风力发电机组设计载荷的分析

宁李谱,宁欣,杨辉,陈乐瑞

（河南科技学院,河南新乡453003）

在风力机设计中必须确定风力机所处的环境和各种运行条件下所产生的各种载荷,其目的是对风力机零部件进行强度分析（包括静强度分析和疲劳强度分析）、动力学分析以及寿命计算,确保风力机在其设计的寿命期内能够正常运行.该项工作是风力机设计中最基础性工作,所有的后续工作都是以载荷计算为基础的.

在计算载荷时,要考虑到风力机的复杂性,它是风、空气动力学、波浪、结构动力学、传动系统、控制系统等复杂作用的结果.风力机是与众不同的设备,叶片翼型经常运行在失速的状态下,很可能产生结构共振、载荷不规则、高周疲劳等现象,这就决定了载荷计算的困难程度.

1 风力机载荷计算方法

对于陆上风力机载荷计算,不考虑随机或周期波浪、流体动力学与波浪载荷时间序列三个海上风力机专用选项.风力机载荷计算过程如图1所示.

2 风力机载荷计算工况的制定

风力机运行在非常复杂多变的自然条件下,不同的外部环境,对风力机的各个零部件受力状态的影响是不同的.为了实现载荷计算目的,达到设计要求,水平轴风力机的载荷计算是以机组将要承受的包含各重要条件的设计工况来体现的.计算工况的确定应将外界条件、风力机运行状态发生的概率与控制和保护系统动作等的组合方式放在一起考虑,并结合风力机设计工况和载荷状态国际标准来制定.

2.1 外界条件

外界条件可以分为正常外界条件和极端外界条件.外界条件应包括影响风力机的所有外界条件,如地形地貌、气象条件等.按概率角度讲,正常外部条件是指一年至少发生一次的概率事件,而极端外界条件是指50年发生一次的概率事件.

2.2 风力机发电机组的运行状态

风力机发电机组的运行状态可以分为正常运行状态、极端状态、故障状态以及运输安装状态,如图2所示.

2.3 风力机国际标准

现代风力机设计中,国际通用标准是IEC61400,它具有通用性、实用性、易操作性与广泛性等特点,本文采用IEC61400-1：2007标准.该标准规定了风力发电机组在特定环境下,设计、安装、维护和运行中的安全要求,涉及到了风力发电机组各子系统,适用于风轮扫掠面积等于或大于40 m2的风力发电机组.

2.4 制定计算工况

制定风机计算工况所需参数如表1所示.根据IEC61400-1：2007标准的规定及以上风机参数,可以制定出风力发电机在不同环境中的设计工况,然后进行载荷计算.例如风机的某一种设计工况如下：

设计工况：DLC13

正常发电：方向变化的极端相干阵风ECD

风况：瞬态确定性风,Vhub=10.5

载荷局部安全系数：1.35

图1 风力机载荷计算过程

图2 风力机发电机组的运行状态

表1 风机主要参数

3 分析计算

“BladedforWinows”是由国际著名的Garrad Hassan公司开发的风力发电机组设计软件,可以对风力发电机组整机的气动和结构动力学特性及风力发电机组所受的载荷进行计算和仿真,它是风力发电机组设计和验证的可靠工具.作为通过GL认证的少数几个风力机计算软件之一,BladedforWindows在国际上得到了较为广泛的应用.

风力发电机组运行在非常复杂的载荷情况下,所受载荷既有周期性成份又有随机成份.按照来源分类,一般把作用在风力发电机上的载荷分为五类：即稳定载荷、周期载荷、随机载荷、瞬态载荷、谐振载荷.而在机组零部件的设计中,需考虑两种载荷,它们是疲劳载荷和极限载荷.

IEC61400-1规范要求,在设计计算时,主要考虑以下载荷：（1）惯性力和重力载荷；（2）空气动力学载荷；（3）运行载荷；（4）其他载荷（波载,尾流载荷,冲击载荷冰载）.上述载荷的组合形成寿命周期的疲劳和极限载荷.

3.1 疲劳载荷的确定

疲劳载荷主要是在正常运行状态风力机零部件长期经受动载荷而产生的.在这种载荷的作用下,风力机的许多零部件都会产生动应力,引起疲劳损伤,疲劳断裂是风力机零部件的主要失效形式之一.当使用静强度设计方法时,考虑到风力机零部件实际是在变载荷作用下工作,通常采用加大许用安全系数或降低许用应力的方法来提高风力机的可靠性.由于静载破坏是整体断裂,所以必须加大零部件整个截面的尺寸以提高静强度,但即便如此仍有可能产生疲劳破坏.这是因为疲劳破坏与静载断裂是不同的,疲劳裂纹首先在零部件危险点的局部区域内产生,继而裂纹扩展直至断裂.而动载荷具有交变性和随机性,很难对其进行精确的描述.因此,必须要对产生疲劳载荷的动载荷进行等效简化,以便准确的确定零部件上的疲劳载荷.

