考虑平稳风修正和塔架干扰的风力机叶片3—D风场模拟

大学自主研发的NHl500风力机为例，首先采用考虑沿高度变化的指数模型、塔影效应影响的潜流模型和上游风机尾流影响的涡流粘度模型对平稳风进行修正。然后基于空间变化的改进Von Karman风谱模型，结合谐波叠加法模拟风力机的来流脉动风速时程，再利用改进的叶素一动量理论获得考虑叶片旋转效应和塔架叶片相干效应的风力机纵向、横向和垂直向3-D随机风场。该方法充分考虑风力机风场模拟的外界干扰因素和自身特性，提高了风力机系统风场模拟的准确度。算例分析表明，本文方法可以准确地模拟给定风环境的风力机系统3-D风场。

关键词：风力机；3-D风场模拟；平稳风修正；塔架干扰；改进的叶素动量理论

中图分类号：TK83；TU279.7

文献标志码：A

文章编号：1005-2615（2015）Ol-O153-07

水平轴风力机系统主要由高耸的塔架和轻柔叶片组成，属于典型的风敏感结构。随着发电功率的增大，叶片旋翼直径和塔架高度已达到百米量级，以满足其捕捉风能的需求，但同时也会增大叶片遭受到的随机风载.使得风力机系统结构更容易发生抖振疲劳破坏。因此.准确的风场模拟是风力机系统风振动力分析的关键基础。

针对风力机随机风场的模拟方法研究，采用傅里叶变换方法，考虑了风剪切和塔影效应.模拟了风力机叶片纵向风场模型；采用时间序列自回归模型分析了风力机上典型观测点的纵向随饥风速.并给出了风速谱的拟合计算公式：采用自回归滑动平均模型和谐波合成法建立了风力机随机风场的模型，对比了两种方法的精度和稳定性，得出谐波合成法略好于自回归滑动平均模型的结论：从物理机制原理出发给出了风力机叶片考虑旋转效应的风谱模型，并和实测风谱进行对比验证；采用谐波合成法对海上风力机叶片和塔架的纵向脉动风速时程进行模型，并考虑了叶片和塔架的相干性。采用传统分析方法进行风力机随机风场模拟时存在两个主要问题：（1）和普通高耸建筑不同的是，风力机系统主要由叶片和塔架两部分组成.其中叶片的风场模拟需要考虑其自身转动引起的旋转效应以及塔架与叶片的相十效应；（2）由于单个风力机总会处在另一上风向运行风机的尾流中，因此叶片的平稳风模拟需要考虑塔架存在引起的塔影效应，和上游风力机的尾流影响。

本文基于三维风场的改进Von Karman风谱模型.采用谐波叠加法模拟风力机的来流风速，考虑风力机系统的风剪切、塔影效应和上游尾流影响对平稳风进行修正，再基于改进的叶素动量理论得到考虑叶片旋转效应和塔架一叶片相干性的风力机纵向、横向和垂直向3-D随机风场。算例分析和验证表明本文方法相比现有软件模拟有一定的改进，可以准确地模拟符合实际风力机自身特点的3 -D风场。

1 风力机随机风场模拟方法

风力机风场可以分解为两部分：平稳风和湍流风。前者足宏观上的大气整体运动形成的，方向为水平纵向.数值与观测点高度相关；后者是局部的湍流运动.有纵向、横向和垂直向3个方向。对这两种速度分别计算叠加即可获得总风速，如图1所示。

1.1 稳态风的修正

风力机的平稳风速由于受到风切变、塔影效应和上游风机尾流的影响.风场模拟时必须要对平稳风模型进行修正。其中风剪切主要采用指数模型，塔影效应主要采用适用于叶片在塔架卜风向运行的潜流模型.上游尾流影响主要采用包含由于尾流引起的附加湍流的涡流粘度模型。

风剪切的影响是指平稳风速随着高度的变化。常用修正模型包括指数模型和对数模型，本文选用前者，表达公式如下

式中：υ（h）为高度h处的风速；υ（hc）为参考高度h0处的风速；当不考虑风剪切的影响时，可以将α的值设为0，取值范围一般为0.1-0.25。

塔影是由于风力机塔架的存在影响了风场平稳风速，其影响修正主要有3种模型：叶片在塔架上风向运行的潜流模型、叶片在塔架下风向运行的经验模型和组合模型。现有风力机基本都是上风向风机设计，用以避免叶片周期地通过塔架尾迹产生的附加噪声和激振力，因此本文采用潜流模型修正

式中：DT为开始考虑塔影影响的高度处的塔架直径；F为塔架直径修正因子；z为计算点剑塔架中心的纵向距离；x为风矢量经过时距离塔架中心横向距离。

由于风力机很少会存在单个运营状态.基本都是以群体形式建立。因此在模拟风力机模型的风场时，由于单个风力机系统转子部分或者全部处于E游风力机的尾流中时，必须考虑上游风力机尾流对风场的影响，本文采用涡流粘度模型来考虑尾流引起的附加湍流影响，修正公式如下

（1）100 m和30 m高度处于风力机叶片的叶尖旋转区域，其纵向和横向风场的湍流特性要明显大于中间区域，而对于竖向风场的湍流特性影响较小；

（2）对同一高度断面的风场模拟结果来说，纵向风场的脉动特性最大，其次是横向风场，最弱的是竖向风场。通常风力机系统结构的风振动力反应分析主要考虑纵向风作用，忽略横向和竖向风作用；

（3）风力机叶片的纵向风场能量主要集中在风力机叶片的径向四周，越接近轮毂中心处的风场能量越弱，这也是由于叶片外罔旋转捕捉的风能相对中心处更多，造成风场更明显的湍流特性

基于风力机叶片的风场模拟结果，可以计算出叶片的气动载荷分布，图8给出了风力机叶片平面内和平面外气动载荷的分布曲线，图9分别给出了叶片升力、阻力和俯仰力矩系数轴向分析曲线。

从图中可以发现，叶片平面外气动载荷数值要远远大于平面内气动载荷，两者均沿着叶片轴向半径先增大再减小，并且平面外气动载荷的增幅更加明显。叶片的气动升力系数要大于阻力和俯仰力矩系数，3种气动力系数均是沿着叶片轴向半径迅速增大.然后在接近叶片中点附近数值逐渐趋于稳定。

3 结

论

本文提出的仿真算法相比商用软件在风谱选取和塔架叶片相干性方面有一定改进，可以用于模拟风力机叶片的3-D随机风场。主要结论如下：

（1）不同高度处于风力机叶片的叶尖旋转区域，其纵向和横向风场的湍流特性要明显大于中间区域，而对于竖向风场的湍流特性影响较小；

（2）对同一高度断面的风场模拟结果来说，纵向风场的脉动特性最大，其次是横向风场，最弱的足竖向风场。说明风力机系统结构的风振分析应主要考虑纵向风作用，可忽略横向和竖向风作用；

（3）风力机叶片的纵向风场能量主要集中在风力机叶片的径向四周，越接近轮毂中心处的风场能量越弱；

（4）叶片平面外气动载荷数值要远远大于平面内气动载荷，两者均沿着叶片轴向半径先增大再减小，并且平面外气动载荷的增幅更加明显。