低空急流對近地表風力機械結構載荷的影響

萬 芳，胡明泰，金立儒，陳 賀，郜志騰，李壽圖，張旭耀

低空急流對近地表風力機械結構載荷的影響

萬 芳1，胡明泰1，金立儒1，陳 賀1，郜志騰2※，李壽圖3，張旭耀4

（1. 華能通渭風電有限責任公司，定西 743300；2. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；3. 蘭州理工大學能源與動力工程學院，蘭州 730050；4. 蘭州交通大學新能源與動力工程學院，蘭州 730070）

為分析低空急流對風力機械結構載荷的影響，該研究采用諧波疊加法對低空急流譜模型進行計算以生成大氣入流，并基于葉素動量理論和幾何精確梁方法對一臺高度為270 m的15 MW風力機進行載荷分析。結果表明，低空急流在風力機高度范圍內的速度剖面呈現射流和強剪切的耦合特征；低空急流最大可使風輪功率增大約40%，風輪俯仰力矩增大50%，風輪偏航力矩增大1.5倍，塔基偏航力矩的波動強度增加60%；同時，還會造成風輪偏航和俯仰力矩功率譜特性呈雙階梯型分布特征；當急流高度低于輪轂高度時，風力機俯仰力矩促使風輪向下傾斜，會增加風力機葉片打塔風險。因此，在低空急流多發地區安裝風力機等高聳結構物時，應充分考慮低空急流對風力機結構載荷特性的影響。研究可為風力機在內的大尺寸高聳結構物的載荷安全性分析提供參考。

風力機；載荷；結構；低空急流；大氣湍流

0 引 言

隨著全球氣候變暖現象愈演愈烈，極端天氣現象頻發，嚴重影響居民農業生產和工業環境。其中，低空急流普遍被認為是發生在大氣邊界層下層的窄而強的氣流帶，可以為極端降水提供有力環境背景場和充足水汽，因而會極大促進極端天氣現象的發生[1]。低空急流現象廣泛分布于世界各地，自20世紀30年代以來被氣象學者廣泛關注。低空急流在各個季節都有發生，整體而言夏季發生頻次較高，且強度和覆蓋范圍也更大，在中國青藏高原地區、江淮地區、長江下游和海陸交界處頻繁出現。通常來說，低空急流會對強降水事件[2]、農業活動[3]、航空[4]、風能利用[5]、沙塵暴[6]等產生重要影響。王東阡等[7]的研究表明低空急流具有明顯的日變化特征，在中國東南地區的夜間和早晨發生頻次很高。梁捷寧等[8]的研究表明低空急流強烈影響近地表大氣的湍流特性，且常發生在穩定大氣條件。程佳等[9]發現低空急流常發生在4～12 m/s風速區間內，且常出現在夜間穩定大氣條件，而此風速區間是風力機械運行頻次最高的風速區間。

邊界層低空急流出現在1 500 m以下高度范圍內，涵蓋風力機的運行高度，是一種多尺度湍流結構，其結構中包含窄而強的急流帶，急流帶最大風速位置定義為急流高度，急流高度通常出現在1 500 m高度范圍內[10]。對于千瓦級的風力機而言，由于其整機高度在百米及其以下量級，因而低空急流的影響較弱，學界較少對其研究。然而，隨著風力機的大型化發展，5 MW級風力機高度在150 m量級，現有的8和10 MW風力機高度分別達到190 m和260 m量級，對于更大功率的15和20 MW風力機而言其整機高度更加大尺寸化，風力機尺寸已接近300 m量級[11]，這使得在約500 m以下靠近風輪的范圍內，邊界層湍流結構對于風力機安全性的影響極為重要[12-14]。為了保障近地表邊界層內的風力機械等結構物的運行安全性，需要開展低空急流對其載荷響應特性影響的研究。楊從新等[15-16]基于靜態射流和剪切流模型研究了低空急流結構變化對1.5 MW水平軸風力機氣動特性的影響，發現急流寬度和強度增加會引起葉片吸力面失速區擴大，葉片前緣失速點提前；張旭耀等[5,17]研究表明低空急流會造成風輪推力、轉矩、橫向和縱向力等量的均方根最大值增大12.9%～75.6%。金銳[18]在偏航條件下分析了低空急流對風力機氣動性能的影響，發現低空急流增強了葉片流動分離，風力機轉矩波動特性增強。Zhang等[19-20]基于低空急流脈動譜和工程射流模型建立了一個工程低空急流湍流入流模型，并基于該模型對風力機氣動載荷進行分析，發現低空急流導致風輪掃掠面積內存在正、負風切變，增加了風輪功率。

