臺風過境全過程大型風力機風荷載特性

王 浩, 柯世堂, 王同光

(南京航空航天大學 江蘇省風力機設計高技術(shù)研究重點實驗室, 南京 210016)

0 引 言

臺風所攜帶的巨大能量決定了其對大型構(gòu)筑物的影響與季風顯著不同，且臺風自身結(jié)構(gòu)的復雜性更是導致當構(gòu)筑物處于臺風不同生命周期時的風荷載差異巨大[1]。大型風力機屬于典型的大柔性結(jié)構(gòu)，強臺風作用會進一步放大機組的柔性特征，近年頻繁出現(xiàn)風力機組在臺風影響過程中的結(jié)構(gòu)安全事故[2]。隨著海上風電的發(fā)展和風力機的進一步大型化，精細化研究不同臺風影響時段下風力機的風荷載特性對風力機的抗臺風設計和安全運行具有重要意義。

許多學者已對良態(tài)風作用下風力機的風荷載進行了較為系統(tǒng)的研究[3-5]，相關研究成果已成為目前大型風力機結(jié)構(gòu)設計的參考依據(jù)。目前針對臺風作用下風力機風荷載特性的研究仍較為匱乏，相關規(guī)范[6-8]仍按照傳統(tǒng)的正常停機工況考慮臺風影響。已有研究中：文獻[9]結(jié)合臺風“杜鵑”和實際風力機葉片結(jié)構(gòu)的破壞特征，指出臺風作用所引起葉片超設計載荷是葉片結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。文獻[2]進一步指出，由于現(xiàn)有風力機運行控制系統(tǒng)大都未考慮極端臺風作用的影響，因此普遍存在抵御臺風載荷的設計缺陷，這是導致風力機結(jié)構(gòu)在臺風載荷作用下易發(fā)生失效破壞的主要原因。近年出版的國家標準《臺風型風力機組》[11]意味著臺風作用下風力機安全研究逐漸引起業(yè)界的重視。然而，目前針對臺風過境全過程風力機結(jié)構(gòu)安全的影響研究仍屬空白。因此，本文針對這一亟待解決的科研問題[12-13]提出大型風力機的臺風過境全過程風場模擬方法，以美國可再生能源實驗室(NREL)5 MW風力機為例，系統(tǒng)研究了臺風過境全過程大型風力機的風荷載分布特性，提出考慮臺風過境全過程影響的大型風力機系列抗臺風建議措施。

1 臺風過境全過程風場模擬

1.1 分析框架

大型水平軸風力機組運行時葉片總是面向迎風側(cè)，其風振分析一般僅考慮順風向風速U(t)的影響。然而，當臺風過境風力機組所處區(qū)域時，橫風向風速分量V(t)和垂直向風速分量W(t)均不可忽略。風場模擬需要考慮以下基本因素：平均風速、平均和湍流度剖面、脈動風譜、相關性，以往研究中大多將上述參量視為不變參量。然而，臺風是一類直徑可達1000 km以上的中尺度三維渦旋結(jié)構(gòu)，其自身生命周期對于風場特征的影響十分顯著。由于所處的生命周期不同，臺風過境過程的不同階段對構(gòu)筑物的影響也存在巨大差異。總結(jié)而言，臺風過境全過程至少應包含眼壁干擾階段、外圍干擾階段和臺風眼影響階段。

通過擴展具有多階段統(tǒng)計特性的現(xiàn)有臺風模型[14-18]，本文建立了針對風力機的臺風過境全過程風場模擬方法，風力機在三個方向上的來流風速時程基于譜分解方法模擬生成[19]。圖1給出了本文搭建的臺風過境全過程風力機風荷載分析方法基本框架。

圖1 風力機臺風過境全過程風荷載分析方法Fig.1 The framework of analysis method of wind loads for wind turbine considering transit process

1.2 參數(shù)設置

在本文所提出的風場模型中，將縱向風速分量U(t)和垂直向風速分量W(t)視為多階段平均風速和零平均脈動風速分量之和，公式如下：

U(t)=Um(k)+u(t),k=1,2,3，4,5

(1)

W(t)=Wm(k)+w(t),k=1,2,3，4,5

(2)

其中，Um(i)和Wm(i)為依據(jù)臺風實測數(shù)據(jù)[13]確定的分階段臺風順風向平均風速和上升氣流平均速度，k=1,2,3,4,5分別代表處于臺風外圍渦旋前緣、前眼壁強風、臺風眼、后眼壁強風和外圍渦旋后緣影響階段，分別用FOVS(Front Out-vortex Stage)、FEWS(Front Eye-wall Stage)、TES(Typhoon Eye Stage)、BEWS(Back Eye-wall Stage)和BOVS(Back Out-vortex Stage)代表(圖2)。此外，橫風向風速分量V(t)被假設為零均值，因此V(t)僅包括脈動風速v(t)。

