不同收缩角下伞形风力机振动特性试验研究_刘嘉文.pdf

149刘嘉文等不同收缩角下伞形风力机振动特性试验研究第 2 期第 42 卷 第 2 期2023 年 4 月内蒙古工业大学学报（自然科学版）Journal of Inner Mongolia University of Technology（Natural Science Edition）Vol.42 No.2Apr.2023文章编号：1001-5167（2023）02-0149-08不同收缩角下伞形风力机振动特性试验研究刘嘉文1,2，包道日娜1，刘旭江1，刘东1，吴胜胜1，王鹏1（1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古鲁电蒙源电力工程有限公司，呼和浩特 010020）Safety analysis of umbrella wind turbine structure with different shrinkage anglesLIU Jiawen1,2，BAO Daorina1，LIU Xujiang1，LIU Dong1，WU Shengsheng1，WANG Peng1收稿日期：2022-07-26 基金资助：内蒙古自治区自然科学基金项目（2020MS05032）；内蒙古自治区重点研发和成果转化计划项目（2022YFHH0048）；鄂尔多斯市科 技合作重大专项（2021EEDSCXQDFZ009）第一作者：刘嘉文（1995），男，硕士研究生，主要从事风能利用技术方面的研究。E-mail:通信作者：包道日娜（1976），女，博士，教授，主要从事风能利用技术方面的研究。E-mail:（1.School of Energy and Power Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;2.Inner Mongolia Ludian Mengyuan Electric Power Engineering Co.Ltd.,Hohhot 010020,China）Abstract：In order to verify the structural safety of umbrella wind turbine in the actual operation process,the vibration test of 5 kW umbrella wind turbine prototype was carried out to study the influence of wind speed and contraction angle on the vibration characteristics of umbrella wind turbine.The analysis results show that in the wind speed range of 57 m/s,due to the aeroelastic and inertial effects of the blades,the vertical radial amplitude of the tower at different heights increases sharply at 45o and 60o shrinkage angles.With the increase of wind speed,the blades become rigid and the amplitude decreases.As the shrinkage angles increases,the blades gradually approach the central vortex,and the horizontal radial amplitude of the tower increases at different heights.Comparative analysis of the vertical and horizontal radial vibration acceleration amplitude of the tower shows that the tower is mainly reflected in the horizontal radial bending vibration.The vertical radial vibration acceleration of the generator reaches its peak at 45o shrinkage angles,and the vibration energy is mainly distributed at 2.335 Hz.According to VDI-3834,the vibration characteristics analysis results are evaluated.It is found that the vibration rate of the tower and the vibration amplitude of the generator are less than the warning threshold,which verifies the structural safety of the umbrella wind turbine.Key words：spectrum analysis；vibration testing；aerodynamics；test；umbrella wind turbine摘要：为验证伞形风力机在实际运行过程中的结构安全性，对 5 kW 伞形风力发电机的测试样机进行振动试验,研究风速及收缩角对伞形风力机振动特性的影响。分析结果表明：45及 60收缩角下,由于叶片气动弹性及惯性作用，塔筒不同高度垂直径向振幅在 57 m/s 风速段内出现突增，随着风速增大，叶片转速增大，振幅出现下降趋势。