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CWP2020中车技术思享荟 | ③ 抑制塔叶耦合涡激

北极星风力发电网  来源:中车株洲所    2020/10/23 9:21:13  我要投稿  

北极星风力发电网讯:2020年4月到5月,武汉鹦鹉洲长江大桥和虎门大桥相继发生风致桥面上下波浪晃动,引起了众多桥梁专家的广泛关注。随着风电行业的技术发展,陆上大型兆瓦级风电机组的风轮直径已超过160m,柔性塔筒高度也达到120~140m。叶长愈长,塔高愈高,风绕过塔筒引起的涡激振动,也愈发频繁地出现在风电人的视野中。风电机组出现涡激振动,会对风机的机械强度和寿命产生巨大影响,即使抗台风型机组也未必能扛住十几米每秒的持续风致涡激振动,使得业主和主机厂更为关注中低风速区风机的运行状况。

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在2020北京国际风能大会暨展览会(CWP 2020)的关键部件技术创新论坛上,中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部资深主任设计师巫发明以“大型风电机组叶片与塔筒耦合涡激研究”为题,揭开了叶片与塔筒耦合涡激振动原理的神秘面纱,并给出风电场的应对实施方案。

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巫发明对风电机组涡激振动的现象和机理作了详细阐述。由于风机的叶片和塔筒都是非流线型结构,风在叶片和塔筒表面绕流时,会在两侧交替产生脱离表面的旋涡,这就是涡激振动的激励源。当叶片和塔筒表面的脱涡频率与其固有频率重叠时,就会使结构发生模态失稳,出现涡激震颤的共振现象,对塔筒极限强度和疲劳寿命存在较大影响。

在风机标准IEC61400-1和塔筒标准IEC61400-6中,都只提及涡激振动对塔筒的影响,这让大部分人对风机涡激振动的认知止步于此。在此基础上,中车株洲所科研团队做了更加细致和深入的研究。一般来说,塔筒的一阶涡激振动风速很低,但是风场案例以及现场试验表明,在七八米每秒乃至十余米每秒的风速下,塔筒依然会发生一阶涡激振动,甚至在叶片上也会出现,这是一个重大的发现。研究表明,叶片的姿态、所停留的位置,会对风机能否发生涡激振动有决定性的影响。由此可知一阶塔筒的涡激振动已不仅是塔筒本身的问题。

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为了更直观地了解风电机组叶片和塔筒耦合涡激振动的影响,巫发明团队结合现场实测数据,采用切片法对单独塔筒、塔筒串列和并列叶片三种形式进行对等仿真分析,将流场力施加到动力学模型上观察激振情况,可以明显看到叶片上的涡激力,以及叶片两侧的脱落涡。通过对比发现,机组发生涡激时的晃动位移量明显高于只考虑塔筒涡激的情况。

基于以上分析结果,研究团队在风场机组停机状态下,成功完成涡激振动的风场复现。深入挖掘振动数据后发现,涡激振动时塔筒位移的变大过程中存在二次发散,振动力有再次加剧的过程,在一定程度上论证了塔叶耦合涡激振动的深度关联。通过研究总结并提出了风向的改变(偏航对风)和叶片姿态的改变,可以有效抑制风机涡激振动,并定制出一系列未上电的风电机组规避涡激振动的措施。

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“涡激振动只是风电高速发展时遇到的'一个'问题,风电平价之路上还会不断有更多挑战”,巫发明在报告中如此总结。2020年是中国陆上风电平价前的最后一年,电网电价的下调,竞价上网的变革,风电行业也将面临各种各样的机遇和挑战。而以风电智能化、数字化为驱动,设计出性能优越、可靠性高的风电机组,是平价时代实现风电产品全生命周期整体解决方案的降本提效,保障LCOE整体最优的必由之路。

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