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【科普】风是如何吹过风机叶片的?

   2023-11-21 风能专委会CWEA24830
核心提示:科学的方法应该是根据评估场址的实际环境湍流,采用与之相应的“动态功率曲线”,为评估电量提供更明确和真实的参考。

风电场中的风机往往在大气湍流和风机尾流形成的复杂环境中工作,在风资源分析过程中,湍流一直是一个重要的指标。

在风电业内,湍流是个神奇的概念,经常出现在诸如风机齿轮箱损坏,叶片开裂,基础开缝,发电量不达标的分析报告中。可湍流到底是什么呢?

什么是湍流

湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,也称为稳流或片流;逐渐增加流速,流体的流线开始出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加而增加,此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还有混合。这时的流体作不规则运动,有垂直于流管轴线方向的分速度产生,这种运动称为湍流,又称为乱流、扰流或紊流。

风机设计是如何界定湍流的呢?专家们想到了万能的统计学方法,根据IEC61400(由IEC制定的风力发电机组系列标准)规定,湍流强度(turbulenceintensity,简写为TI)是指10分钟内风速随机变化幅度大小,是10分钟平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率,是风电机组运行中承受的正常疲劳载荷,是IEC61400-1风机安全等级分级的重要参数之一。

湍流产生的原因主要有两个,一个是当气流流动时,气流会受到地面粗糙度的摩擦或者阻滞作用,另一个原因是由于空气密度差异和大气温度差异引起的气流垂直运动。通常情况下,上述两个原因往往同时导致湍流的发生。在中性大气中,空气会随着自身的上升而发生绝热冷却,并与周围环境温度达到热平衡,因此在中性大气中,湍流强度大小完全取决于地表粗糙度情况。

湍流对风机安全性的影响

风机设计有标准可循,可是大自然的风却并不那么懂规矩,我们就需要在根据特定风场的湍流条件来选择风机。

在风场湍流水平超过风机设计水平的情况下,按设计标准制造出来的风机就很难达到预期寿命,原本设计寿命20年的风机,在10年甚至8年的时候,叶根、主轴、机舱底板等结构件就可能因为长期疲劳超出设计标准而导致的损坏,这样风电场收益将难以实现。

那么湍流超标的情况下,风机是否就一定不能适用呢?考虑到风机设计参数一般高于现场风况指标,通常可以在经验范围内提出做载荷仿真以确认安全性的需求。比如设计年均风速为8m/s,湍流为A类的风机。当某风机位湍流0.162,但年平均风速只有7m/s的情况下,我们就可以尝试将机位处的参数加入到风机设计的模型中,通过仿真,来判断风机是否能够满足这种风场条件下的安全性要求。如果可以满足,那么这款风机就可以适用于该风电场。

湍流对发电量的影响

归根结底,大家最在意的还是咱们风场能发多少“真金白银”。但说到湍流对风场实际发电量的影响,不得不首先提到静态功率曲线和动态功率曲线。目前行业内很多场合下,在评估发电量的时候所使用的功率曲线仍然为“静态功率曲线”,这是非常不科学的,因为静态功率曲线是假设环境湍流为0的情况下绘制出来的理想条件功率曲线,在现实环境中是不可能存在的,这会造成对发电量评估的严重高估。科学的方法应该是根据评估场址的实际环境湍流,采用与之相应的“动态功率曲线”,为评估电量提供更明确和真实的参考。

 
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