海洋工程试验的浮式风力发电机模型设计

张 琦， 彭志科， 寇雨丰， 田新亮

(上海交通大学 a.机械系统与振动国家重点实验室；b.海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

0 引 言

与陆上和近海相比，远海风能风力更为稳定和丰富，可开发区域更广阔。化石能源逐渐枯竭，可再生能源的开发与利用变得愈发重要，由此各高校研究团队与风电开发商加快了对大型海上浮式风力发电机的研究进程[1]。大型海上浮式风力发电机概念首先由Heronemus提出[2]，至20世纪90年代中期，该概念成为风力发电研究主流方向之一。浮式风力机运行处于复杂的动力学系统中，弹性风机系统受到风载荷、波浪与洋流载荷的联合作用以及各载荷耦合作用影响，数值仿真的合理性与有效性需要可靠数据的支撑与验证[3-5]。2007年，荷兰Blue H科技公司在意大利海岸外21.3 km处布置了第1个漂浮式风力机，用于采集风浪环境下的测试数据。2009年，第1台大容量浮式风力机Hywind在挪威北海投入运营，主要目的为收集浮式工况下转子与叶片相关数据。然而，全尺寸风机试验成本过高，且环境条件难以控制，结果较难观测，因此结合海洋工程水池的缩比模型试验成为浮式风力机研究与开发的重要手段。

自2009年开始，Goupee等开发了缩尺比为1∶50的NREL 5 MW风机模型，模型风机可获取风轮转矩、转速、机舱运动数据，具备叶片主动变桨装置。该模型风机结合海洋工程水池试验进行了大量研究[4,6]，形成了较为完整的风机模型试验理论[7]。此外，米兰理工学院在传统风机缩比模型试验基础上，通过实时控制6自由度平台模拟波浪载荷对FOWT的运动效果，结合风洞试验手段开发了混合测试方法(Hybrid/Hardware in Loop)[8]，并对模型叶片独立变桨策略与气动振动进行了测试[9]。

目前国内FOWT相关试验主要关注风机与浮式平台系统的在风浪载荷联合作用下的运动特性，如天津大学唐友刚教授团队针对5 MW风机与半潜平台的试验研究[10]。上海交通大学胡志强教授团队的5 MW风机模型试验也更加侧重于各种波浪载荷以及系泊力对风机系统的作用[11-12]，而对于运动情况下风轮的气动载荷，流场特性试验开展较少。因此设计开发关注风机气动载荷的缩比模型试验装置、试验方案对漂浮式风力机的研发与测试具有重要意义。

1 模型设计理论

为了能够使模型试验结果准确地反映实际风机在风浪载荷下的动力学响应，模型试验需严格遵守特定的相似准则[7]，包括模型与实际尺度几何相似，运动相似与动力相似。几何相似与运动相似定义了模型尺度下的空间与时间缩尺比；动力相似则保持对应流场中作用力与惯性之比相同，不同种类载荷通过不同的流体力学无量纲数相等实现[13]。对于FOWT缩比模型同时受到波浪载荷与气动载荷作用，在任意缩尺比λ>0条件下模型与实际流场的Froude数与Reynolds数不可能同时相等，因此无法同时满足两个流体作用相似[7]，故本试验采用Froude数相似保持波浪载荷作用等效，并在后续试验中对风轮气动粘性力载荷进行修正。

FOWT模型试验主要应用Froude数相似，虽然Froude数模型并不能准确反映风机的全部受力，但是对于浮式风电系统，Froude数相似包含了大部分影响系统全局响应的因素，风轮气动力除外；然而应用Reynolds数相似的气动试验方案则无法应用于波浪力的模拟[14]。自由面波的Froude数定义为

式中：C为特征速度；L为特征尺度；g为重力加速度。模型与实际尺度下对满足重力相似的Froude数相似条件为

Frp=Frm

对于风轮缩比，需保持模型与实际风机叶片叶尖速比(TSR)相似，

TSR=ΩR/u

式中:Ω为风轮转速；R为叶尖半径；u为风速。叶尖速比相似条件为

TSRp=TSRm

叶尖速比相似可保证在对应缩尺风场与工况下模型与实际叶片各翼型截面来流攻角相同，若忽略雷诺数对气动力的影响，则可保持模型与实尺度下风轮推力与转矩相似。此外，叶尖速比相似也可准确模拟风轮自身偏差以及与风轮塔架间的气动作用[15]。

由以上缩尺关系可推导缩比模型各量纲单位的缩尺因数如表1所示，其中，λ为尺寸缩尺比，考虑试验水池为淡水环境，需修正淡水与海水密度不同对试验结果的影响，设置海水与淡水密度之比为γ，取γ=1.025；L为线性长度，M为质量，T表示时间。

表1 FOWT缩比模型试验缩尺因数

2 风机模型设计

本试验以NREL 5 MW参考风机作为原型风机，该风机系统研究资料丰富、可验证性强。根据海洋工程水池试验条件及其他装置尺度限制，设置尺寸缩尺比λ=50。参考风机主要缩尺参数如表2所示。

