CN107701376A - 风机单叶片安装桨距调节方法 - Google Patents

风机单叶片安装桨距调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明风机单叶片安装桨距调节方法，属于风力发电技术领域。目的是根据测到的风速来调节叶片的桨距，减少其在湍流风作用下的运动，降低叶片安装的难度，提高在海上安装的作业风速。首先，建立风机叶片缆绳系统模型；然后，通过风机叶片缆绳系统模型在不同工况下进行气动力学仿真模拟；接着，在每一工况下，得到不同桨距角下的叶根运动方差，求的最佳桨距角；最后，在吊装过程中，使叶片转动至最佳桨距角位置进行安装。本发明，根据测到的风速来调节叶片的桨距，以降低风速对风机安装的影响，减少叶片在湍流风作用下的运动，将海上安装风机的作业风速提高到15m/s。

Description

风机单叶片安装桨距调节方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体的是风机单叶片安装桨距调节方法。
背景技术
陆上可开发的风力资源日益减少，而海上风力资源丰富，对人类活动影响较小。从陆地向近海乃至深海发展风电场，是未来清洁能源发展的新方向。海上风机，根据支撑结构的型式，可以分为固定式和漂浮式。目前已有的海上风电场，以固定单桩式结构为主，海水深度不超过40米。据统计，截至2015年末，世界范围内共有3230座固定式海上风机，平均发电容量为4.2兆瓦。中国目前已有两个正在运营的海上风电场，均使用固定式风机。江苏如东风电场装机总容量达到131兆瓦，东海大桥风电场达到101兆瓦。
海上风机支撑结构的安装，通常采用大型浮吊船，这一做法沿袭已经发展成熟的海洋石油工业。风机叶片，塔架，机舱的安装则是一个相对不成熟的工程领域。目前主流的安装模式是采用自升式安装船运输多台风机。为了有效利用甲板面积，叶片，塔架，机舱分别作为独立单元存放。在安装过程中，首先，自升式平台的桩腿插入海底，平台提升至高于海平面，以在很大程度避免波浪力的影响，给吊机运作提供一个稳固的平台；然后，利用船上的吊机，依次对塔架，机舱和叶片进行吊装合拢。
在单个叶片吊装过程中，采用一刚臂结构固定住叶片重心，固定叶片的方向，吊车的多根缆绳和刚臂相连，调整缆绳来提升控制叶片位置，直至叶片端部和位于塔架顶部的桨毂合拢。吊装过程中，叶片的高度和位置不断发生变化，湍流风的方向，速度时刻改变，难以预测。这一特点导致作用在叶片上的风载荷不断变化，叶片会发生平动和转动，给叶片的合拢带来挑战。凭借经验，安装人员通常会等待风速下降至8至12m/s的作业风速才进行安装。当前，一艘安装船的日租金大约需要30万美金，作业风速和安装成本密切相关。如果能将作业风速提高，带来的经济效益将十分可观。2015年，欧洲的High Wind NV公司设计提出了Boom Lock系统。这一系统和吊塔相连，作用原理是通过固定叶片上方的吊钩来减少叶片摆动的力臂，降低叶片的平动，提高作业风速。此套系统的相对缺点是，需要在吊塔上安装滑轮系统，操作过程相对复杂。在风载荷作用下，叶片如果受力不均，端部围绕叶片重心发生转动，仍需控制缆绳上的力来克服，操作相对较难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供风机单叶片安装桨距调节方法，根据测到的风速来调节叶片的桨距，减少其在湍流风作用下的运动，降低叶片安装的难度，提高在海上安装的作业风速。
本发明采用的技术方案是：风机单叶片安装桨距调节方法，首先，以叶片的长度方向为x轴，重力方向为z轴，根据叶片的实际尺寸、缆绳数量、长度及与叶片的连接位置建立风机叶片缆绳系统模型；然后，通过风机叶片缆绳系统模型在不同工况下进行气动力学仿真模拟，获取每一工况t时刻下叶根在垂直平面内的位移(y(t)，z(t))；接着，根据叶根在垂直平面内的位移得到T秒模拟时间内叶根运动方差：
并求的最小方差：Smin＝fmin(std)；
最小方差对应的桨距角，即为最佳桨距角：θopt(U,I)＝std-1(smin)；
其中，U为平均风速,I为湍流因子，θ为桨距角，(y(t)，z(t))为t时刻叶根在垂直平面内的位移,(μ1，μ2)为叶根在垂直平面内的平均位置；
最后，在吊装过程中，转动叶片使叶片转动至最佳桨距角位置进行安装。
进一步的，在吊装过程中，根据叶片响应的物理模型设置控制器调整叶片的最佳桨距角。
进一步的，叶片缆绳系统模型的建立方法为：单个叶片或每根缆绳均为一个独立的弹性体单元；每个弹性体单元由多根梁单元组成，弹性体单元之间由关节相连接，在关节上赋予约束条件；弹性体单元和弹性体单元之间可以发生相对大变形。