以上研究基于靜態的低空急流的射流模型針對1.5 MW級的水平軸風力機進行了詳細研究，然而靜態模型只能用于分析大氣的平均特征對風力機載荷平均特性的影響，且大氣邊界層中低空急流對小尺寸風電機組的影響也較弱，難以真實反應現代大型化風電機組在面對低空急流等大尺寸湍流來流時的載荷響應特性。因此，為了探究低空急流對大型化風力機結構載荷的影響，本文以一臺全尺寸15 MW三葉片水平軸風力機為例，開展低空急流對風力機風輪功率、風輪偏航和俯仰力矩、塔架基礎力矩等載荷特性的影響研究。

1 風力機模型和試驗方法

1.1 風力機模型

本文以一臺全尺寸15 MW水平軸風力機為研究對象（如圖1所示），該風力機葉片長度為117 m，風輪直徑為240 m，輪轂高度為150 m，故整個風力機最高處為270 m。該風力機葉片采用FFA-W3翼型族，額定風速為10.59 m/s，設計葉尖速比為9，其他設計參數如表1所示。如前所述，由于邊界層低空急流中急流高度通常出現在200～1 500 m的高度范圍內，尺寸越大的風力機在低空急流下的載荷響應越顯著。此外，受雙碳減排戰略目標和風電成本退補貼的雙重影響，現有的8～10 MW機組的成本優勢逐步降低，15 MW及更大功率的風電機組是發展的趨勢之一，因此，本文選擇15 MW全尺寸大功率風力機作為研究對象。

注：下標為tower的坐標系為塔架坐標系，塔基為原點。下標為rotor的坐標系為風輪坐標系，風輪旋轉中心為原點。x、y、z分別為迎風方向、橫風方向和垂向。

1.2 試驗方法

本文基于Low-Level Jet（LLJ）項目[21]開展數值方法的驗證工作，該項目的測試結果代表了中緯度地區低空急流的典型來流風速特性。如圖2所示，該項目測試地點的經緯度為北緯37°40′和西經102°40′，海拔高1 357 m。測量系統由1個120 m測風塔和1個聲波風廓線儀組成。測風塔在地表之上3、52和113 m的高度處設置三維風速儀和溫度傳感器，主要用于校準聲波風廓線儀。聲波風廓線儀能夠測量20～1 000 m范圍內每間隔10 m處的風速。由于風力機的尺寸效應，500 m以下的大氣湍流對風力機的影響更直接，因此本文選取20～500 m范圍內的風速數據用于數值驗證。

表1 15 MW風力機主要參數

圖2 測試地點及系統示意圖

2 數值方法與驗證

2.1 湍流風場的數值仿真方法

式中為垂向高度，m；()為階Chebyshev多項式；c為Chebyshev系數，該系數基于實測結果進行計算：

丹麥技術大學Ris?實驗室開發的Smooth-Terrain風譜模型[22-23]是針對真實平坦地形的風譜模型，反映了無地形干擾條件下大氣湍流來流特性。基于該模型和長時低空急流數據進行模型縮放可得低空急流譜模型[21]。穩定大氣條件下的低空急流脈動譜模型為

式中*為地表摩擦速度，m/s；*為輪轂高度、轉子頂部和轉子底部摩擦速度的均值，m/s；為頻率，Hz；p,i和,i為擬合所得的縮放因子。對于順風向脈動譜（S）和橫風向脈動譜（S），=2；對于垂向脈動譜（S），=1。S,SMOOTH為

基于諧波疊加法[24]進行任意點處脈動風速()的生成，其單位為m/s。第個點的脈動風速為

式中為計算點個數，為脈動譜進行Cholesky分解所得下三角陣，為0～2π內的隨機數。、D和()分別為

2.2 風力機載荷計算模型

采用葉素動量理論耦合幾何精確梁的方法[25-26]對該風力機進行載荷響應的求解。錢曉航等[26]研究表明，對于中等尺寸的風力機如NREL 5 MW風力機，線性梁理論與幾何精確梁理論誤差約為1.12%，而對于超大尺寸風力機如15 MW，線性梁理論與幾何精確梁理論的計算誤差約為29%。因此，對于單支葉片長達117 m的15 MW風力機，本文基于葉素動量理論，采用幾何精確梁方法計算該風力機的動態載荷響應，以保證百米級大柔性風力機載荷的數值精度。對于載荷計算，基于動量理論和葉素理論都可求得葉素單元上的推力d（N）和轉矩d（N·m），其中，動量理論所得推力和轉矩的計算公式為

葉素理論則基于翼型升阻力特性求解推力和轉矩

式中為大氣密度，kg/m3；為當前葉素單元距旋轉中心的距離，m；為翼型前緣來流風速，m/s；為合成速度，m/s；和為誘導因子；為風輪轉速，r/min；為葉片數；為弦長，m；C和C分別為翼型的升阻力系數。為入流角，計算公式為

