兆瓦级风机偏航系统仿真分析与优化

袁 溟，杨 俊，武美萍

(1.上海飞机制造有限公司，上海 200436)(2.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122)

兆瓦级风机偏航系统仿真分析与优化

袁 溟1，杨 俊2，武美萍2

(1.上海飞机制造有限公司，上海 200436)(2.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122)

偏航控制系统的作用就是保持机舱与风向一致,使风力发电机尽可能多地获取风能。针对风向的频繁变化，编写了一种自动偏航控制程序。在此基础上，对兆瓦级玻璃钢风力机叶片在风力、重力和离心力的耦合作用下的静力学进行仿真分析。通过对叶片额定风况下的静力学分析，不仅检验了叶片正常运行时的安全性，而且为后续的疲劳寿命分析提供疲劳载荷依据。根据Miner线性累积损伤法则的玻璃钢叶片疲劳寿命估计方法，实现对风机叶片疲劳寿命的计算。以仿真结果为依据，进行铺层优化设计，降低了叶片应力，提高了使用寿命。

风机；玻璃钢叶片；疲劳寿命；铺层优化

随着全球温室效应的日益严重和石油、煤炭等不可再生资源的日益匮乏，世界各国正日益重视新兴绿色能源的发展。风力发电以其无污染性和可再生性受到普遍重视[1]。由于风向总是时刻变化的，因此偏航控制系统是风电机组实现高效稳定运行的关键。主动偏航控制系统能够控制风电机组始终跟踪变化的风向来实现最佳对风，提高风力发电的效率[2]。本文对2MW风力发电机主动偏航系统进行研究，以保护风机和提高风能利用率。在完成偏航设计的基础上，模拟仿真风机叶片实际运行时所受的风力载荷，进而对其进行结构分析与优化。

1 偏航控制系统设计

偏航系统的控制过程可以分为：自动润滑、自动解缆、人工偏航、自动偏航[3]。其中自动偏航过程是以风向传感器输出为基准检测风向、风速，并将所测风向信号送到控制器，当风向改变超过允许误差范围时，控制器发出自动偏航指令给驱动机构，从而调整机舱的方向，实现对准风向的目的[4]。本文所设计的自动偏航系统控制流程如图1所示。

其中：α为机舱偏航角度和；|γ|为偏航有条件解缆限位角度，偏航的允许误差为±15°，机舱顺时针调向时为正，逆时针调向为负。

图1 自动偏航控制程序流程图

2 风力载荷计算

风电机组受力载荷计算复杂，根据载荷来源可分为：空气动力载荷；重力载荷；惯性载荷，包括离心力和科氏力；操纵载荷；其他载荷，如温度载荷和结冰载荷等[5]。其中风力机最主要的动力来源是作用在风力机叶片上的空气动力[6]。空气动力载荷计算如下：

a.气动力产生的剪力。

(1)

(2)

式中：R为风轮半径；r为截面到风轮轴线的距离；qxa和qya分别为叶片单位长度截面沿x轴和y轴方向的气动力。

b.气动力产生的弯矩。

(3)

(4)

式中：r1为积分变量。

c.气动力产生的扭矩。

(5)

式中：p为翼型截面压力中心；c为扭转中心；Mka指向z轴负方向(即扭角减小的方向)时取正值。

风力载荷的计算过程十分复杂，本文使用GH Bladed软件对2MW变速变桨风力发电机组进行模拟仿真，在软件中设置主要的模拟参数(如风切变、风力模型、冰载和模拟时间等)以及必需的控制和安全参数(如制动、停机、偏航和变桨等)，从而获取了所设计风力机气动载荷。风力机正常运行时各风速下叶根处的平均气动载荷见表1。

3 叶片结构分析

3.1静力学分析

将由GH Bladed软件计算出的平均运行载荷加载到叶片上，应用有限元软件进行静力学结构研究。本文在正常运行工况条件下，对各风况下的载荷分别加载，求出各风况下叶片的最大Von-Mises应力，作为该风况下的等效应力。其中额定风况13m/s下叶片的应力分布如图2所示。

表1 各风速下平均气动载荷值

图2 额定工况下的叶片应力分布图

同样可得出从切入风速到切出风速范围内，叶片在相应载荷作用下的等效应力数值大小,见表2。

汽轮机因汽封间隙小发生碰磨产生振动，打闸后振动还有一个上升过程，为保证汽封更换改造效果，降低汽轮机热耗，启动中汽轮机轴振峰值控制在160 μm，大轴振动超过160 μm即打闸停机。从A修后的首次启动至机组带300 MW负荷阶段共打闸6次。打闸原因均是轴承振动大，打闸后破坏真空使转子尽快静止。打闸后闷缸时间4 h，监视盘车电流、汽缸各部温度正常，待大轴弯曲值回到原始值后方进行再次启动。

表2 各风况下叶片等效应力

3.2复合材料疲劳性能曲线

与一般金属材料不同，玻璃钢复合材料不存在明确的疲劳极限，一般将循环次数达到108时的应力值作为复合材料条件疲劳极限。本文采用如下公式对其进行近似计算

aσ+lgN=b

(6)