进一步的，气动力学仿真模拟的主要步骤为：首先，获取风场的环境统计数据，从环境统计数据中选择出所有可能的恶劣风速和湍流强度；风速、湍流强度和不同的桨距角进行组合形成不同的工况；然后，利用Mann湍流模型生成各向异性的三维风场后，在每一时刻，得到作用在叶片上的相对风速U，并通过计算叶片单位长度上的风荷载；最后，根据多体动力简化方程求解得到多体动力学模型的动态响应结果；其中，M是广义坐标下的质量矩阵，q是位移，C包含了科里奥利力和离心力，Q是风载荷。
进一步的，使用神经网络，响应面方法建立数学模型，优化求解最佳桨距角。
本发明的有益效果是：本发明，通过调节桨距以适应风速的变化。通过在每一工况下得到最佳桨距角，保证了在该工况下的作用于叶片上的风荷载最小。从而用于指导在风机安装时，根据测到的风速来调节叶片的桨距，使在该风速下叶片的桨距角为最佳桨距角，以降低风速对风机安装的影响，减少叶片在湍流风作用下的运动，提高在海上安装风机的作业风速，使作业的平均风速提高到15m/s。
附图说明
图1为水平轴风机单叶片的吊装机构示意图。
图2为叶片缆绳系统模型。
图中，叶片1、刚臂结构2、缆绳3、弹性体单元4、梁单元5、关节6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明如下：
风机单叶片安装桨距调节方法，首先，以叶片的长度方向为x轴，重力方向为z轴，根据叶片的实际尺寸、缆绳数量、长度及与叶片的连接位置建立风机叶片缆绳系统模型；然后，通过风机叶片缆绳系统模型在不同工况下进行气动力学仿真模拟，获取每一工况t时刻下叶根在垂直平面内的位移(y(t)，z(t))；接着，根据叶根在垂直平面内的位移得到T秒模拟时间内叶根运动方差：
并求的最小方差：Smin＝fmin(std)(2)；
最小方差对应的桨距角，即为最佳桨距角：θopt(U,I)＝std-1(smin)；
其中，U为平均风速,I为湍流因子，θ为桨距角，(y(t)，z(t))为t时刻叶根在垂直平面内的位移,(μ1，μ2)为叶根在垂直平面内的的平均位置；
最后，在吊装过程中，转动叶片使叶片转动至最佳桨距角位置进行安装。
水平轴风机单叶片的吊装机构如图1所示，叶片1由一刚臂结构2固定，刚臂结构2通过多根缆绳3与吊车相连接。通过调整缆绳3来调节叶片位置，直至叶片根部，即叶根与位于塔架顶部的桨毂合拢。该叶片，叶根的剖面为圆形，远离叶根处的剖面形状为流线型。当叶片的桨距角固定时，在湍流风作用下，叶片所受的升力、拖曳力和力矩不断发生变化，从而引起叶根的平动和转动。当叶片的桨距角发生改变时，叶片上的攻角和气动力会发生变化。故，本发明，通过调节桨距以适应风速的变化。通过在每一工况下得到最佳桨距角，保证了在该工况下的作用于叶片上的风荷载最小。当湍流风大小、方向发生改变时，最优桨距角也会发生变化。因此，气动力学仿真模拟应覆盖叶片吊装过程中所有可能的工况，包括平均风速U、风速方向、叶片的桨距角和湍流因子I。
本发明，通过调节桨距以适应风速的变化。通过在每一工况下得到最佳桨距角，保证了在该工况下的作用于叶片上的风荷载最小。从而用于指导在风机安装时，根据测到的风速来调节叶片的桨距，使在该风速下叶片的桨距角为最佳桨距角，以降低风速对风机安装的影响，减少叶片在湍流风作用下的运动，提高在海上安装风机的作业风速，使作业的平均风速提高到15m/s。
当得出最佳桨距角时，需要将叶片转动至最佳桨距角，以保证在该风速工况下，作用于叶片上的风荷载最小。为了实现风机叶片吊装的自动控制，故，优选的，在吊装过程中，根据叶片响应的物理模型设置控制器调整叶片的最佳桨距角。通过一套安装于支架上的电液伺服控制系统来转动叶片，使叶片转动到最佳桨距角，以实现风机叶片吊装的自动控制。
考虑叶片的柔性变形，同时也能够模拟不可承受压力的缆绳，优选的，叶片缆绳系统模型的建立方法为：如图2所示，单个叶片中或每根缆绳均为一个独立的弹性体单元4；每个弹性体单元4由多根梁单元4组成，弹性体单元4之间由关节6相连接，在关节6上赋予约束条件；弹性体单元4和弹性体单元4之间可以发生相对大变形。
进一步的，气动力学仿真模拟的主要步骤为：首先，获取风场的环境统计数据，从环境统计数据中选择出所有可能的恶劣风速和湍流强度；风速、湍流强度和不同的桨距角进行组合形成不同的工况；然后，利用Mann湍流模型生成各向异性的三维风场后，在每一时刻，得到作用在叶片上的相对风速U，并通过计算叶片单位长度上的风荷载；最后，根据多体动力简化方程求解得到多体动力学模型的动态响应结果；其中，M是广义坐标下的质量矩阵，q是位移，C包含了科里奥利力和离心力，Q是风载荷。多体动力学模型的动态响应结果，即在时域上求解q，即每一时刻叶片以及缆绳的动态响应，动态响应包括位移、速度和加速度。在获得叶片根部的位移后，再通过上述公式(1)和(2)求得最佳桨距角。
叶根在y和z方向的运动占主导。如在平均风速10m/s，湍流因子0.2这一工况下，对于y方向，75度左右桨距角下的叶根运动方差最小；对于z方向来说，10度左右桨距角下的叶根运动方差最小。故，优选的，在优化求解最佳桨距角时，使用神经网络，响应面方法建立数学模型，通过数值模拟的结果拟合得到。

