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大型海上风力涡轮机后缘襟翼对负载缓解的性能及其影响
作者：Xin Cai 1, Yazhou Wang 1, Bofeng Xu 1,2,* and Junheng Feng 1
作者单位：1 College of Mechanics and Materials, Hohai University, Nanjing 211100, China; xcai@hhu.edu.cn (X.C.); wangyazhou@ctnei.com (Y.W.); fengjunheng0@163.com (J.F.)
2 College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China
* Correspondence: bfxu1985@hhu.edu.cn
摘要：由于海上风力涡轮机的大规模发展趋势，风切变和湍流风条件引起风力涡轮机转矩和推力的显著波动，对风力涡轮机齿轮箱的使用寿命和功率输出稳定性有显著影响。为了减轻大型风力涡轮机的载荷影响，提出了将后缘襟翼作为桨距控制的补充的方案。后缘波动的使用大型海上风力涡轮机。 本文采用自由涡尾流模型（FVW）建立带有后缘襟翼的风力涡轮机转子模型。 在分析了尾缘襟翼偏转角对海上风力机叶片载荷分布和尾迹流场的影响，并通过模拟切变风和湍流风的状况后，得到尾缘襟翼控制下相应的风力机载荷响应情况。结果表明
由于叶型平均迎角较小，在大风速条件下可以获得较好的控制效果。 后缘襟翼显著改变了叶片和尾流场的载荷分布，并减小了涡轮转子在切变风和湍流风作用下的低频扭矩和推力波动。
关键词：海上风力涡轮机; 后缘襟翼; 负荷缓解; 自由涡尾迹
1.引言
风能系统，尤其是海上风能系统，在每千瓦时的成本竞争力方面，面临着来自传统碳基能源的艰难竞争。 为了解决这个问题，许多能源系统增加了体积和功率，以实现大规模的生产，并获得更高空的风能[1,2]。 近年来，大型海上风力发电机组的功率已超过5兆瓦，叶片长度已超过80米。 而切变风、紊流风等不稳定因素对大型风力发电机组的稳定运行有较大的负面影响。 负荷和输出功率的稳定性已成为大型海上风力涡轮机组的重要问题。 在设计任务最终阶段，常常出现轴承和齿轮箱疲劳失效的情况，这表明有必要进行负荷缓解控制[3]。由于大型海洋机械的桨叶惯量很大，传统的桨距控制方法无法处理快速变化的气动载荷波动[4]。因此必须开发一种新的负荷控制系统。
大型风力发电机组的负荷缓解研究主要集中在两个方面，一方面是先进传输系统的研究[5]。 在研究了柔性耦合塔和叶片[6]对变速箱和发电机瞬时转矩变化的吸收和冲击载荷的减小后。 证明先进的液压液力变矩器[7,8]也是一种有效的传动控制结构。它可以吸收紊流风造成的冲击负荷，并准确地调整了输出轴的速度，从而有效地控制了永磁同步发电机组的速度，甚至抵消了混频器。 VESTAS公司成功地将液力变矩器应用于风力涡轮机。 另一个是关于智能转子的研究[4]。 智能转子利用流量控制技术控制风力机吸收的风能量，包括被动或主动流量控制装置，从源头减少风力机的负荷波动。 智能转子不仅可以减少负载波动，还可以降低叶片的摆动幅度和噪声水平。 主动流量控制装置是一种有效的控制方式，能够在复杂非稳态条件下实现对空气负荷的快速响应。 被动流量控制设备简单而稳定，只需对现有的刀片结构进行微小的修改即可实现。[9]. Hansen 和Madsen [10]重新审视了这两种类型的设备，包括可变形后缘、微凸片、变形、主动扭曲、合成射流、主动涡流发生器和等离子体激励器。 在这些流量控制装置中，可变形后缘襟翼由于其简单的结构和相当大的可调性而受到许多学者的研究[11,12]。 虽然后缘襟翼还处于研究阶段，但是此技术是最有可能首先投入大叶片实际应用的方法。