由于叶片在收缩角增大过程中逐渐靠近中心涡，塔筒不同高度水平径向振幅随之增大。对比分析塔筒垂直径向与水平径向振动加速度幅值可知，塔筒主要体现为水平径向弯振。发电机垂直径向振动加速度在 45收缩角下达到峰值，其振动能量主要分布在 2.335 Hz。依据 VDI-3834 对振动特性分析结果进行评估，分析发现，塔筒振动速率及发电机振动幅值均小于警告阀值，验证了伞形风力发电机结构安全性。关键词：频谱分析；振动测试；气动力；试验；伞形风力机中图分类号：TK 83文献标志码：A DOI:10.13785/ki.nmggydxxbzrkxb.2023.02.011150内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年小型风力发电机通常采用定桨距结构且不具备主动功率调节功能，因此在极端风速下，极易造成输出功率过大烧毁电机甚至由于系统共振而倒塔的情况1。本文所研究的伞形调节机构的风力发电机组，可以根据不同的来流风速对风轮扫掠面积进行迅捷有效地调整2-5，极大提高了风力发电机组在极端风速下的避风性能，有效避免了由于系统共振而产生机械损伤，进而提高其运行的可靠性与安全性6。LI L 等7研究了水平轴风力机叶片的动态特性，提出了基于格林函数的风力发电机叶片耦合振动特性分析方法,分析了模态耦合、离心效应和转速对固有频率和振型的影响。成立峰等8通过提取风电场海量的 SCADA 数据，研究了湍流强度以及风速、叶轮转速统计平均值对风力机振动的影响关系，为风力机运行状态评估及现场维护等提供了参考。BANG H J 等9对 1.5 MW 风力机塔架进行应变和挠度监测，分析了风力机启动和顺桨情况下的监测结果，对塔筒结构的整体变形进行了估计。何先龙等10通过对多桩-混凝土承台式 5 WM 风力机塔筒进行振动监测，得出了该型号风力机塔筒的振动特性。结果表明，在台风以及对风偏航期间，塔筒会产生强烈振动，加速度峰值可达 10 m/s2，且最大加速度出现在塔筒中部。DONG X F 等11提出了一种基于优化谱峭度和集合经验模态分解的风力机振动源识别方法，通过利用实际监测的海上风力发电机振动响应，能够同时确定结构振动源和相应的能量分布。结果表明，随着风轮转速和功率的增加，风力机结构振动源从环境激励变为强迫谐波载荷，主振动能量经历了从随机振动能量到谐波振动能量的转变。在伞形风力机运行过程中，除了作用在叶片上的气动力、惯性力和离心力载荷12，还受到风轮离心力产生的回折轴向力和伺服电机轴向推力共同作用的交变载荷，这组交变载荷会对调节机构各零部件产生很大的应力变化13-14，除此之外，伞形调节机构频繁的动态变化还会改变风力发电机组的模态，在风轮转频激励下，可能会引起系统共振。因此，为确保风电机组平稳、可靠地运行，发挥最大的发电效益，提高其结构的安全性，降低由风机振动引起疲劳损伤，对伞形风力机开展运行工况下的振动监测很有必要15-16。本文通过风洞试验研究伞形风力机在正常工作和过载工作时，收缩角及风速对其振动特性的影响，进一步判断伞形调节机构设计的合理性，并对各测点试验数据进行时域、频域分析，研究收缩角对伞形风力机结构安全性的影响。依据 VDI-3834 标准对伞形风力发电机组塔筒、发电机振动特性进行分析，并评估其运行时的安全性。1伞形风力机1.1主要构成伞形风力机是下风向风力发电机，其主要驱动机构如图 1 所示。其中电动推杆通过压力轴承与直线光轴连接；直线光轴通过导杆承载穿过发电机中空轴与小轮毂连接；叶片通过叶片支架与固定于发电机中空轴上的大轮毂相连接；叶片支架通过连杆与小轮毂连接。1.2动作原理当来流风速偏离额定风速时，伺服电机开始正反转动作，通过减速箱对电动推杆施加推力或者拉力，以达到改变直线光轴行程的目的；直线光轴又通过小轮毂、连杆连接叶片，所以叶片可由伺服电机控制做伞形收合动作，以达到改变叶片收缩角的目的，从而改变风轮的扫掠面积，控制输出功率，保证风力发电机组的安全运行。其中，收缩角 为叶片与垂直于来流风速平面的夹角。2试验条件2.1试验风洞本次试验的风洞是由山东汇丰能源科技公司提供的大型低速回流式风洞，试验段开口直径 6 m，1.伺服电机；2.减速箱；3.电动推杆；4.压力轴承；5.导杆；6.顶杆；7.发电机中空轴；8.叶片；9.叶片支架；10.连杆；11.小轮毂；12.锁紧螺母；13.大轮毂；14.机舱底座；15.塔筒。图 1伞形风力机结构图Fig.1Structure diagram of umbrella wind turbine151刘嘉文等不同收缩角下伞形风力机振动特性试验研究第 2 期自由气流紊流度小于 1%，试验段安装测量精度为 0.1 m/s 的皮托管压力计，用于测量实时气流速度，风洞流场品质指标符合国军标 GJB1179-91 要求。2.2测点布置本次振动试验传感器主要布置于如下测点：发电机垂直径向；塔筒 3 m 高度水平、垂直径向；塔筒 5 m 高度水平、垂直径向，其中塔筒垂直方向与来流风向相同，塔筒水平径向垂直于来流风向，发电机垂直径向与风力机重力方向一致。加速度传感器通过磁座吸附在测点表面。布置结果如图2所示。测点布置的加速度传感器分为两种：低频加速度传感器、通频加速度传感器。其中，塔筒不同测点高度水平、垂直径向测点均采用低频加速度传感器，发电机垂直径向测点采用通频加速度传感器。其主要参数如表 1 所示。2.3试验工况伞形风力发电机的切入风速为 3 m/s，设计风速为 11 m/s，设计转速为 220 rpm，最高转速为350 rpm。根据伞形风力机的动作原理，文献 4 给出了伞形风力机收缩角与来流风速对应关系如式(1)：式中：为收缩角；Cp为风能利用系数；为空气密度；为发电机效率；A 为风轮未收缩时的扫率面积；V为来流风速；本次振动试验对该风力机进行定收缩角测试，试验开始之前首先对顶杆行程和收缩角关系进行标定，试验过程中手动对电控系统进行控制，以便将伞形风力机调整到相应的收缩角，收缩角工况为0、25、