浮式平台运动对叶片变形及整机性能影响.pdf
《浮式平台运动对叶片变形及整机性能影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《浮式平台运动对叶片变形及整机性能影响.pdf(12页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、第 52 卷 第 10 期 Vol.52 No.10 2023 年 10 月 THERMAL POWER GENERATION Oct.2023 修 回 日 期:2023-08-01 基 金 项 目:上海市 2020 年度“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目(20dz1205302)Supported by:Shanghais 2020 Annual Science and Technology Innovation Action Plan:Social Development and Science&Technology Project(20dz1205302)第一作者简介:刘江(198
2、0),男,博士,讲师,主要研究方向为风力发电机组气动设计及载荷分析,。DOI:10.19666/j.rlfd.202308381 浮式平台运动对叶片变形及整机性能影响 刘 江1,2,林熙涵1,姜未汀1,付在国1(1.上海电力大学能源与机械工程学院,上海 201306;2.上海热交换系统节能工程技术研究中心,上海 200090)摘要浮式平台在海洋环境中发生六自由度运动使得叶片周围流场产生剧烈波动,剧烈变化的流场会对叶片动态响应造成巨大的影响。采用 CFD-CSD 耦合方法对 NREL 5 MW 风力机进行了双向流固耦合仿真,在此基础上利用 UDF 技术加入浮式平台运动,研究了平台纵荡、纵摇和艏摇
3、运动下叶片变形情况及整机扭矩和推力变化。研究结果表明:纵荡、纵摇和艏摇这 3 种典型平台运动会使得叶片变形幅度增大,挥舞和扭转变形增幅要大于摆振变形;纵荡运动对叶片变形及气动性能的影响最大,扭转变形最大变化幅度可达 70%,整机扭矩和推力的峰值分别提高了 30.51%和 11.75%;纵摇和艏摇运动减小了平均扭矩和推力。关键词海上风力机;浮式平台运动;流固耦合;叶片变形;整机性能 引用本文格式刘江,林熙涵,姜未汀,等.浮式平台运动对叶片变形及整机性能影响J.热力发电,2023,52(10):187-198.LIU Jiang,LIN Xihan,JIANG Weiting,et al.Impa
4、ct of the floating platform motion on blade deformation and performance of wind turbineJ.Thermal Power Generation,2023,52(10):187-198.Impact of the floating platform motion on blade deformation and performance of wind turbine LIU Jiang1,2,LIN Xihan1,JIANG Weiting1,FU Zaiguo1(1.College of Energy and
5、Mechanical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 201306,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Energy-Saving in Heat Exchange Systems,Shanghai 200090,China)Abstract:The floating platform undergoes six degrees-of-freedom of motion in the marine environment,making the flo
6、w field around the blade fluctuate drastically,and the changing flow field will have a huge impact on the dynamic response of the blade.A two-way fluid-structure interaction simulation of the NREL 5 MW wind turbine was carried out using the CFD-CSD coupling method.Based on this,the UDF technique int