圖2 風力機處于臺風不同過境階段示意圖(圖片來自http://data.cma.cn/site/index.html)Fig.2 Schematic diagram of wind turbine in different typhoon stages (http://data.cma.cn/site/index.html)

臺風過境過程中，由于臺風的強對流作用以及其本身結(jié)構(gòu)特性，導致臺風與常態(tài)風剖面不同，且不同階段臺風風場之間差異十分顯著。基于Franklin和Powell的臺風實測研究結(jié)果，文獻[16]提出了考慮空間影響的預測定向臺風平均風速剖面的數(shù)值方法。此外，基于慣性子區(qū)的脈動風速譜一般形式，大量大氣中性層結(jié)下的經(jīng)驗風速譜模型在此基礎上被提出，并廣泛應用于不同國家的抗風設計規(guī)范中，這些經(jīng)驗譜模型可統(tǒng)一表達為六參數(shù)脈動風速譜廣義模型，如式(3)所示:

(3)

式中，n為頻率，u*為氣流摩阻速度，f為Monin坐標，A、B、C、α、β和γ是六個待定參數(shù)。

基于Monin-Obukhov相似理論和均勻各向同性湍流的基本特征，脈動風速譜統(tǒng)一模型(式3)需滿足包括Kolmogorov理論在內(nèi)的多個基本準則。結(jié)合文獻[18]基于實測臺風數(shù)據(jù)對六參數(shù)脈動風速譜廣義模型進行的簡化工作，將考慮臺風多階段影響的縱向風功率譜考慮如下：

(4)

其中，σ為脈動風速根方差，與湍流強度存在如下關系:

Iu(k)=σu(k)/Um(i),k=1,2,3,4,5

(5)

考慮到臺風過境風場的階段特征，相干函數(shù)Coh為：

(6)

式中：Cyk和Czk分別為橫風向和垂直風向的衰減系數(shù)，并在臺風過境全過程中分別取不同的數(shù)值[15]；ω為圓頻率；zi和yi分別代表點在風場中的橫坐標和縱坐標。基于相干函數(shù)，測點間的互功率譜為：

(7)

三維脈動風速場模擬的相關參數(shù)見參考文獻[20]。

1.3 風場模擬結(jié)果

以現(xiàn)階段較具有代表性的大型風力機之一NREL5 MW機型為例研究。本文所采用風場實測數(shù)據(jù)來源于“中國風能資源詳查與評估”項目在南中國海建立的測風塔測量數(shù)據(jù)，基于收集的62個臺風觀測案例[15]分析可知，臺風影響存在極大的特異性，臺風各典型階段的最大基本風速和作用尺度差異顯著。選取觀測中出現(xiàn)的最大平均風速60 m/s作為FEWS順風向初始風速， BEWS順風向初始風速為55 m/s，外圍影響階段(FOVS和BOVS)和TES順風向初始風速分別取為25 m/s和12 m/s。此外，W(t)在外圍影響階段、眼壁影響階段和TES分別取為-2 m/s、5 m/s和-5 m/s。風速模擬過程中來流平面劃分為1024個節(jié)點，每間隔6m設置一個網(wǎng)格點，網(wǎng)格和風力機相對位置如圖3所示。

圖3 臺風場計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分Fig.3 Computational domain and meshing of field

圖4列舉了不同臺風影響階段風力機輪轂位置處的脈動風速時程，圖中std代表根方差值。輪轂處脈動風速時程在不同影響階段存在差異顯著的脈動特征。以順風向為例，當臺風處于眼壁強風影響時(包含F(xiàn)EWS和BEWS)，順風向風速標準差顯著大于外圍影響階段和臺風眼階段，此時的順風向湍流強度最大可達18%左右，這與文獻[15]中實測得到的南海臺風極端情況一致。此外，TES階段下風速沿u方向和v方向的分量具有較好的跟隨性，反映臺風眼內(nèi)水平風向較為穩(wěn)定，而FOVS、FEWS、BEWS、BOVS階段下風向具有顯著的瞬變特征。

