转子尺寸对双叶片风力涡轮机晃动行为的影响

《Wind Energy》：The Effect of Rotor Size on the Teeter Behavior of Two-Bladed Wind Turbines

风能涡轮机两叶轮摆动动态研究表明，现代大尺寸涡轮因锁数（力矩惯性比）显著升高，气动阻尼增强导致摆动行为变化，传统摆动轴设计需重新评估。通过分析方程和数值模拟（600kW CART2、6MW 2B6、20MW 2B20HAW-T），扩展了考虑 pitch-teeter-velocity 耦合（PTVC）的摆动动力学模型，发现 PTVC 能更有效抑制极端载荷下的摆动幅值，其效果独立于转子尺寸。研究证实高锁数涡轮在常规工况下更稳定，但极端事件中需结合主动控制（PTC/PTVC）和机械制动系统。摆动轴设计对疲劳载荷和极端冲击载荷的双重优化具有潜力，但需解决轻量化叶片与高锁数带来的动态响应矛盾。

　　本文围绕风力涡轮机的“摆动轴”设计展开，探讨了其在不同规模涡轮机中的表现及其对疲劳载荷和极端载荷的影响。随着风力涡轮机的发展，涡轮机的叶片尺寸显著增加，而其重量增长却相对缓慢，这一趋势导致了“锁数”（Lock number）的显著上升。锁数是衡量叶片空气动力学力与惯性力之间比例关系的重要无量纲参数，其数值越高，表示叶片更受空气动力学力主导，而惯性力的影响则相对减弱。由于涡轮机设计与控制策略的演进，摆动轴这一概念虽曾被广泛应用，但在当前风力发电领域中已逐渐被忽视。然而，随着现代涡轮机尺寸的扩大，摆动轴的潜力重新受到关注，尤其在降低疲劳载荷和极端载荷方面展现出显著优势。

### 摆动轴的基本原理

摆动轴设计为两叶片涡轮机提供了额外的自由度，使涡轮机能够在旋转过程中产生摆动运动。这种摆动主要由风剪切效应引起，即在不同高度处风速存在差异，导致叶片受到的空气动力学力不均。摆动轴的引入可以有效减少叶片因不平衡力而产生的疲劳载荷。对于传统的摆动涡轮机，其摆动角度通常在风剪切作用下出现周期性变化，而现代涡轮机由于叶片更轻，且风剪切效应更加显著，使得摆动行为发生了变化。这种变化对涡轮机的载荷分布和结构寿命有重要影响。

在摆动轴系统中，通常采用“桨叶-摆动耦合”（Pitch-Tether Coupling, PTC）或“桨叶-摆动速度耦合”（Pitch-Tether-Velocity Coupling, PTVC）技术，以进一步降低摆动幅度。PTC通过调整桨叶角度来影响摆动行为，而PTVC则利用摆动速度作为控制输入，从而更早地干预摆动运动。两种方式在原理上有所不同，PTC会增加系统的刚度，但会降低阻尼效果；而PTVC则通过速度反馈增加阻尼效果，但不会改变刚度。因此，PTVC在控制摆动幅度方面表现更为优越。

### 摆动行为与涡轮机尺寸的关系

为了评估不同尺寸涡轮机的摆动行为，本文引入了锁数的概念，并通过多个模型（包括600 kW的CART2、6 MW的2B6和20 MW的2B20HAW-T）进行分析。锁数不仅反映了涡轮机的空气动力学特性，还与涡轮机的摆动阻尼密切相关。随着锁数的增加，摆动运动的阻尼效果增强，这使得现代大尺寸涡轮机的摆动行为更为稳定，从而有效降低了极端情况下的摆动幅度。

研究发现，随着涡轮机尺寸的增大，锁数呈上升趋势。这种趋势意味着，现代涡轮机的摆动阻尼能力增强，而摆动惯性力则相对减弱。因此，在相同的风剪切条件下，大尺寸涡轮机的摆动幅度会比小尺寸涡轮机更小。同时，摆动运动的响应时间也受到影响，大尺寸涡轮机由于更高的锁数，能够更快地对不平衡力做出反应，从而更有效地抑制摆动运动。

### 极端载荷下的摆动行为

在极端载荷条件下，例如风剪切突变或桨叶卡死（Stuck Pitch）等，摆动轴系统的性能尤为重要。研究中分析了两种典型的极端载荷场景：

1. **风剪切极端情况（EWS）**：当风速在叶片顶端和底部发生剧烈变化时，涡轮机会产生较大的摆动幅度。此时，摆动轴的阻尼能力成为关键因素。由于大尺寸涡轮机的锁数更高，其摆动阻尼能力更强，因此能够更快地稳定系统，减少极端载荷对结构的冲击。

2. **桨叶卡死（Stuck Pitch）**：当某一叶片无法正常调整角度时，会导致涡轮机旋转不平衡，进而引发较大的摆动。此时，通过摆动轴设计，涡轮机可以快速响应这种不平衡，避免过度摆动。然而，研究还指出，如果采用“偏航出风”（Yawing Out）策略，即通过偏航系统将涡轮机旋转出风向，可以有效避免桨叶卡死导致的极端摆动，从而减少对结构的损伤。

在这些极端情况下，摆动轴系统的性能不仅依赖于其自身的阻尼和刚度特性，还与控制策略的响应速度密切相关。因此，现代涡轮机的控制系统需要具备更高的灵活性和更快的响应能力，以有效应对各种极端载荷。

### 控制策略与摆动轴的结合

随着风力涡轮机的智能化发展，现代控制策略为摆动轴系统的优化提供了更多可能性。传统的机械耦合方式虽然有效，但限制了系统的灵活性和响应速度。相比之下，基于控制器的PTC和PTVC技术能够根据实际运行条件动态调整耦合参数，从而在不影响正常运行的情况下，有效抑制极端情况下的摆动。

PTVC由于其速度反馈机制，能够在摆动达到最大值之前就进行干预，从而减少摆动的幅度和持续时间。而PTC虽然也能降低摆动，但其效果相对有限，且在某些情况下可能反而增加系统的刚度，导致摆动的振幅难以控制。因此，PTVC在现代涡轮机中的应用前景更为广阔。

此外，研究还指出，由于现代涡轮机的锁数较高，其摆动行为在某些情况下会表现出“过阻尼”特性，即摆动运动迅速衰减，不会产生明显的振荡。这一特性对于降低极端载荷具有重要意义，因为过阻尼意味着系统能够更快地稳定下来，减少对结构的冲击。

### 摆动轴的未来应用

尽管摆动轴技术在过去曾被广泛应用，但随着涡轮机尺寸的扩大和控制策略的进步，其应用范围正在逐步扩展。本文的研究表明，摆动轴不仅能够有效降低疲劳载荷，而且在极端载荷情况下，通过PTVC等先进控制策略，还能显著减少摆动幅度，提高涡轮机的运行稳定性。

然而，摆动轴技术的推广仍面临一些挑战。例如，如何在不影响涡轮机正常运行的前提下，实现对摆动行为的精准控制，仍然是一个值得深入研究的问题。此外，摆动轴系统的可靠性、维护成本以及对控制策略的依赖性，也会影响其在实际应用中的推广速度。

总的来说，摆动轴技术作为一种历史悠久的涡轮机设计，其在现代风力发电系统中的价值正在重新被认识。随着涡轮机尺寸的增大和控制技术的进步，摆动轴系统的潜力将进一步显现。未来的研究应继续关注其在不同工况下的表现，并探索更高效的控制策略，以实现更高的运行效率和更低的维护成本。