风轮振动行为与尾迹的关联性研究
发布时间：2021-02-27 14:09
利用PULSE19装置和TR-PIV装置构建了发电机、塔架加速度与风轮尾迹发展的同步监测系统,针对直径1.4 m的小型水平轴风力机振动特性及叶尖附近湍流涡旋进行了测试与分析,证实了风轮振动与尾流发展之间存在密切关联性。由风轮旋转形成的一次谐波能量值最高。对比加速度与尾流的频谱图,发现加速度峰值与尾流能量峰值对应的特征频率相近,风轮振动的能量传递到了流场中。风力机发生偏航后,风轮旋转三倍频与尾流一次谐波间能量传递受阻,偏航角小于10°时,尾流能量值对振动加速度值的变化较敏感,而随着偏航角的增加,两者之间的关联性减小。
【文章来源】：振动与冲击. 2018,37(13)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
测试现场Fig．6Testsite(c)加速度传感器(d)信号采集
LSE19采用德国LaVision公司研发的TＲ-PIV粒子图像测速技术系统完成风轮尾迹流动信息的采集，如图3所示。图3尾迹测试系统TＲ-PIVFig．3WaketestsystemTＲ-PIV加速度信号由四个振动加速度传感器负责采集，1#传感器的安转位置为发电机前端靠近风轮处的侧面，距地面150cm与风轮轴心同高，2#传感器位于发电机顶端轴线正上方，距地面154．3cm，3#传感器位于发电机中部侧上方，距地面153．3cm，4#传感器位于塔架中上部与1#传感器同侧，距地面120cm，具体安装位置如图6(c)所示。通过对比各传感器输出信号，发现1#与2#传感器信号输出更为可靠，且已有研究表明靠近风轮处传感器的输出信号更接近风轮真实的振动情况［20-21］。传感器X方向垂直于旋转平面指向风轮，Y方向平行于旋转平面水平向外，Z方向竖直向下。传感器通过卡槽固定在垫片内，垫片通过502胶固接在测点处。运用TＲ-PIV拍摄风轮尾迹流动信息，高频CCD相机采用仰视拍摄的方式，将CCD相机镜头垂直向上放置在风轮叶片正下方，激光器位于风力机后1m处发射垂直于旋转平面的水平片光源。该种拍摄方法，降低了相机架设重心，使相机拍摄时更为稳定，有效的保护相机，而又不降低拍摄要求与精度。试验在位于内蒙古自治区新能源示范基地所属B1/K2型低速低湍流风洞开口实验段内进行，距风洞出口一定距离的适当位置处安装风力机并用紧固螺栓固定于地面，并为风力机机头处安装偏航装置，偏航装置为两个U型卡盘，根据试验所需偏航角度用紧固螺栓将机头与塔架固定。风轮转速的调节通过美国Fluke公司研制的高精度六相功率检测分析系统Norma5000
(a)λ=4．5振动谱(b)λ=4．5功率谱(c)λ=5振动谱(d)λ=5功率谱图7振动响应谱与流场功率谱Fig．7Spectrumofvibrationresponseandflowfieldpower流动时会产生内摩擦力，流体在运动状态下具有抵抗剪切变形的性质，是流体的固有属性，因此当流固之间发生相互作用时，若不考虑流体密度变化，流体可视为不可压缩流体，具有质量和速度。故将叶尖及其后附近的流体作为一个系统，当来流风速与风轮转速一定时，叶片所受冲量一定，系统水平轴向方向合外力为零。根据动量守恒，当叶片发生位移并与空气发生摩擦和碰撞，叶片振动速度减小，动量减小，而一定质量的空气移动速度加快，动量增加，进而叶尖振动与流体脉动之间形成了一个联动系统，两个不同的物理场之间发生密集的动量传递与交换，当叶片振动频率变快，流体的脉动频率也增大。故当叶片发生特征频率下的表2振型参照表Tab．2Vibrationmodeplate编号振型1轴向窜动2圆盘效应31阶振动4旋转基频5旋转2倍频6旋转3倍频(一次谐波)7旋转4倍频8二次谐波9三次谐波10四次谐波振动时，叶尖附近的流体也会随着叶片发生相似的脉动。(2)定义λ为尖速比，Vib为振动频率，Pow为流场脉动频率。如表3、4所示，风速11m/s，对比不同尖速比下，振动频谱与功率谱中对应峰值频率之间的相对误差δ=Δ/L×100%，Δ=Vib－Pow，L=Vib，得到δ＜8．2%，对应关系较好。图7(a)所示，尖速比为4．5时，由于旋转基频与轴向窜动频率相近，故轴向窜动被旋转基频淹没。而对于能量谱中某些固有频率缺失可能是由于能量传递过程中的耗散或被淹没造?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于大涡模拟考虑叶片停机位置大型风力机风振响应分析[J]. 柯世堂,余玮,王同光. 振动与冲击. 2017(07)
[2]风轮典型振型动态频率的间接测试和识别方法[J]. 吕文春,马剑龙,汪建文,李佩林,张彦奇. 农业工程学报. 2016(23)
[3]基于流固耦合的风力机叶片结构稳定性分析[J]. 陈文朴,李春,叶舟,缪维跑. 水资源与水工程学报. 2016(04)
[4]风力机叶片气动性能及流固耦合分析[J]. 姚世刚,戴丽萍,康顺. 工程热物理学报. 2016(05)
[5]风轮固有振动频率随工况变化的响应特性[J]. 马剑龙,汪建文,魏海娇,董波. 振动.测试与诊断. 2014(03)