式中為葉素單元處角速度，rad/s。

聯立式（9）和式（10）即可得誘導因子方程：

由于誘導因子和不確定，需要迭代求解，即先設誘導因子的初值，之后根據式（11）求解入流角，求得攻角后再根據翼型升阻力系數代入式（12）計算誘導因子，當新計算出的誘導因子與上一步誘導因子相差小于0.001時計算收斂，同時得到葉片上的推力和轉矩的分布，積分即可得風力機的推力和轉矩，則功率P為

在利用葉素動量理論進行載荷和功率的計算時，必須要引入Glauert大推力修正。除此以外，本文中還引入了Prandtl葉尖和葉根渦修正模型、Pitt-Peters的偏斜風修正[27]，以提高湍流來流下風力機載荷計算的準確性。另外，在后文的無量綱化分析中，風速的無量綱化采用輪轂處的平均來流風速進行計算，風力機載荷的無量綱化采用基于Kaimal譜[28]所生成風場下的載荷平均值進行計算，因而其載荷無量綱化數值直接代表Kaimal譜下載荷平均值的倍數關系。

2.3 數值方法驗證

為了驗證數值方法的準確性，對該風力機在切入風速到切出風速（3～25 m/s）工作區間的功率和推力進行計算，結果如圖3所示。從圖中可以看出，葉素動量理論耦合幾何精確梁的方法在風力機整個運行期間（切入風速到切出風速）內計算所得功率值、推力值都與理論值相符，在較高風速區間下計算結果略大于理論值，但整體誤差都在10%以內；在額定風速以下，數值誤差在5%以內，數值結果與理論值吻合良好。因此，在下文的數值計算中，所有算例輪轂處的來流風速均設置為10.5 m/s，以保證最佳的數值精度來分析低空急流對風力機載荷的影響。

a. 風力機功率b. 風力機推力 a. Wind turbine powerb. Wind turbine thrust

低空急流隨著高度的不同具有不同的平均風速剖面，脈動風速譜也遵循1.1節譜模型的特性規律。為了驗證數值計算中低空急流的模擬精度，分別對平均風速剖面和脈動風速的功率譜進行驗證，結果如圖4所示。圖 4a為低空急流高度（H）為241、303 和221 m時平均風速剖面數值結果與試驗值的對比。從對比結果可以看出，低空急流平均風速模型能夠如實反映出低空急流不同急流高度和急流寬度下的風速分布特性，輪轂高度處的脈動風速功率譜與目標譜結果相符，這表明本文所采用的低空急流生成方法能夠反映真實來流條件下低空急流的平均風速特性和脈動風速特征。

圖4 低空急流的平均風速分布和脈動風速的驗證

3 結果與分析

3.1 低空急流對風力機功率特性的影響

低空急流風速剖面呈現剪切和射流兩種模式的耦合特征（如圖5所示），分別反應了大氣邊界層內的剪切效應和低空急流所特有的窄而強的急流帶特征。受低空急流高度影響，當低空急流高度小于輪轂高度（150 m）時，風力機下部的掃掠范圍內呈現風剪切和射流的疊加型式；當低空急流高度大于輪轂高度時，急流高度越大，風輪掃掠范圍內的風速越接近于強剪切來流[5]。

為了分析低空急流對風力機功率特性的影響，設定輪轂高度處來流風速為10.5 m/s，分別采用Kaimal湍流風速譜和不同急流高度下的低空急流風速譜為入流模型生成來流湍流風速。由于該15 MW風力機輪轂高度為150 m，因此在設置急流高度時，距輪轂高度每間隔35 m設置1個工況，即H= 80，115，150，185，220和255 m。順風向和橫風向上的無量綱化平均風速分布如圖6所示。對比Kaimal譜模型，急流高度小于輪轂高度的低空急流在輪轂高度以下風速較大，在輪轂高度以上風速低于Kaimal譜模型；急流高度大于輪轂高度的低空急流，輪轂高度以下風速略小于Kaimal譜模型，但輪轂高度以上的風速遠大于Kaimal譜模型。綜上所述，隨著急流高度的不同，對于影響風力機的入流而言，低空急流會導致其掃掠范圍內的來流風速剖面呈現2種模式的耦合特征，其中射流可能會引起風輪局部葉片段出現載荷集中區，而剪切則會使得風力機載荷特性發生變化。