2.1 叶片设计

风机模型叶片各截面翼型以5 MW原型风机[16]各截面翼型轮廓为基础，经缩比后进行易于加工的气动参数等效化处理后拟合而成[14]，叶尖由于缺少原型数据，通过插值收缩叶尖翼型截面使叶尖端部平滑过渡收尾，翼型截面投影如图1所示。

表2 参考风机与模型风机主要参数

图1 叶片各截面翼型分布

2.2 机舱设计

模型机舱连接模型叶片与模型塔架，在满足模型质量精度的同时，需具备调节风轮转速的转子结构。风轮主轴位置与倾角、风轮中心、轮毂直径等参数由参考风机参数[16]严格缩尺转子末端布置有伺服电机与行星齿轮减速器，可以控制风轮转速；同时在转子与风轮间布置获取风轮驱动力矩的转矩传感器，机舱底部布置获取机舱与塔架连接处载荷的六分力计；为获取叶片在风场中受载情况，沿叶片轴向设计布置光纤光栅应变计；由于光纤应变计与转子运动干涉，所以在机舱内设置安装单通道光纤滑环使光纤导通，并设计双轴传动方案连接转子其他部分，通过一1∶1传动比的定轴齿轮副连接；六分力计底部通过支架与塔筒连接。风机机舱模型满足布置上述装置前提下要求尽可能小巧，因此采用模型机舱一体化设计，提高机舱强度。另外，设计前端盖用于齿轮传动限位，设计光纤滑环限位器限制其转动，设计光纤滑环连接器与主轴形成可拆卸连接。总体设计如图2所示。

2.3 塔筒设计

传统风机模型塔筒设计为满足质量、质心与刚度相似的变截面金属梁结构[14]。此方法虽能在单方面较好模拟了塔架参数，但无法反映模型试验工况下风轮与塔架间的气动干扰——风机塔影效应；此外，模型机舱处多布置传感器，线束布置方式为绑缚于金属塔架或悬吊在机舱外，线束的质量与刚度对质量较小的模型风机系统响应产生了较大干扰[17]。因此，设计几何相似的中空模型塔筒，并将线束布置于塔筒内，使塔筒与线束整体满足缩尺条件。参考风机缩比后模型塔架顶部外径77.4 mm，底部外径120 mm，设计质量2.0 kg，为线束质量提供足够裕度，并在上下两端设置连接件方便安装。另在塔筒底部布置一六分力计采集塔筒下端受载情况。

图2 模型风机机舱结构布局

3 模型制造与参数校核

叶片模型设计缩比质量为138.46 g，故叶片制造采用双层碳纤维布中空冲囊成型工艺。首先制造玻璃钢叶片外轮廓模具，铺展碳纤维布与树脂后在内侧将相同形状聚合物内囊充气膨胀，同时对整体加热固化，稳定后抽出内囊，形成强化中空叶片结构(见图3)。试验采用的3根叶片质量分别为141.3、142.2、142.6 g，与目标值偏差在3%之内。

图3 碳纤维模型叶片

机舱部分结合设计要求与模型载荷范围，选取TECHSERVO CBL3660电动机作转速及负载控制，选取Princetel单通道光纤滑环连接光纤光栅应变计，选取HBM T22(量程2.0 N·m)转矩传感器测量风轮端转矩，选取KYOWA LAT-1030KA-2六分力计测量机舱处各方向受载。选取薄壁轴承与尼龙齿轮作为支承与传动结构，其他机械结构采用7075铝合金进行加工，确保模型制造满足质量要求，并提供足够强度，模型装配如图4所示。

塔筒制造采用碳纤维复合材料滚筒成型工艺完成，在塔筒上下两端预埋铝合金接环，顶部与模型机舱连接，底部设置接口测力装置采集塔筒根部受载。两端金属件均设置镂空端口方便各线缆穿过。

图4 模型机舱装配

表3、4给出了模型设计与实际参数对比，其中各质量参数均比设计值略小，为水池试验模型的质量与重心匹配预留了充足余量，试验时通过增加铁砂配重的方式补偿；尺寸参数误差较小，符合几何相似缩尺法则(见图5)。

表3 模型设计质量参数校核

表4 模型设计结合参数校核

(a)(b)(c)

图5 参考风机外观(a)、模型风机设计(b)与模型实物(c)

4 结 语

本试验模型以NREL 5MW为原型，设计与制造严格遵守了Froude数相似与几何相似为基础的缩尺定律，结合风轮叶尖速比相似，保障了试验的有效性与可靠性。模型可采集风机在风场作用下的风轮转速、风轮驱动转矩、机舱受力、叶片各部位变形与受载等参数，可用于高精度风机气动响应试验研究与浮式风力发电机海洋工程水池试验研究。目前结合人工造风系统与6自由度运动平台，已对该模型在不同姿态下对不同来流风速的气动推力与转矩进行了研究，并结合多通道热线风速仪实现了对不同工况下风机尾流的测量。然而对于Froude数相似风场下风机叶片由于Reynolds数差异较大而导致的叶片气动力误差，将在后续研究中进行分析讨论。