7、roduced the floating platform motion to study the blade deformation and the overall torque and thrust changes under the surge,pitch,and yaw motion.The results show that the three typical platform motions of the surge,pitch,and yaw make the blade deformation amplitude increase,and the increase of fla
8、pwise and torsional deformation is more significant than that of edgewise deformation;the surge motion has the greatest influence on the blade deformation and aerodynamic performance,the maximum change range of torsional deformation can reach 70%,the peak values of the torque and thrust are increase
9、d by 30.51%and 11.75%respectively;the pitch and yaw motions reduce the average torque and thrust.Key words:offshore wind turbine;floating platform motion;fluid-structure interaction;blade deformation;wind turbine performance 随着风电产业高速发展,为提高风轮利用效率,大容量、大尺寸风力机成为发展趋势1,而海上浮式风力机由于海洋环境优势成为大容量风电机组的重要发展对象。根据全
10、球风能理事会(GWEC)的统计数据2,2021 年海上风电机组新增装机容量为 21.1 GW,同比增长 206%。海上浮式风力机在复杂海洋环境中形成六自由度运动,包括了纵荡、横荡、垂荡 3 种平移运动和横摇、纵摇、艏摇 3 种旋转运动,具体如图 1 所示。平台运动使得叶片周围流场产生剧烈波动,其复杂程度远超陆188 2023 年 http:/ 上风力机和近海固定式风力机3-4,剧烈变化的流场会对叶片动态响应造成巨大的影响5,从而直接影响风力机的安全运行及整机气动特性。图 1 浮式风力机的六自由度运动 Fig.1 6 DOF motion of floating wind turbine 针对上
11、述问题,众多学者展开了相关理论研究。任年鑫等6采用滑移网格技术实现了浮式平台的典型周期运动,研究了不同纵荡运动状态对风力机气动性能的影响规律。吴俊等7基于 CFD 方法研究了浮式平台纵荡、纵摇和艏摇运动对风力机气动载荷的影响,并运用 BEM 理论从机理角度进行阐明分析。Hu 等人8利用 Fluent 软件中的用户自定义函数实现了 3 种平台运动,研究了浮式运动下融合小翼风力机的气动性能。Johlas 等人9研究了 Spar式和半潜式浮式风力机在纵荡和纵摇运动下的平均发电能力。白雪峰等10运用自由涡尾迹法研究了不同振幅的单个平台运动及多个耦合运动下风力机整机气动性能情况。黄杨等11基于 naoe
12、-FOAM-SJTU 求解器,结合致动线模型和等效梁理论建立了浮式风力机气动-水动-气弹耦合模型。Dong 等人12基于自由涡尾迹法模拟了纵摇运动下风力机不同工况下的气动特性并给出定量和可视化的分析结果。目前,涉及浮式平台的研究主要集中在平台运动对风力机气动性能及载荷影响,缺乏平台运动对叶片动态响应影响的分析。本文在双向流固耦合基础上加入 3 种典型浮式平台运动13,分析其对风力机叶片动态响应及整机性能变化的影响。1 数值计算方法 1.1 流场控制方程 流场计算基于非定常雷诺平均 Navier-Stokes方程的连续性方程和动量方程:0iiutx (1)()()iiijijijijjupuuu