圖5 低空急流條件下風速分布的典型模式

圖7為Kaimal譜和低空急流譜模型下風輪無量綱化功率與急流高度的關系。由于在進行無量綱化時，以Kaimal譜條件下所得風輪平均功率對低空急流下風輪功率進行無量綱化，因此可以得出，當急流高度等于輪轂高度（H= 150 m）時，風輪無量綱化功率比Kaimal譜條件下風輪的無量綱功率低約20%；當急流高度小于輪轂高度（H< 150 m）時，高度越低，風輪無量綱功率越大，最大比Kaimal譜高出約40%；當急流高度大于輪轂高度（H> 150 m）時，高度越大，風輪無量綱功率越高，最大比Kaimal譜高約2%左右。這是由于，當低空急流高度等于輪轂高度時，由于數值中輪轂高度處風速一致，因而其掃掠面積內風速最大值出現在輪轂高度，其他范圍內風速比Kaimal譜小，因此無量綱化功率較低；而當低空急流高度小于輪轂高度時，在風力機掃掠面積下側有一股射流型的強風沖擊風輪，風速遠大于Kaimal譜，因而風輪無量綱功率較大；當急流高度大于輪轂高度時，低空急流同樣引起風輪掃掠面積上半部分風能增加，但此時大氣來流隨急流高度增大而趨近于強剪切，整體來流風能與Kaimal譜相比增加幅度較少，因而無量綱化功率增高幅度有限。

綜上所述，當低空急流高度大于風輪輪轂高度時，大氣來流對風輪功率的作用以強剪切特性為主，相同輪轂處來流風速條件下對風力機功率特性的影響較弱；而當低空急流高度小于風輪輪轂高度時，大氣來流對風輪功率的作用以射流特性為主，相同來流風速下，風力機功率特性會激增最大約40%。

圖6 不同急流高度(Hjet)的低空急流和Kaimal譜湍流風

圖7 不同急流高度低空急流下的無量綱化風輪功率

3.2 低空急流對風力機風輪載荷的影響

低空急流隨著急流高度的不同，會在風輪掃掠面積內對風力機造成急流和剪切兩種型式耦合下的風作用特點，這種效應除了會對風力機功率特性造成影響，更會造成風力機風輪載荷特性發生變化，影響風力機風輪的運行安全性。為了分析低空急流對風力機風輪載荷特性的影響，分別以風輪俯仰力矩和風輪偏航力矩為研究對象，分析二者在Kaimal譜和不同急流高度的低空急流譜條件下的非定常載荷響應。

3.2.1 風輪俯仰力矩

圖8為Kaimal譜和不同急流高度的低空急流模型下風輪俯仰力矩的時程曲線和無量綱化俯仰力矩的時均值。從圖中可以看出，隨著急流高度的增大，無量綱化俯仰力矩從正值減小到Kaimal譜俯仰力矩負值的1.5倍左右。由于Kaimal譜條件下風輪俯仰力矩時均值約為-737.6 kN·m，風輪沿著rotor向上傾斜，故無量綱化俯仰力矩為負值時，俯仰力矩方向與Kaimal譜下俯仰力矩方向相反，風輪向下傾斜；無量綱俯仰力矩為正值時，風輪向上傾斜。當低空急流高度小于輪轂高度時，下半掃掠面積內風能呈現射流型特征，風輪整體呈現向下傾斜的態勢，俯仰力矩為正值，此時風輪葉片面臨打塔風險；而當急流高度大于輪轂高度時，此時風輪掃掠面積內風能以強剪切特征為主，風輪整體呈現向上傾斜的態勢，俯仰力矩為負值，最大約比Kaimal譜值高約50%。雖然此時風輪葉片不會出現顯著的打塔風險，但強剪切特性導致的俯仰力矩增大也會使得風力機主軸載荷增加，影響風力機的安全運行。

圖8 不同急流高度條件下的風輪俯仰力矩

圖9為不同湍流風譜模型下風輪俯仰力矩所對應的功率譜密度（Φ）曲線。從圖中可以看出，隨著急流高度的增加，俯仰力矩功率譜密度在低頻段整體呈現增加的趨勢。同時，Kaimal譜和低空急流譜條件下，俯仰力矩在風輪轉頻（≈ 0.13 Hz）的1倍頻、2倍頻、4倍頻、5倍頻等頻率上呈現功率譜集中的趨勢，但整體功率譜密度逐漸減小；在7～10倍的風輪轉頻上功率譜密度呈現二次增大的趨勢。在（1～5）的遞減段和（7～10）二次增大段之間，存在一個臨界頻率f= 0.79 Hz，當大氣中的湍流結構大于臨界頻率f時，風輪俯仰力矩的倍頻響應會與來流中旋渦頻率發生交互作用，呈現整體譜密度趨勢二次增大的趨勢；而當大氣中湍流結構小于臨界頻率f時，主要是風力機轉頻的倍頻響應占主導地位。

注：P為風輪轉頻，Hz；fc為臨界頻率，Hz。下同。

3.2.2 風輪偏航力矩

由圖6b可知，低空急流不僅會在順風向上產生射流和強剪切的疊加作用，也會在橫風向上引起來流的急劇變化，故而對風力機偏航力矩也會產生影響。圖10為Kaimal譜和不同急流高度的低空急流模型下風輪偏航力矩的時程曲線及其無量綱化時均值。從圖中可以看出，隨著急流高度的增加，風輪偏航力矩呈現顯著的單調遞增趨勢。Kaimal譜時均偏航力矩約為189 kN·m，低空急流條件下，隨著急流高度的增大，時均偏航力矩最大可增至Kaimal偏航力矩的2.5倍左右。由于在數值計算中采用固定偏航角的設置，偏航力矩的增大會造成偏航軸承荷載增大，因此，在較強的低空急流天氣來臨時，因調整風力機偏航策略以避免對風力機軸承結構產生較大影響。

