转速的均匀增大，其风力系数增大趋势较均匀，60rpm有最小值（A类地貌为0.051，B类地貌为0.045），300rpm有最大值（A类地貌为0.102，B类地貌为0.097）。B类地貌是A类地貌的91.4%;x轴向脉动风力系数相比y轴向波动更为明显，但整体上随呈现增大的趋势，60rpm有最小值（A类地貌为0.49，B类地貌为0.45），300rpm有最大值（A类地貌为0.93，B类地貌为0.91）。

2.2 轮毂风力系数频域分析

2.2.1 轮毂脉动风力功率谱

0°风向角，0°桨距角，风轮转速为300rpm时，轮毂y轴向、x轴向脉动风力功率谱如图5所示：y、x轴向均在折减频率约为0.6处有一个谱峰，这是由于模型刚度不足，其频率处于来流风荷载谱的频率范围内，导致天平-模型共振引起的结果。在折减频率约为0.4处有另一个谱峰，其中y轴向此谱峰刚有“诱发”的趋势，x轴向此处出现尖锐的峰值，这说明风轮转速对x轴向功率谱影响更大。实际工程中，由于惯性力的存在，轮毂风力与惯性力合力的功率谱也会存在类似的谱峰。在A、B地貌下，功率谱曲线基本一致。

2.2.2 轮毂脉动风力相干性

0°风向角，0°桨距角，风轮转速为300rpm时，轮毂处顺—横风向脉动风力相干函数如图6所示：对于常规高层建筑，顺风向风力是由脉动风引起，横风向风力由漩涡脱落而产生，顺、横方向受力机理不同，因此顺-横相关性小。但对于风力机此类细长结构，在转动状态下的顺—横方向相干函数值较大，大致分布在0.8以内，说明风轮转速对顺-横方向相干性影响很大。B类地貌顺—横风力相干性略大于A类。

3 结论

采用1：80缩尺比的水平轴风力机进行了测力天平风洞试验，研究了风力机在转动状态下轮毂处风荷载特性，得到以下結论：

1）风力机转动状态下随着风轮转速呈规律性变化。风轮转速增大，两个轴向的平均、脉动风力系数均增大，但呈现出非均匀增大的现象。

2）0°桨距角下，由于模型非绝对刚性，导致x、y两个轴向脉动风力功率谱均在折减频率0.6处存在一个天平-模型共振引起的谱峰，折减频率为0.4处存在一个风轮转动引起的谱峰。实际工程中，由于惯性力的存在，轮毂风力与惯性力合力的功率谱也会存在类似的谱峰。

3）风轮转速为300rpm下，顺-横方向风力相关性很大，B类地貌顺—横风力相干性略大于A类。

【参考文献】

[1]Gao M，Li Y Y.Energy and Environmental Challenges and Coping Strategies[J].Applied Mechanics and Materials，2014，535：489-494.

[2]周新坪.风力发电机叶片叶根的受力性能综述[J].科技风，2016（16）：159.

[3]王伟峰.基于逆向工程的风力机叶片实体建模研究[J]. 电网与清洁能源，2008，24（10）：40-43.

[4]李强，李岩，冯放.小型水平轴风力机导流罩结冰的风洞试验[J].可再生能源，2013，31（6）：66-69.

[5]Hiromasa Kawai，Kazutoshi Michishita，et al.Design wind load on a wind turbine for strong winds[C].Aerodynamics & Applications，20-24，2008.

[6]COOK N J.A sensitive 6-component high-frequency -range balance for buliding aerodynamics[J].phys.E.Sci.Instrum，1983， 116：390-393.

[7]GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版，2012.