Bak等人[13]对装有主动后缘襟翼的Risoslash;‐B1‐18风力涡轮机型进行了风洞试验。 对主动尾缘襟翼进行了一定偏转下的稳态和动态试验。 稳态试验表明，偏转襟翼向压力侧的升力值较高，偏转襟翼向吸力侧的升力值较低。 Lee和Su[14]分析了联合后缘襟翼，得到了带襟翼的二维翼型的基本气动特性。 Lu等人[15]检查和优化柔性可变外倾后缘襟翼。 Lackner 和 kuik [16]研究了5兆瓦风力涡轮机后缘襟翼的减载能力。 结果表明，后缘襟翼的使用和所提出的反馈控制方法能有效降低叶片相对于基准的疲劳载荷。 Xu等人对大型漂浮式风力发电机后缘襟翼的控制进行了研究，发现后缘襟翼能有效地抑制大型漂浮式风力发电机的功率波动。 近年来的出版物显示，在非定常条件下，襟翼运动对风力机叶片负荷波动影响的研究相对较少。
本文首先采用自由涡尾迹方法（FVW）[18]分析了襟翼偏转角对风力机叶片气动载荷和尾迹流场的影响，并进行了验证。 在此基础上，详细分析了尾缘襟翼翼型的气动性能，以及尾缘襟翼对叶片气动载荷和尾迹流场的影响。 最后详细介绍了Xu等[17]提出的后缘襟翼控制策略及其在不同风力条件下的控制性能。
2 .FVW模型和验证
图一显示风力发电机的结构模型。 图中的红色部分是后缘襟翼。 由于上风结构的存在，塔架对气动性能的影响比非定常气动性能的影响要小得多[19] ，因此在计算中忽略了上风结构的影响。 本文采用FVW 方法模拟了带尾翼的风力机的气动性能。 该方法通过在1 / 4弦线上附加旋涡来模拟叶片的气动特性。 由于旋涡附着的梯度不均匀，采用弧余弦法将叶片离散成有限个微段。 最后，整个刀片被模拟成 Weissinger-l 模型[20]。 通过计算旋涡在尾流中诱导的速度，得到了叶片的气动分布模型。
叶片单元的边界由以下关系确定,其中 NE 是刀片元素的个数(本研究中NE=30) ，i 是元素的边界数(i 2，... ，NE 1)。 因此，有一个元素控制点和(NE 1)边界点。 风力涡轮机空气动力计算的 FVW 方法的细节可以在Ref. [18] 和 Ref. [21]中找到。
（1）
图1自由旋涡尾流（FVW）方法中采用的梯形边缘皮瓣风力涡轮机模型。
为了验证FVW方法的准确性，我们用它建立了 nrel 公司5mw 风力机的模型[22] ，并计算了在6m / s 到18m / s 的稳定风速条件下转子的功率和推力。 结果如图2所示，表明在几乎所有的风速下，计算值(RotPwr结果，RotThust结果)接近用快速软件(RotPwr,RotThust)[22]计算得到的值。 在非定常条件下，与实验结果相比，包括俯仰和偏航情况下，本文的模型得到了更高的准确性。 [18]. 由此可见，模型可用于计算风力发电机组的功率和推力，并且计算精度满足研究要求。
图2. 5兆瓦风力发电机的功率和推力输出与风速的函数关系。
3.后缘襟翼的气动性能
由于叶片外侧受力较大，迎角较小，尾缘襟翼的径向位置应接近叶尖。 此外，这种布局可以提供良好的控制效率。 皮瓣的宽度应该适当，以免损伤囊胚结构。 Ref [17]对 nrel 5 兆瓦风力发电机后缘襟翼的尺寸进行了研究. 在这里，我们也使用 NERL 5兆瓦风力涡轮机作为一个例子和同样大小的尾缘襟翼作为参考。如图3所示。 如图中红色所示襟翼宽度为弦长的20% ，在叶片的径向方向上，襟翼长度为14米。 襟翼的外侧位置距叶尖1.2米。 采用 NACA64-218翼型和带襟翼翼型的翼型厚度基线为18% 。 采用CFD (计算流体力学)方法计算了NACA64-218翼型的升阻系数。如图4所示Naca64-218翼型的拉力系数和升阻比。 在同一迎角下，翼型的升力系数随着襟翼偏转角的增大而增大。 在相同的襟翼偏转角下，攻角越大，升力系数越大，但升力系数的增加速率随攻角的增加而减小。 值得注意的是，当攻角大于8时，当襟翼偏转角大于15时，翼型升力系数不增加，甚至不减少。 根据Zhang等人[24]对后缘襟翼的气动力分析，当襟翼偏转角过大时，后缘襟翼失速。这会导致升力系数的下降和阻力的增加。 翼型升阻比随襟翼偏转角的增大先增大后减小. 翼型迎角越大，增加速度越小，最大升阻比的襟翼偏转角越小。 当襟翼偏转角大于10时，升阻比不再增大甚至减小。
图3带后缘襟翼的叶片结构。
图4. 带后缘襟翼的机翼 NACA 64-218的气动性能。
(a)升力系数 (b)升阻比。
- 尾翼在不同偏转角和风速下的气动特性