圖11為Kaimal譜和不同低空急流條件下風力機偏航力矩的功率譜。與俯仰力矩相同，偏航力矩的功率譜曲線密度（Φ）曲線的整體趨勢也呈現雙階梯型分布特征，即（1～5）的遞減段和（7～10）二次增大段，其中，臨界頻率f以后的二次增大段是由于大氣湍流結構的多尺度頻率與風輪轉頻的倍頻交互發生的耦合響應特征。

圖11 偏航力矩的功率譜

3.3 低空急流對風力機塔架基礎載荷的影響

對于本文所研究的15 MW水平軸風力機而言，輪轂高度為150 m，風輪半徑為120 m，因而其總高度可達270 m。低空急流會引起風輪掃掠面積內來流呈現射流和剪切特征的影響，則對于270 m高度的高聳機械結構而言，塔基的結構載荷響應特性也十分重要。圖12為Kaimal譜和不同低空急流條件下塔基力矩特性（,,）與來流的關聯特性分析。從圖中可以看出，對于塔基載荷在軸和軸的分量、來說，隨著低空急流高度的增加，二者都呈現先減小后增大的趨勢。當急流高度等于輪轂高度處時，最大減小28%，最大減小18%；當急流高度不等于輪轂高度時，最大增加Kaimal譜塔基力矩的21%，最大增加Kaimal譜塔基力矩的52%。塔基力矩的軸分量隨著急流高度的增大從負值變為正值，最大增至Kaimal譜塔基力矩的3倍左右。為俯仰方向的塔基力矩，當低空急流高度小于輪轂高度時，達到最大值。根據3.1節的分析，由于在低空急流高度小于輪轂高度時，整個風力機高度范圍內所面臨的來流風能呈現射流和強剪切耦合特征，且射流特征占主導地位，故而引起塔基俯仰方向的力矩增大52%，這在風力機塔基設計中需要著重進行考慮。對于塔基力矩的功率譜特性，三個方向的功率譜都呈現出風輪轉頻的倍數關系，即呈現出3、6和9等譜密度的集中區。為了量化不同風速譜條件下的力矩譜密度的脈動特性，對整個頻域內功率譜的積分特性進行分析。可以看出，對于方向和方向的塔基力矩分量，均在急流高度等于輪轂高度處時達到峰值，分別比Kaimal譜增大約20%和60%；而方向的塔基力矩功率譜積分值整體約為Kaimal譜的40%～48%。以上結果表明，低空急流主要會引起塔基力矩在方向和方向上的脈動特性增強，最大可引起塔基偏航方向的力矩波動比Kaimal譜增強60%，故在風力機塔架設計中，應重點關注塔基偏航方向（方向）上載荷的波動性。最后，為了分析脈動來流對風力機塔基力矩的時程作用規律，對3個塔基力矩分量的小波譜和對應輪轂高度處來流的雷諾應力的3個切應力分量（τ、τ、τ）進行聯合分析。從圖中可以看出，當3個分量的雷諾應力出現較大值時，塔基力矩小波譜對應時段出現較強的能量流率，這表明來流中的各向異性渦結構會引起塔基力矩的不同頻段的強烈響應，大氣來流中的各向異性渦結構的能量被傳遞到風力機結構中，這可能會對風力機疲勞特性造成影響。

4 討 論

從載荷響應的大小來看，低空急流主要會影響風力機偏航力矩，而當采用Kaimal譜時，難以考慮這種極端載荷情況。因此，在低空急流頻繁出現的地區，在風力機偏航軸承設計時，其所采用的設計力矩應比標準值增大1.5倍以上。當低空急流高度小于風力機輪轂高度時，其風速剖面內窄而強的急流帶還會對柔性葉片產生沖擊，加大葉片的變形量，這需要在風力機設計時加大葉片的預彎幅度，以避免出現葉片打塔事故。低空急流還會使得塔架偏航方向上載荷波動性增加，這會影響風力機塔架的疲勞特性。為了避免塔架產生疲勞破壞，除了在塔架設計中加強偏航方向的設計載荷，在低空急流來臨時，還可以采用主動偏航、順槳等方式降低風輪迎風面積，進而降低葉片上的氣動載荷。

在未來的工作中，課題組將對不同低空急流條件下風力機的降載控制方法開展研究。在低空急流發生時期，通過葉片主動變槳、轉速控制或機組主動偏航等方式不僅可以降低風輪載荷和塔基載荷，增加機組安全性，而且能夠保證風力機在不停機狀態下持續運行，保障電力輸出的穩定性。

