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兆瓦级风电机组的载荷计算与性能研究

范文

李勇锋

摘要：作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，风能逐渐成为近年来最受人们青睐的重要资源，由此也推进了风电产业的快速发展。风电发电的核心部分是兆瓦级风电机组，本文介绍了兆瓦级风电机组的性能研究现状，以及目前相关技术中存在的问题，并就其载荷计算给出了公式。

关键词：兆瓦级风电机组；载荷计算；性能研究

中图分类号：TK83 文献标识码：A

经过长期的研发，兆瓦级风电机组技术已经日渐成熟，风机的容量、体积、长度、重量都与以往发生了较大改变，随之而来的则是兆瓦级风电机组的动态载荷问题。由于风电机组是通过叶片的升力向提供动力的，因此叶片强度的确定需要对其产生的重力、推力、離心力等载荷进行计算而决定，这促使了相关技术人员在兆瓦级风电机组的载荷计算方面的研究。

1.风电机组关键部件的工况分析

1.1 塔架

塔架是风电机组中的重要支撑部件，风力机的高度调节以及机组中叶轮和机舱的支撑都由塔架完成。由于其作为机组重要的承载部件，需要满足相关部件的支撑任务，因此在强度和刚度上需要一定的保障，以保证在恶劣的台风或暴风天气中保持机组的稳定性。塔架的可靠性直接决定了风力机的工作性能。

1.2 叶轮

风电机组中的叶轮部分则3个叶片和轮毂连接组合而成，它负责将风能转化为机械能。在这一部件中，轮毂的作用是将3个夹角为120°的外伸端与叶片及机舱中齿轮箱的主轴进行固定连接，其形状较为复杂，但是风电机组中非常重要的部件。风电机组叶片上承受的静、动载荷都会通过外伸端向轮毂传递，由此也造成了轮毂复杂的受力情况。其主要承受来自叶片的载荷包括叶片本身的重力、离心力、剪切力、扭矩和各种疲劳载荷。轮毂的设计合理性对于保证机组的正常运行和使用寿命具有关键性的意义。因此，针对轮毂的静态分析和疲劳计算是非常必要的，相关数据是保证其设计合理性的重要依据。

1.3 机舱底座

作为风电机组的承载部件，机舱底座负责相关设备中大轴、增速机齿轮箱及发电机等所有闻件的固定和支撑任务。在结构形式上，可分为铸造和焊接两种。在机组所有的部件中，机舱底座的制造是相对简单的，且具有结构强度高、生产周期短的优点。尤其是铸造底座在强度、耐腐蚀性及吸振性方面的表现都较好，同时其原材料成本也较低，更有利于成本控制。由于在风电机组的工作过程中，发电机的旋转会激励机舱产生共振，因此机舱底座的牢固性非常重要，直接关系到了机组的安全性和寿命。

2.风电机组基本载荷分析

2.1 风电机组的载荷分类和来源

静态负载：所谓静态负载，指的是风电机组在不转动的情况下，施加在其结构上各个部件的负载。

稳态负载：即在风电机组结构转动且其运动结构的负载不变的情况下，施加于其结构上各个部件的负载。

周期载荷：指在具有一定规则的周期变化中，叶片的转动引起的机动性组各结构部件的负载，由此可知，负载变化周期与风轮的转速变化之间的关系是呈整数倍变化的，由于风电机组有3个叶片，因此周期负载也体现了3倍。

瞬载、动负载、动力冲击：这是机组部件表现出的对瞬时外界负载的瞬态响应时变负载，驱动链刹车就是比较典型的情况。

脉动载荷：短周期内的是变负载，可以出现极大的尖峰值。

随机负载：即在风电机组上产生的随机性的时变负载，一般可保持相对稳定的平均值，但振幅很大。

谐振诱导负载：对风电机组的固有频率动态谐振响应形成的周期负载，主要由机组的设计不合理或在恶劣情况下运行而产生。

2.2 载荷源

一般情况下，兆瓦级风电机的叶片为截面内外翼型曲线的内部空心加肋架构，风是风力发电机组的主要载荷源，而自然界的风是多变的，尤其是风速对于风电机组的叶片载荷状态频率有决定性的作用，因此需要对机组所在场地的风速风布情况进行计算，相关公式为：

表示平均风速离地面高度为Z时的变化函数，结合正常风廓线幂定律给出公式：

该公式可以确定垂直方向穿过风轮扫掠面积的平均风切度。

自然风的风速变化具有随机性的特点，不可能永远保持10min的平均风速，这一现象被称为“风湍流”。风电机组的湍流模型构建即包括了风速、风向的变化，以及循环抽样的影响，相关模型的构建必须满足以下条件：

2.2.1 纵向风速分量标准差的特性值公式为：

2.2.2 湍流纵向分量在接近惯性负区的高频尾端时，其功主谱密度应为渐进形式：

2.3 载荷的简单计算

在兆瓦级风电机组中，永磁直驱机的机械结构相对比较简单，通过轮毂刚性连接3个叶片，并保持风轮的较小的仰角和不超过3°的锥角。当基本形体确定时，就可以进行载荷计算校核了。如图1所示。

在以上叶片坐标系图中，FZB表示沿径向叶片变桨距轴线方向的离心力与重力的合力；表示叶片气动转矩和叶片质量引起的离心力合力矩。

FXB表示叶根的剪切力；MXB表示叶片在运转过程中的驱动力和停止运转时的惯性力矩。

FYB表示与主轴和叶片轴垂直的剪切力；MYB表示顺风方向叶片的弯矩。

3.风力发电机组动态载荷计算分析

3.1 作用于风轮叶片上的气动力

作用于风轮叶片上的气动力是呈三角形分布的线性载荷：

以上公式中，r表示距叶轮轴的距离，Z表示风轮叶片的数量。上述气动力在悬臂式叶片的根截面产生的力的计算公式为：

3.2 阵风载荷

阵风载荷的计算方式基本上与正常载荷相同，只是需要对将风速乘以阵风系数kb=5/3，即：

结合风轮扫掠面积A上的平均压力，最终得出公式：

公式中vr表示额定风速。

3.3 斜风流或风梯产生的载荷

当风从机组的斜向吹来，则作用在风轮上的载荷计算公式为：

参考文献

[1]杜坡.兆瓦级风电机组的载荷计算与性能分析[D].沈阳工业大学，2015.

[2]刘冠麟，鄂加强，张彬.兆瓦级风电机组风力桨叶多学科设计优化[J].中南大学学报（自然科学版），2013（1）：140-148.

[3]陈棋，翁海平，吴晨.大型风电机组轮毂疲劳分析方法的研究[J].太阳能学报，2015（9）：2263-2268.

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