IEC标准要求的疲劳载荷局部安全系数是1.0.风速采用Weibul分布,假设年平均风速为8.5 m/s,分别计算出风力机各种疲劳工况下的载荷,然后求出风力机运行寿命内的当量载荷.当量载荷破坏通常等同于疲劳损坏,一般用雨流计数法来描述.此方法基于Miner定理,等效应力损坏计算公式如下

式（1）中：T是N次循环的当量应力；Li是第i级的应力范围；ni是第i级应力范围内循环的次数；m是S-N曲线的斜率；N是应力在风力机寿命期间循环的次数.

应力Li是由所考虑的几何结构决定的,通常假设应力与载荷成正比,因此用载荷代替上面的公式中的应力也是合理的.出于简单考虑,Li和ni可以从没有经过修正的一维表得出,用来求解由平均应力引起的当量损坏.

叶片根部挥舞力矩雨流循环超过数曲线如图3所示,根据疲劳工况计算出疲劳载荷,经过雨流计数法处理后,并结合风速分布规律,绘出载荷在风力机寿命期间的累积分布图,可以计算当量载荷损坏.

3.2 机组的极限载荷

风力机所受载荷中的随机成份无法用明确的数学关系来描述,作用在风力发电机组上的极限载荷为其最大载荷乘以安全系数,这种随机载荷,虽然无法预测它在未来某个时刻的值,但在大量的重复测试中又表现出一定的统计规律性,所以可用概率统计方法来描述和研究.如果将载荷的周期性部分和随机部分在作用时间上分离开来,按照基本转动频率的谐函数分析周期性部分,就能将风力机所受的载荷表述的更加清楚.

图3 叶片根部挥舞力矩雨流循环超过数曲线

设计过程中预测极限载荷是至关重要的,在风力机的整个寿命期内很可能会经受若干次极限载荷,通常是以确定性的载荷情况为基础来预测极限载荷,风力机运行的过程中,必须考虑随机和确定性载荷成份组合的概率分布.

任何种类的风力机的载荷均可表示为

式（2）中：z和x分别表示载荷的周期性部分和随机部分.假如载荷的随机部分是高斯型的,这样,它的概率分布为

对于受随机载荷与周期性载荷复合作用运行中的风力机,假设在整个信号中的极限值出现在周期性成份的最小值和最大值处,将周期性成份随时间历程理想化为矩形波,得到极限值分布的表达式

（1）极限最大值

式（4）中

（2）极限最小值

确定了在风力机叶轮转动周期内载荷极限分布的解析式,就可以对极限载荷的出现进行预测,减少极限载荷对风力机的影响,延长风力机的疲劳寿命.

通过比较,找出风力机在各种工况和70 m/s极限风速下承受的载荷、极限载荷与极限工况,如表2是叶片部极限载荷,表3是叶片根部在70 m/s风速下的极限载荷,黑体表示的是载荷的最大值与最小值,Load Case列表示的是极限工况.MX、MY、MXY的含义如图4所示,Z是沿叶片轴线方向,X垂直于Z,对于上风向,风力机指向塔架,否则方向背离塔架（图中是上风向情况）.Y垂直叶片轴线和主轴轴线,符合右手定则.与旋转方向及风轮上风向或下风向无关.原点位于叶片的每个截面.

图4 风机叶片坐标系

表2 叶片根部极限载荷

表3 叶片根部在70m/s风速下的极限载荷

4 结论

应用确定的风力发电机设计载荷方法分析计算工况,处理外界条件、风力机运行状态发生的概率与控制、保护系统动作等组合的复杂问题,列出了风力机载荷设计工况的制定过程,运用GH-Bladed软件作为载荷计算工具,对风力发电机在设计工况下的极限载荷和疲劳载荷进行了分析,对风力机的正确设计、校核和分析提供了重要帮助,为风力机的后续分析设计打下了基础.

但是由于风力机在实际运行环境下所承受的载荷情况非常复杂,还要考虑运行状态的改变、环境温度的变化、地震等对风力机带来的影响.

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