一般来说，攻角对带襟翼翼型的升力系数和升阻比有很大的影响。 因此，了解后缘襟翼对叶型攻角的影响是十分必要的。 表1显示了在不同风速下，装有 NREW 5兆瓦风力发电机后缘襟翼的叶型的转速、叶片间距角和平均迎角。 当风速小于额定风速时，桨距角为0，转速随风速变化而变化。 选定剖面的平均迎角从7.27缓慢增加到8.39。 当风速大于风速时，桨距角增大，而转子速度不变，所选翼型的平均迎角逐渐减小。 如图4所示，在不同的攻角下，飞翼偏转角对气动性能的影响是不同的。 因此，必须确定襟翼偏转角对叶片气动性能的影响。
在8 m / s、11.4 m / s 和16 m / s 三个稳定风速下，不同襟翼偏转角度下的风力机扭矩和推力如图5所示。 扭矩曲线的变化趋势为8 m / s 和11.4 m / s。 在-20-0偏转角范围内，转矩随偏转角的增大而增大，但在0-5范围内仅略有增大，在5-10范围内甚至有所减小。 16m / s 的扭矩值在 -20-10范围内增大，曲线的位移只有在接近10时才减小。 在8m / s 和11.4 m / s 下，推力曲线也是相似的。 当襟翼偏转角大于0时，在这些风速下推力值的增加速率相对较小，而在16 m / s 时推力值的增加速率较大。 襟翼的控制性能与翼型的迎角有关。 在大风速下，剖面的迎角越小，控制性能越好，这一结果与图4所示的结果一致。
图5. 后缘襟翼偏转角对5兆瓦风力发电机转子扭矩和推力的影响。
- 低速轴扭矩 (b)转子推力
FVW模型将叶片表面负载简化为在叶片表面控制点处的一系列集中负载。 通过分析集中载荷的变化，可以确定挠度对叶片气动载荷分布的影响。 图6-8显示了叶片控制点在8 m / s、11.4 m / s 和16 m / s 三种风速下的气动载荷分布。 显然，曲线在8 m / s 和11.4 m / s 时表现出相似的趋势，尽管这两个数值不同。 在风速为8 m / s 和11.4 m / s 时，襟翼的切向力和法向力随襟翼偏转角的增大而增大，襟翼偏转只对襟翼偏转分布中产生的载荷有显著影响，对襟翼的其他位置影响不大。值得注意的是，当襟翼偏转角为5时，襟翼的切向力略有增加，襟翼的法向力显著增加。但其余部分的切向力和法向力略有下降。当风速为16 m / s 时，翻转变形也会引起叶片侧襟翼的切向力和法向力的显著变化，并对襟翼附近位置的力产生较大影响。 影响范围大于叶片长度的20% 。 图6-8的比较表明，叶型攻角越小，当襟翼偏转角变化时，叶片气动力的变化越大。
这些结果表明，后缘襟翼的可调性与翼型迎角直接相关，当风速小于额定风速11.4 m / s 时，翼型迎角较大且变化不大。 因此，为了分析襟翼偏转对风力机运行的影响，只需要考虑11.4 m / 和16 m / s 的风速(大迎角和小迎角)。
图6.U=8 m / s 叶片操纵点的气动力分布。 (a)转子盘的切向力 (b)转子盘的法向力。
图7.U= 11.4 m / s 叶片控制点的气动力分布。 (a)对转子盘的切向力 (b)对转子盘的法向力。
图8.U= 16m / s 叶片控制点的气动力分布。 (a)对转子盘的切向力，(b)对转子盘的法向力。
图9和图10显示的轴向风速分布的风力机前部和背部的热电偶的后缘襟翼分别在11.4 m / s 和16 m / s，由FVW方法确定。 襟翼偏转对尾迹流场结构影响不大，但仍改变了叶片附近的轴向速度分布。 当风速为11.4 m / s 时，前后叶片的轴向速度随着翻转角的减小而显著增大，特别是翼尖部分。 相反，叶尖涡低风速区的风速增大。 当风速为16 m / s 时，翼尖涡之间的距离较大，翼尖涡轴向风速减小的幅度随翼片偏转角的变化不明显。 随着襟翼偏转角的减小，翼尖襟翼轴向风速分布的变化更加明显，而叶片其他部位风速分布的变化不明显。
图9. 11.4 m / s 尾流角为0°的平面轴向速度分布。 (位置: 轴向-0.2到3，径向0R到1.25 R)
图10.尾流角为0的平面上的轴向速度分布。(位置: 轴向从 -0.2 R到3R，径向从0到1.25 R)
5.风不稳定情况下的表现
后缘襟翼用于控制非定常风环境引起的负荷波动。 近地面风力机的非定常风场主要包括切变风和紊流风。
5.1切变风
切变风存在于靠近地面的大气中，并且受
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