13、Stxxxx (2)式中:为空气密度;t 为时间;ui和uj代表流体的雷诺平均速度分量;p 为压力;为动态黏度系数;Si为广义源项;ij为6 个不同的雷诺应力项,i,j=1,2,3。1.2 结构控制方程 风力机结构模型在气动载荷的作用下产生形变,叶片的结构响应基于下述控制方程进行计算:()uuuF tMCK (3)式中:M、C、K 分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;u、u、u 分别为叶片结构的加速度、速度和位移;F(t)为作用在叶片结构上的外部载荷,包括了气动力、离心力、重力、角转速力和附加质量力。1.3 流固耦合方法 流固耦合(fluid-structure interaction)主要有
14、强耦合法和弱耦合法2 种求解策略14。强耦合法是流体控制方程和固体控制方程耦合在同一个方程矩阵内,需要同时求解流体、固体控制方程的策略;弱耦合法是依次求解流体控制方程和结构控制方程的策略。本文对实尺寸风力机进行双向流固耦合数值计算。采用弱耦合法15-16对流场控制方程和结构响应方程依次求解,即先求解瞬态流场,再求解结构的动态响应,流体域和固体域的计算采用相同的时间步长。模拟计算使用 ANSYS 商业软件,流体计算选用 Fluent 软件,结构计算采用 Transient structural,通过 System coupling 模块将流场和结构场进行耦合,双向流固耦合计算过程如图 2 所示。
15、图 2 双向流固耦合系统组成 Fig.2 Composition of two-way fluid-structure interaction 第 10 期 刘 江 等 浮式平台运动对叶片变形及整机性能影响 189 http:/ 2 计算模型与验证 2.1 计算模型 选用美国可再生能源实验室(NREL)设计的 5 MW 参考风力机17作为研究对象,基本参数见 表 1。图 3 为流场计算区域,包含了外部静止区域和内部旋转区域,静止区域为长度 3.50D、直径2.40D 的圆柱形区域,旋转区域为长度 0.16D、直径1.20D 的圆柱形区域,D 为风力机转子直径,轮毂中心位于计算区域坐标原点。表
16、1 NREL 5 MW 风力机基本参数 Tab.1 NREL 5 MW wind turbine parameter 项目 参数 额定功率/MW 5 规格 三叶片、上风向 风轮、轮毂直径/m 126、3 切入、切出、额定风速/(m s1)3.0、25.0、11.4 切入、额定转速/(r min1)6.9、12.1 图 3 风力机计算模型示意 Fig.3 Schematic of wind turbine computational model 流场计算区域的入口为速度入口,出口为压力出口;静止区域侧壁边界条件设置为对称面,叶片设置为无滑移壁面。为使风轮所在的内部区域发 生旋转,采用了滑移网格技
17、术来定义其旋转。外部静止域和内部旋转域间接触的部分设置为交界面(图 3)。叶片结构和流体域中的叶片壁面都设置为流固耦合界面,在此界面上压力和位移的数据可以在每个迭代时间步上进行交换18。流场计算采用SST-k湍流模型,该模型结合了-k模型和-k模型的优点19,改进了近壁面低雷诺数流动的处理方式,在风力机气动性能预测中被广泛应用20-22。本文采用 SIMPLE 算法进行压力速度耦合,其中压力采用二阶格式,动量、湍动能和湍流耗散率均采用二阶迎风格式23,瞬态项采用一阶隐式差分格式。此外双向流固耦合计算考虑到叶片变形引起的流场网格运动,因此需要开启动网格,并设置扩散及网格重构参数。2.2 计算网格
18、 由于风力机叶片由多种不同的翼型连接而成,叶片表面曲率较大,且静止域与旋转域接触部分 的网格尺寸要尽量保持一致,因此本文采用 Fluent软件内置的 Meshing 模式对风力机流场划分非结构四面体网格,流体域网格如图 4 所示。流体域共有497 万网格,其中内部旋转域有 303 万网格,外部静止域有 194 万网格。为确保模拟的准确性,选用5 种不同的网格方案进行了网格无关性验证,网格无关性验证见表 2。由表 2 可知,随着网格数量的增加,输出功率的误差不断减小,619 万网格的误差仅为 0.26%。考虑到准确性和计算效率,选用网格数量为 497 万的方案用于进一步研究。a)流场外部网格 b
19、)叶片及轮毂表面网格 图 4 流体域网格 Fig.4 Fluid domain mesh 表 2 网格无关性验证 Tab.2 Mesh independent verification 网格数/万 215 321 410 497 619 功率/kW 4 512 4 796 4 902 5 021 5 093 误差/%11.18 5.59 3.50 1.16 0.26 注:功率参考值为 5 080 kW。叶片结构模型(图 5)采用 SHELL181 单元,使得叶片厚度从叶根处的 0.078 m 向叶尖处的 0.018 m逐渐减小。为加强叶片在弯曲变形方向上的刚度,采用正交各向异性玻璃纤维环氧树脂