Claims (5)

1.风机单叶片安装桨距调节方法，其特征在于：首先，以叶片的长度方向为x轴，重力方向为z轴，根据叶片的实际尺寸、缆绳数量、长度及与叶片的连接位置建立风机叶片缆绳系统模型；然后，通过风机叶片缆绳系统模型在不同工况下进行气动力学仿真模拟，获取每一工况t时刻下叶根在垂直平面内的位移(y(t)，z(t))；接着，根据叶根在垂直平面内的位移得到T秒模拟时间内叶根运动方差：
<mrow> <mi>s</mi> <mi>t</mi> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>U</mi> <mo>,</mo> <mi>I</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>T</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>T</mi> </munderover> <mo>|</mo> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mo>|</mo> <mi>z</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>
并求的最小方差：Smin＝fmin(std)；
最小方差对应的桨距角，即为最佳桨距角：θopt(U,I)＝std-1(smin)；
其中，U为平均风速,I为湍流因子，θ为桨距角，(y(t)，z(t))为t时刻叶根在垂直平面内的位移,(μ1，μ2)为叶根在垂直平面内的平均位置；
最后，在吊装过程中，转动叶片使叶片转动至最佳桨距角位置进行安装。
2.如权利要求1所述的风机单叶片安装桨距调节方法,其特征在于：在吊装过程中，根据叶片响应的物理模型设置控制器调整叶片的最佳桨距角。
3.如权利要求1所述的风机单叶片安装桨距调节方法,其特征在于：叶片缆绳系统模型的建立方法为：单个叶片或每根缆绳均为一个独立的弹性体单元；每个弹性体单元由多根梁单元组成，弹性体单元之间由关节相连接，在关节上赋予约束条件；弹性体单元和弹性体单元之间可以发生相对大变形。
4.如权利要求3所述的风机单叶片安装桨距调节方法,其特征在于：气动力学仿真模拟的主要步骤为：首先，获取风场的环境统计数据，从环境统计数据中选择出所有可能的恶劣风速和湍流强度；风速、湍流强度和不同的桨距角进行组合形成不同的工况；然后，利用Mann湍流模型生成各向异性的三维风场后，在每一时刻，得到作用在叶片上的相对风速U，并通过计算叶片单位长度上的风荷载；最后，根据多体动力简化方程求解得到多体动力学模型的动态响应结果；其中，M是广义坐标下的质量矩阵，q是位移，C包含了科里奥利力和离心力，Q是风载荷。
5.如权利要求1所述的风机单叶片安装桨距调节方法,其特征在于：使用神经网络，响应面方法建立数学模型，优化求解最佳桨距角。
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