5 結 論

為了研究低空急流對風力機械高聳結構物的影響，以一臺總高度為270 m的15 MW風力機為研究對象，在80～225 m的高度范圍內分析不同急流高度對風力機功率、風輪及塔架載荷的影響，并與Kaimal譜特性來流條件下的風力機響應進行對比，結果表明：

1）對于風力機高度范圍內的來流而言，低空急流隨著急流高度不同呈現出射流和剪切兩種形式的耦合特性：當急流高度大于輪轂高度時，風力機的載荷響應以剪切特征為主；當急流高度小于輪轂高度時，則射流特征占主導地位。

2）相對于Kaimal譜而言，低空急流最大可使風輪功率增大約40%，風輪俯仰力矩增大約50%，風輪偏航力矩增大1.5倍，塔基俯仰力矩增大約52%，塔基偏航力矩的波動強度增加60%左右，這主要是由于低空急流射流和剪切耦合作用的影響。

3）不同急流高度下，風輪的偏航力矩和俯仰力矩的功率譜特性呈現雙階梯型分布特征，分別為（1～5）的遞減段和（7～10）（為風輪轉頻，Hz）二次增大段，后者是受大氣渦結構多尺度頻率與風輪轉頻交互作用的影響。

4）來流中各向異性的雷諾應力會引起塔基力矩在對應時段不用頻率段上出現強烈響應，其中引起塔基偏航方向的力矩波動較大，最大比Kaimal譜大約60%。

[1] 劉鴻波，何明洋，王斌，等. 低空急流的研究進展與展望[J]. 氣象學報，2014，72(2)：191-206.

Liu Hongbo, He Mingyang, Wang Bin, et al. Advances in low-level jet research and future prospects[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2014, 72(2): 191-206. (in Chinese with English abstract)

[2] 黃小彥，孫繼松，劉文婷. 地形作用下低空急流的演變與強降水對流風暴系統的相互作用[J]. 氣象學報，2020，78(4)：551-567.

Huang Xiaoyan, Sun Jisong, Liu Wenting. The interaction between low-level jet evolution and severe convective rainstorms under topographic effect[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2020, 78(4): 551-567. (in Chinese with English abstract)

[3] 包云軒，謝杰，向勇，等. 低空急流對中國褐飛虱重大北遷過程的影響[J]. 生態學報，2009，29(11)：5773-5782.

Bao Yunxuan, Xie Jie, Xiang Yong, et al. Influence of low-level jets on the great events of BPH's migration northward in China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(11): 5773-5782. (in Chinese with English abstract)

[4] 李健，栗敬仁，田軍. 利用風廓線雷達研究鄭州機場低空急流特征及其對飛行的影響[J]. 熱帶氣象學報，2019，35(3)：343-352.

Li Jian, Li Jingren, Tian Jun. Study on the characteristics of low-level jet and its impact on flights at Zhengzhou airport based on wind profiler radar data[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2019, 35(3): 343-352. (in Chinese with English abstract)

[5] 張旭耀，楊從新，金銳，等. 低空急流條件下水平軸風力機風輪氣動特性的研究[J]. 太陽能學報，2021，42(3)：1-8.

Zhang Xuyao, Yang Congxin, Jin Rui, et al. Study on aerodynamic characteristics of horizontal axis wind turbine under low-level jet inflow condition[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2021, 42(3): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[6] 彭舒齡，周樹道，衛克晶，等. 京津冀地區一次強沙塵天氣過程的成因及特征[J]. 大氣科學學報，2019，42(6)：926-935.

Peng Shuling, Zhou Shudao, Wei Kejing, et al. Causes and characteristics of a dust weather process in the Beijing-Tianjin-Hebei region[J]. Transactions of Atmospheric Sciences, 2019, 42(6): 926-935. (in Chinese with English abstract)

[7] 王東阡，張耀存. 中國東部西南低空急流日變化特征及其機制[J]. 地球物理學報，2012，55(8)：2498-2507.

Wang Dongqian, Zhang Yaocun. Diurnal variation of the south-westerly low-level jet over eastern China and its mechanism[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2012, 55(8): 2498-2507. (in Chinese with English abstract)

[8] 梁捷寧，張鐳，田鵬飛，等. 黃土高原復雜地形上邊界層低空急流對近地層湍流的影響[J]. 地球物理學報，2014，57(5)：1387-1398.

Liang Jiening, Zhang Lei, Tian Pengfei, et al. Impact of low-level jets on turbulent in nocturnal boundary layer over complex terrain of the Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2014, 57(5): 1387-1398. (in Chinese with English abstract)

[9] 程佳，張寧，朱焱，等. 蘇州城區大氣邊界層低空急流特征分析[J]. 氣象科學，2016，36(6)：843-848.