20、复合材料24对叶片铺层,选用 45/0/902/03s铺层方式25。表 3给出了每层正交各向异性复合材料的材料属性,其中 E1、E2、G12、12、分别为垂直纤维方向与沿纤190 2023 年 http:/ 维方向的弹性模量、剪切模量、泊松比和密度。叶片及轮毂网格采用三角形网格,总共 88 229 个单元,44 033 个节点。图 5 叶片厚度分布 Fig.5 Blade thickness distribution 表 3 叶片铺层材料属性 Tab.3 Properties of blade lay-up materials E1/GPa E2/GPa G12/GPa 12/(g cm3)3
21、9.0 8.6 3.8 0.28 2.1 2.3 模型验证 在 NREL 5 MW 风力机切入、切出风速之间选取 6 个风速工况进行验证,包括 4 个变速运行工况及 2 个变浆工况。首先采用多参考系法进行稳态模拟,当计算残差达到 103且整机扭矩和推力变化稳定,认为计算收敛;随后基于稳态计算的结果采用滑移网格进行瞬态计算,当风轮旋转 4 个周期(约20 s)后,整机气动性能基本稳定;最后,将瞬态计算的结果与设计数据进行对比,具体结果如图 6 所示。由图 6 可知:在风速达到额定风速 11.4 m/s 之前,模拟结果与设计数据有较高的一致性;当风速超过额定风速,风力机开始变浆使叶片减载并维持输出
22、功率的稳定。CFD 计算出的功率和推力相比 参考值略有降低,变桨后的模型需要根据桨距角参数17重新建立风轮模型并采用相同网格尺寸划分网格。计算误差随着风速的增加逐渐增大,其中当风速达到额定风速 11.4 m/s 时,输出功率误差为1.16%,推力误差为 2.74%,符合计算精度要求,可以进一步用于流固耦合计算。在耦合计算前需要验证结构模型的合理性,因此对叶片进行了模态分析。对无载荷、无旋转的单叶片进行模态计算,并将叶根设置为固定约束。图 7 显示了叶片前三阶的模态振型。由图 7 可以看出,单叶片低阶模态振型主要是以挥舞和摆振变形为主,结果与 Jonkman 等人17用 FAST model 计
23、算得到的结果一致。表 4 呈现了单叶片的前 3 阶模态频率并与 Jeong 等人26的数据进行对比。由于叶片材料以及铺层参数(层数、厚度、方向)的差异,导致模态分析的结果存在差距。图 6 整机性能验证 Fig.6 Wind turbine performance validation a)一阶振型 b)二阶振型 c)三阶振型 图 7 叶片前 3 阶模态振型 Fig.7 The first three modal shapes of the blade 表 4 叶片前 3 阶模态频率 Tab.4 The first three modal frequencies of the blade 模态阶
24、数 文献26结果/Hz 本文结果/Hz 1 0.673 0.559 2 1.106 1.297 3 1.926 1.686 3 模拟结果与分析 本文将海上浮式风力机的平台运动简化为简谐运动27-29,运动方程为式(4):第 10 期 刘 江 等 浮式平台运动对叶片变形及整机性能影响 191 http:/ sin()iiitAt (4)式中:i为平台运动位移及角度;Ai为运动振幅;i为运动频率;i 为平台的纵荡、纵摇和艏摇运动。当浮式平台发生运动时,平台带动风力机以相同的速度一起运动。平台运动速度可由平台运动方程对时间求导得出:cos()iiiiV tAt (5)根据文献30计算出的平台六自由度
25、方向运动的概率密度分布图,选取了纵荡、纵摇和艏摇运动下最易发生的工况进行研究,平台运动工况见表 5。表 5 浮式平台运动工况 Tab.5 Floating platform motion conditions 运动形式 运动幅度 角频率/(rad s-1)纵荡 55 m 0.1 纵摇 55 0.1 艏摇 55 0.1 为实现平台运动,将平台运动速度转换为入口相对风速变化8,31并利用UDF编译入口边界条件以此模拟风力机叶片在浮式平台运动下的双向流固耦合特性。浮式平台的运动可以通过坐标系间的转化矩阵来描述。假设来流风速为 V=Vx,Vy,VzT,则来流风速转换成相对风速为 Vrel=Vx,Vy,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 平台 运动 叶片 变形 整机 性能 影响