[6]Dynamic Analysis of Tension Leg Platform for Offshore Wind Turbine Support as Fluid-Structure Interaction[J]. 黄虎,张社荣. China Ocean Engineering. 2011(01)
本文编号：3054345
【文章来源】：振动与冲击. 2018,37(13)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
测试现场Fig．6Testsite(c)加速度传感器(d)信号采集
LSE19采用德国LaVision公司研发的TＲ-PIV粒子图像测速技术系统完成风轮尾迹流动信息的采集，如图3所示。图3尾迹测试系统TＲ-PIVFig．3WaketestsystemTＲ-PIV加速度信号由四个振动加速度传感器负责采集，1#传感器的安转位置为发电机前端靠近风轮处的侧面，距地面150cm与风轮轴心同高，2#传感器位于发电机顶端轴线正上方，距地面154．3cm，3#传感器位于发电机中部侧上方，距地面153．3cm，4#传感器位于塔架中上部与1#传感器同侧，距地面120cm，具体安装位置如图6(c)所示。通过对比各传感器输出信号，发现1#与2#传感器信号输出更为可靠，且已有研究表明靠近风轮处传感器的输出信号更接近风轮真实的振动情况［20-21］。传感器X方向垂直于旋转平面指向风轮，Y方向平行于旋转平面水平向外，Z方向竖直向下。传感器通过卡槽固定在垫片内，垫片通过502胶固接在测点处。运用TＲ-PIV拍摄风轮尾迹流动信息，高频CCD相机采用仰视拍摄的方式，将CCD相机镜头垂直向上放置在风轮叶片正下方，激光器位于风力机后1m处发射垂直于旋转平面的水平片光源。该种拍摄方法，降低了相机架设重心，使相机拍摄时更为稳定，有效的保护相机，而又不降低拍摄要求与精度。试验在位于内蒙古自治区新能源示范基地所属B1/K2型低速低湍流风洞开口实验段内进行，距风洞出口一定距离的适当位置处安装风力机并用紧固螺栓固定于地面，并为风力机机头处安装偏航装置，偏航装置为两个U型卡盘，根据试验所需偏航角度用紧固螺栓将机头与塔架固定。风轮转速的调节通过美国Fluke公司研制的高精度六相功率检测分析系统Norma5000
(a)λ=4．5振动谱(b)λ=4．5功率谱(c)λ=5振动谱(d)λ=5功率谱图7振动响应谱与流场功率谱Fig．7Spectrumofvibrationresponseandflowfieldpower流动时会产生内摩擦力，流体在运动状态下具有抵抗剪切变形的性质，是流体的固有属性，因此当流固之间发生相互作用时，若不考虑流体密度变化，流体可视为不可压缩流体，具有质量和速度。故将叶尖及其后附近的流体作为一个系统，当来流风速与风轮转速一定时，叶片所受冲量一定，系统水平轴向方向合外力为零。根据动量守恒，当叶片发生位移并与空气发生摩擦和碰撞，叶片振动速度减小，动量减小，而一定质量的空气移动速度加快，动量增加，进而叶尖振动与流体脉动之间形成了一个联动系统，两个不同的物理场之间发生密集的动量传递与交换，当叶片振动频率变快，流体的脉动频率也增大。故当叶片发生特征频率下的表2振型参照表Tab．2Vibrationmodeplate编号振型1轴向窜动2圆盘效应31阶振动4旋转基频5旋转2倍频6旋转3倍频(一次谐波)7旋转4倍频8二次谐波9三次谐波10四次谐波振动时，叶尖附近的流体也会随着叶片发生相似的脉动。(2)定义λ为尖速比，Vib为振动频率，Pow为流场脉动频率。如表3、4所示，风速11m/s，对比不同尖速比下，振动频谱与功率谱中对应峰值频率之间的相对误差δ=Δ/L×100%，Δ=Vib－Pow，L=Vib，得到δ＜8．2%，对应关系较好。图7(a)所示，尖速比为4．5时，由于旋转基频与轴向窜动频率相近，故轴向窜动被旋转基频淹没。而对于能量谱中某些固有频率缺失可能是由于能量传递过程中的耗散或被淹没造?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于大涡模拟考虑叶片停机位置大型风力机风振响应分析[J]. 柯世堂,余玮,王同光. 振动与冲击. 2017(07)
[2]风轮典型振型动态频率的间接测试和识别方法[J]. 吕文春,马剑龙,汪建文,李佩林,张彦奇. 农业工程学报. 2016(23)
[3]基于流固耦合的风力机叶片结构稳定性分析[J]. 陈文朴,李春,叶舟,缪维跑. 水资源与水工程学报. 2016(04)
[4]风力机叶片气动性能及流固耦合分析[J]. 姚世刚,戴丽萍,康顺. 工程热物理学报. 2016(05)
[5]风轮固有振动频率随工况变化的响应特性[J]. 马剑龙,汪建文,魏海娇,董波. 振动.测试与诊断. 2014(03)
[6]Dynamic Analysis of Tension Leg Platform for Offshore Wind Turbine Support as Fluid-Structure Interaction[J]. 黄虎,张社荣. China Ocean Engineering. 2011(01)
本文编号：3054345
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