式中：σ为循环应力幅值;N为产生疲劳破坏的循环总次数;a,b为与复合材料特性相关的常数。S-N曲线公式是在对称循环应力条件下得到的[6]，而风机叶片正常工作时循环应力的均值并不为零[7]。本文采用Goodman关系方程将非零均值循环应力转化为对称循环下条件疲劳极限[8]：

σa=σ-1(1-σm/σb)

(7)

式中：σa为应力幅值；σ-1为条件疲劳极限；σm为应力均值；σb为材料强度极限值。

进行疲劳寿命预测时，除了选用S-N曲线公式外，还需要选择合适的损伤累积法则。本文选用线性损伤累计法则即Miner法则，进行疲劳寿命预测[9]。根据Miner对累计损伤的定义，累积损伤(D)为多个幅值循环应力引起损坏的和。若结构经受m个定常幅值循环应力σi(i=1,2,…，m)，各应力下的寿命分别为Ni，发生ni次应力循环，则ni次循环造成的“相对损伤”为ni/Ni。当所有“相对损伤”的累积疲劳损伤合计等于1时，发生疲劳破坏，亦即[10]

(8)

式中：ni为应力水平为σi时的工作循环次数；Ni为材料发生破坏时的循环数。复合材料在多个循环载荷作用下产生疲劳损坏时总的循环次数N为

N=1/(∑γi/Ni)

(9)

式中：γi为σi循环的百分数;Ni为破坏循环次数,可由式(6)得到。风力机玻璃钢复合材料叶片的疲劳寿命可由下式估算[11]：

Y=N/(T×ω×60)

(10)

式中：ω为风轮转速；Y为估计寿命；T为一年中有效风速持续小时数。

3.4疲劳寿命计算

根据前面所讨论的玻璃钢叶片疲劳强度的安全寿命设计方法，估算2MW变速恒频风电机组叶片的疲劳寿命。取玻璃钢材料 ，σb=255MPa,b=9.88[12]，通过Goodman方程修正后的条件疲劳极限σ-1=40.4MPa，相应的循环基数N0=2×108。详细参数见表3。

N=1/(∑γi/Ni)=1.15×108

则风机玻璃钢叶片的估计寿命为

Y=N/(T×ω×60)≈15年

4 结构优化

由上面疲劳寿命的计算可知，风力机叶片未能满足设计使用寿命(20年)，因此本文拟对叶片进行铺层优化设计。根据上文静力学分析可知，叶片应力主要集中在0～10m段，即叶片的叶根区域、叶片过渡区域和叶片翼型区域靠近叶根段，故本文主要对这3段进行铺层方案优化。

表3 2MW玻璃钢叶片载荷谱

原铺层方案：[±45/±45/±45/±45/±45/0/90/0/90/0/90/0/90/0]NT

根据铺层设计原则和铺层设计步骤，重新调整铺层顺序拟定3种铺层方案如下。

方案一：[±45/0/90/±45/0/90/±45/0/90/±45/0/90/±45/0]NT

方案二：[±45/0/90/±45/0/90/0/±45/0/90/±45/0/90/±45]NT

方案三：[±45/±45/0/90/0/90/0/±45/0/90/0/90/±45/±45]NT

对叶片进行相应的铺层设计后，施加气动载荷、重力载荷和离心载荷，进行有限元分析，额定工况下叶片等效应力大小见表4。

表4 各铺层叶片等效应力

由表4可知，在额定工况下方案一叶片的最大应力有所改善，因此在不增加蒙皮层数和蒙皮厚度的条件下本文选用方案一对叶根和翼型过渡区域进行铺层优化。在切入风速到切出风速范围内，叶片在相应载荷作用下的等效应力大小见表5。

表5 优化后等效应力

由此计算出玻璃钢叶片的疲劳寿命约为27年。

5 结束语

本文针对风向的频繁变化，编写了一种自动偏航控制程序，使风力发电机尽可能多地获取风能。通过静力学分析得出叶片最大应力在风速11m/s时产生，大小为49.5MPa，由此检验了风机叶片的安全性。通过采用疲劳分析估算方法，计算出初始设计风力机叶片的疲劳寿命为15年，未达到预期20年的使用寿命。在此基础上进行铺层优化，降低了叶片应力分布，叶片使用寿命提高至27年，达到了预期目标。

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SimulationAnalysisandOptimizationofLargeWindTurbineYawControlSystem

YUAN Ming1, YANG Jun2, WU Meiping2

(1.Shanghai Aircraft Manufacturing Co., LTD., Shanghai, 200436, China)(2.Jiangnan University, Jiangsu Wuxi, 214122, China)

For the yaw system, it must keep the cabin always windward, so the wind turbine can catch wind power as much as possible. This paper designs an active yaw control system for large wind turbines. It analyzes statics character of large wind turbine GRP blades in the coupling of wind, gravity and centrifugal force. Through statics analysis under rated wind condition, it evaluates the safety of blades and provides data for fatigue life prediction. Based on the Miner linear fatigue damage accumulation rule, it obtains the fatigue life of blades. At last it introduces a layer optimization design.

Wind Turbine; GRP Blade; Fatigue Life; Layer Optimization

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.005

2014-07-03

袁溟(1969 —)，男，江西九江人，上海飞机制造有限公司工程师，主要从事飞行器制造工艺及精益制造工作。

TK83

A

2095-509X(2014)08-0018-04