Cheng Jia, Zhang Ning, Zhu Yan, et al. Analysis on low-level jet in atmospheric boundary layer in Suzhou[J]. Journal of the Meteorological Sciences, 2016, 36(6): 843-848. (in Chinese with English abstract)

[10] Stull R B. An introduction to boundary layer meteorology[M]. Dordrect: Springer Netherlands, 1988, 571-578.

[11] Gaertner E, Rinker J, Sethuraman L, et al. Definition of the IEA 15-Megawatt Offshore Reference Wind Turbine[R]. Denver, United States: National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-5000-75698, 2020.

[12] 李德順，胡淵，李仁年，等. 強湍流相干結構對偏航風力機葉根載荷的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(20)：102-109.

Li Deshun, Hu Yuan, Li Rennian, et al. Effects of strong turbulence structure coherent on load of blade root in a yaw wind turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 102-109. (in Chinese with English abstract)

[13] 鄧英，李嘉楠，劉河生，等. 風電機組尾流與疲勞載荷關系分析[J]. 農業工程學報，2017，33(10)：239-244.

Deng Ying, Li Jianan, Liu Hesheng, et al. Analysis on relationship between wake and fatigue load of wind turbines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 239-244. (in Chinese with English abstract)

[14] 李德順，王亞娥，郭興鐸，等. 沙粒形狀對風力機翼型磨損特性及臨界顆粒Stokes數的影響[J]. 農業工程學報，2019，35(12)：224-231.

Li Deshun, Wang Ya'e, Guo Xingduo, et al. Effects of particle shape on erosion characteristics and critical particle Stokes number of wind turbine airfoil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 224-231. (in Chinese with English abstract)

[15] 楊從新，羅頌，李壽圖，等. 低空急流結構變化對水平軸風力機氣動性能的影響[J]. 太陽能學報，2020，41(5)：107-113.

Yang Congxin, Luo Song, Li Shoutu, et al. Effects of different low-level jet structures on aerodynamic performance of horizontal axis wind turbine[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2020, 41(5): 107-113. (in Chinese with English abstract)

[16] 楊從新，羅頌，李壽圖，等. 一種低空急流對水平軸風力機氣動性能的影響[J]. 蘭州理工大學學報，2020，46(1)：53-59.

Yang Congxin, Luo Song, Li Shoutu, et al. Effect of a kind of low-level jet on aerodynamic performance of horizontal-axis wind turbine[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2020, 46(1): 53-59. (in Chinese with English abstract)

[17] 張旭耀，楊從新，何攀，等. 低空急流高度變化對水平軸風力機氣動載荷的影響[J]. 中國電機工程學報，2019，39(10)：2980-2987.

Zhang Xuyao, Yang Congxin, He Pan, et al. Influences of the heights of low-level jet on aerodynamic loads of horizontal axis wind turbine[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(10): 2980-2987. (in Chinese with English abstract)

[18] 金銳. 偏航工況下低空急流對水平軸風力機氣動性能的影響[D]. 蘭州：蘭州理工大學，2019.

Jin Rui. Effect of Low-Level Jet on Aerodynamic Performance of Horizontal-Axis Wind Turbine Under Yaw Conditions[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2019. (in Chinese with English abstract).

[19] Zhang X, Yang C, Li S. Influence of the heights of low-level jets on power and aerodynamic loads of a horizontal axis wind turbine rotor[J]. Atmosphere, 2019, 10(3): 132.

[20] Zhang X, Yang C, Li S. Influence of low-level jet intensity on aerodynamic loads of horizontal axis wind turbine rotor[J]. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2019, 13(1): 300-308.

[21] Kelley N D, Shirazi M, Jager D, et al. Lamar Low-Level Jet Project Interim Report[R]. Denver, United States: National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-500-34593, 2004.

[22] H?jstrup J. Velocity spectra in the unstable planetary boundary layer[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1982, 39(10): 2239-2248.

[23] Olesen H R, Larsen S E, H?jstrup J. Modelling velocity spectra in the lower part of the planetary boundary layer[J]. Boundary-Layer Meteorology, 1984, 29(3): 285-312.

[24] 楊從新，郜志騰，張旭耀. 基于改進VonKarman模型的風力機來流三維風速模擬[J]. 農業工程學報，2016，32(15)：39-46.

Yang Congxin, Gao Zhiteng, Zhang Xuyao. Simulation of 3D wind velocity inflowing into wind turbine based on improved Von Karman model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(15): 39-46. (in Chinese with English abstract)

[25] 郜志騰. 中性風場中風速脈動對水平軸風力機氣動特性的影響[D]. 蘭州：蘭州理工大學，2017.

Gao Zhiteng. Effects of Wind Velocity Fluctuation in Neutral Atmospheric Wind Farm on the Aerodynamic Characteristics of the Horizontal Axis Wind Turbine[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2017. (in Chinese with English abstract)

[26] 錢曉航，郜志騰，王同光，等. 百米級大柔性風電葉片非線性氣彈響應分析[J]. 空氣動力學學報，2022，40(4)：220-230.