圖4 輪轂處三維風速時程Fig.4 Time histories of 3D wind speed at hub

臺風五階段縱向風譜模擬值與目標值對比如圖5所示，并于圖中給出了Davenport譜等常用風譜對比。由圖可知，在感興趣的頻段范圍內(nèi)(0.01～2 Hz)模擬譜和目標譜吻合較好，常用脈動風速譜與實測臺風風譜之間差異較大，尤其當風力機進入到臺風眼壁區(qū)域時，此時的常用經(jīng)驗譜與實際臺風風譜存在顯著差異。臺風中心經(jīng)過時刻與眼壁強風時刻相比，低頻段的湍流能量顯著減小，這與臺風特有的渦旋結(jié)構(gòu)風場特征是一致的[17]。

圖5 模擬風譜、目標譜和部分常用譜對比Fig.5 Comparison of simulating spectra, target spectra and some common spectra

2 臺風過境全過程風力機風荷載

2.1 葉片風荷載

基于改進BEM方法對風力機進行非定常氣動力計算，實現(xiàn)風速數(shù)據(jù)和風荷載之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖6給出了進行本文臺風下風力機非定常氣動荷載計算時的局部坐標系和相對位置示意圖，最上方葉片編號為葉片1，并按順時針方向依次為葉片2和葉片3。

圖6 氣動荷載計算坐標系示意圖Fig.6 Local coordinates of aerodynamics loads

翼型(圓截面)的升、阻力通過下式計算：

(8)

式中，L為升力，D為阻力，ρ為空氣密度，vrel為入流速度，S為平面面積；CL和CD分別為升、阻力系數(shù)，查詢相關數(shù)據(jù)庫可得。

葉片某一葉素的入流速度vrel為：

(9)

式中，v0為風速，vb為振動速度，W為誘導速度，根據(jù)BEM理論可表示為：

(10)

式中，B為葉片數(shù)，φ為入流角，r為葉素的展向位置，F(xiàn)為普朗特葉尖損失因子，fg為格勞厄特修正因子，m為推力方向的單位向量。本文采用動態(tài)入流模型和動態(tài)失速模型計算葉片的非定常載荷[21]。此外，計算中還計入了重力載荷和慣性載荷。

圖7給出了FEWS階段時三個葉片風力沿葉片展向分布曲線。三個葉片的風力雖分布規(guī)律較接近，但數(shù)值大小差異較大，這不僅體現(xiàn)在風力的平均值，更體現(xiàn)于風力的脈動程度上。極端臺風工況下葉片1的風力受力情況較葉片2/3明顯更為惡劣，對比發(fā)現(xiàn)垂直風剪切對風力機葉片風荷載影響較大，而湍流度剖面的影響相對較小。此外，葉片風力的三個方向的分量中，F(xiàn)y無論是均值和脈動程度均略大于Fx，而Fz接近零均值，波動幅度也明顯小于其他兩個方向的風力分量。

圖7 FEWS階段時三個葉片風力對比Fig.7 Comparison of typhoon-induced wind force on three blades during FEWS

圖8給出了臺風過境五階段下風力機葉片1的風力沿展向分布曲線。由圖可知，臺風過境五階段中葉片受力存在明顯的大小關系，F(xiàn)EWS階段風力略大于BEWS階段，上述兩階段明顯大于FOVS和BOVS階段的風力，而外圍影響階段又明顯大于TES階段的風力。標準差同樣存在上述大小關系，這意味著不同臺風階段的風力極值差異將更為巨大。此外，對比臺風全過程中的Fx和Fy數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，五個階段下葉片的風荷載均為Fy占主導地位，但接近葉根處兩個方向的風力逐漸接近。

圖8 葉片1風力沿展向分布曲線Fig.8 Curves of typhoon-induced wind force of blade 1 along the span direction

表1給出了臺風過境五階段影響下風力機葉片在葉根位置(10 min計算樣本內(nèi))的彎矩最值。對比可知：1) 順槳狀態(tài)下風力機葉片的扭轉(zhuǎn)力矩相對其它兩個方向的力矩明顯偏小；2) 揮舞彎矩和擺振彎矩處于同一數(shù)量級，但臺風過境全過程葉片根部均以Mx為主，這將導致葉片沿y軸方向的擺振成為主要運動形式。需要指出的是，此時風輪處于受力不均衡狀態(tài)，葉片1的葉根彎矩明顯大于其它兩個葉片。以Mx為例，F(xiàn)OVS、FEWS、TES、BEWS和BOVS階段葉片1的彎矩值分別較葉片2、3增大了60.48%、168.93%、73.42%、156.04%和86.01%。這必然導致葉片1的風致響應明顯大于其它葉片，也最易在強臺風作用下毀壞，強臺風工況下需要找尋最合適的三葉片受力均衡位置或定時變換葉片停機位置，盡可能避免出現(xiàn)單個葉片強度破壞或疲勞破壞的現(xiàn)象。

表1 臺風過境五階段葉根位置彎矩最值Table 1 The most value of bending moments at blade roots in five typhoon-influenced stages

2.2 塔架風荷載

塔架氣動載荷計算同樣基于式(5)進行，此處不再詳述。圖9給出了FEWS階段時風力機塔架x方向的風力平均值沿高度分布圖。由圖可知，塔架風力較葉片風力增大至少一個數(shù)量級，傳統(tǒng)的忽略塔架風荷載進行風力機結(jié)構(gòu)振動分析的做法值得商榷，可能導致對臺風工況下風力機振動響應的分析誤差。

圖9 FEWS階段塔架和葉片1風力沿高度分布圖Fig.9 Vertical distribution of wind force on tower and the upper blade during FEWS

圖10給出了臺風過境五階段影響下風力機塔架底部彎矩箱視圖，圖中上下兩點為該階段時塔筒底部彎矩最值，中間長方形上沿代表概率分布為75%的彎矩值，下沿代表概率分布為25%的彎矩值，圓點為彎矩平均值。由圖可知，F(xiàn)EWS和BEWS階段的塔筒彎矩顯著大于其它幾個臺風過境階段。此外，對比不同過境階段的塔筒底部彎矩Mx和My發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OVS、TES和BOVS階段塔筒底部彎矩以My為主，而FEWS和BEWS階段以Mx為主，說明風力機抗臺風設計對于塔筒安全的關注點應與正常停機工況區(qū)別對待，需引起重視。

圖10 風力機塔架底部彎矩箱視圖Fig.10 Box plot of bending moment at bottom of wind turbine tower

圖11給出了臺風過境五階段影響下風輪總體偏航扭矩的最值。對比塔筒底部和風輪總體扭矩可以發(fā)現(xiàn)，風力機風荷載的偏航扭矩主要來源于風輪的影響，F(xiàn)OVS、TES和BOVS階段塔筒底部和風輪總體扭矩幾乎相同，五個階段最大僅存在2.94%的數(shù)值差距，這說明塔筒表面的偏航扭矩可以忽略不計，但隨著臺風風場脈動程度的增大有所增加。

圖11 風輪總體偏航扭矩的最值分布Fig.11 The most value of yaw torque

圖12匯總給出了不同臺風階段對應風速下風力機體系的風致響應極值，極值計算方法參見文獻[22]。隨著風速的增加臺風作用引起的彎矩Mx也會增加，且塔架和葉片均表現(xiàn)出強烈的非線性增長特征。需要說明的是，不同目標下的風力和彎矩均呈現(xiàn)出類似的非線性增長規(guī)律，反映出風力機體系的響應非線性特征同時受來流風速大小和臺風階段的影響。

3 結(jié) 論

本文在結(jié)合宏觀的臺風實測研究成果的基礎上，針對臺風過境過程不同典型階段的特異性風場，提出了風力機臺風過境全過程風場模擬方法，系統(tǒng)研究了臺風過境全過程作用下風力機的風荷載特性。具體研究結(jié)論如下：

1) 與良態(tài)風的風場能量分布規(guī)律不同，臺風干擾階段的風譜較常用脈動風速譜在高頻處往往表現(xiàn)出更高的能量，當臺風處于眼壁影響階段時順風向湍流強度最大可達18%；TES階段下低頻段的湍流能量顯著減小，風速沿u方向和v方向的分量具有較好的跟隨性；本文搭建的風力機臺風過境全過程風場模擬方法能夠有效模擬考慮臺風過境效應對于風力機周邊風場的影響。

2) FEWS和BEWS階段的風荷載顯著大于其它臺風過境階段，需要注意的是，臺風眼過后的BEWS階段的臺風影響仍然十分顯著，葉片和塔架的彎矩極值分別達到FEWS的92.83%和93.97%。此外，研究發(fā)現(xiàn)FOVS、TES和BOVS階段塔筒底部彎矩以My為主，而FEWS和BEWS階段以Mx為主，風力機抗臺風設計對于結(jié)構(gòu)安全的關注點應與正常停機工況區(qū)別對待。

3) 考慮臺風過境全過程影響的臺風作用極大增加了風力機的風荷載極值，且風荷載的增加呈現(xiàn)出強烈的非線性特征，不同目標下的內(nèi)力和彎矩均呈現(xiàn)出類似的非線性增長規(guī)律，反映出風力機體系的響應非線性特征同時受來流風速大小和臺風階段的影響。

綜上分析，大型風力機的抗臺風設計應當關注工程所在區(qū)域的臺風全過程效應，后續(xù)研究需進一步關注臺風過境全過程下大型風力機組的振動特征和安全性能。