Qian Xiaohang, Gao Zhiteng, Wang Tongguang, et al. Nonlinear aeroelastic response analysis of 100-meter-scale flexible wind turbine blades[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2022, 40(4): 220?230. (in Chinese with English abstract)

[27] Burton T, Sharpe D, Jenkins N, et al. Wind Energy Handbook[M]. New York, United States: John Wiley&Sons, Ltd, 2001: 100-149.

[28] The International Electrotechnical Commission. Wind energy generation systems-Part 1: Design requirements, IEC 61400-1[S]. Geneva, Switzerland: IHS Markit Ltd, 2019.

Influence of low-level jet on structural loads of near-surface wind turbines

Wan Fang1, Hu Mingtai1, Jin Liru1, Chen He1, Gao Zhiteng2※, Li Shoutu3, Zhang Xuyao4

(1.,743300,; 2.,,,200240,; 3.,,730050,; 4.,,730070,)

Wind turbines have been widely applied to convert the kinetic energy of wind into electrical energy. Among them, the yaw system of wind turbine is the one of the most important components to rotate the rotor optimally into the wind direction. However, the load fluctuation has posed a great challenge on the safety and reliability of yaw system. This study aims to clarify the influence of the low-level jet (LLJ) on the structural loads of the wind turbine. The harmonic superposition was firstly used to generate the atmospheric turbulence using the LLJ wind speed spectrum and a jet model. Then, the power and thrust were calculated for a 15 MW wind turbine using the blade element momentum(BEM) and geometrically exact beam theory (GEBT). The numerical accuracy was also validated against the theoretical values. It was found that the overall numerical error was less than 10%, where the numerical error below the rated wind speed was less than 5%. A systematic analysis was made to determine the power performance, rotor yaw moment, rotor pitch moment, and tower foundation moment in the 15 MW wind turbine under different LLJ conditions. The results showed that two coupling effects of the jet and strong shear were identified in the height range of the wind turbine. Specifically, the dominant type was changed with the jet height. Once the jet height was lower than the hub height, the dominant type was the jet; when the jet height was higher than the hub height, the dominant type was the strong shear. Correspondingly, the rotor power, rotor pitching moment, and rotor yaw moment of the LLJ increased by about 40%, 50%, and 1.5 times than before, respectively. The fluctuation intensity of the yaw moment for the tower base also increased by 60% of the loads in the condition of the LLJ spectrum. Therefore, the regions with the frequent LLJ streams needed to be considered for the design of the yaw bearings, tower foundations, and components of wind turbine. At the same time, the power spectrum characteristics of the rotor yaw and pitch moment were distributed in a double-staircase type, which was mainly divided into a decreasing and a secondary increasing stage. Among them, the secondary increasing stage was caused by the coupled response of multi-scale frequency in the atmospheric turbulence and the rotational frequency of wind turbine. When the jet height was lower than the hub height of wind turbine, the pitching moment of the rotor caused the wind turbine to tilt downward. There was the risk of the wind turbine blades hitting the tower. A full consideration was also made to determine the impact of the LLJs on the structural load characteristics, when installing the high-rise structures, such as the wind turbines in the areas with the frequent LLJs. Finally, there was the anisotropic Reynolds stress in the incoming flow. A strong response of the tower base moment was then observed at different frequencies in the corresponding time period. The larger moment fluctuation was posed a threat to the yaw direction of the tower base. Specifically, the maximum moment fluctuation was about 60% higher than that in the Kaimal spectrum. Therefore, controlling the fluctuation characteristicsof tower load in the yaw direction can greatly contribute to the lessimpact on the fatigue characteristics of wind turbines in the regions with the frequent LLJs.

wind turbine; load; structure; low-level jet; atmospheric turbulence

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.012

TK83；TK89；TM315

A

1002-6819(2022)-16-0107-10

萬芳，胡明泰，金立儒，等. 低空急流對近地表風力機械結構載荷的影響[J]. 農業工程學報，2022，38(16)：107-116.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.012 http://www.tcsae.org

Wan Fang, Hu Mingtai, Jin Liru, et al. Influence of low-level jet on structural loads of near-surface wind turbines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 107-116. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.012 http://www.tcsae.org

2022-03-19

2022-08-08

華能甘肅能源開發有限公司眾創項目(HNGSZC-2021-023)；國家自然科學基金項目(12162022, 12062012)；甘肅省青年科技基金計劃（20JR10RA264）；甘肅省高等學校創新基金項目（2021A-035）

萬芳，工程師，研究方向為風力機載荷分析研究。Email：349071216@qq.com

郜志騰，博士，助理研究員，研究方向為風力機空氣動力學研究。Email：gzt200361@163.com