風力發(fā)電機組載荷計算的研究

風力發(fā)電機組載荷計算的研究

0風機和發(fā)電機風能發(fā)電裝置（風能機）用于吸收風，將風能轉(zhuǎn)化為風輪的旋轉(zhuǎn)機械能，然后通過電機將機械能轉(zhuǎn)化為能，并將能源轉(zhuǎn)輸給電網(wǎng)。這是一個高科技和復(fù)雜的產(chǎn)品。風載是風力發(fā)電機組的外部載荷源。風速、風向的不穩(wěn)定性和葉片的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)相互耦合,使葉片受到的空氣動力載荷非常復(fù)雜。這些載荷通過輪轂傳遞到其他部件,如主軸、發(fā)電機、主機架、塔筒、基礎(chǔ)等,對風力機的工作性能和結(jié)構(gòu)疲勞壽命產(chǎn)生很大的影響。有人形象地把風力發(fā)電機組比喻為“野外疲勞試驗機”。對于大型風力發(fā)電機組,除葉片產(chǎn)生的氣動載荷外,由于機艙和塔筒的迎風面積較大,也會產(chǎn)生一定的氣動載荷。風力發(fā)電機組的載荷仿真計算是風力機設(shè)計中的一項重要工作,特別是對于大、中型風力機,其意義更為重大。1風力機設(shè)計載荷在風力發(fā)電機組的研發(fā)過程中,載荷計算作為一項基礎(chǔ)性工作,其作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面:(1)設(shè)計:提供部件強度分析、結(jié)構(gòu)動力分析及疲勞壽命計算的載荷依據(jù),確保各部件承載在設(shè)計極限內(nèi);通過優(yōu)化運行載荷,提高機組的可靠性。風力機是具有高動態(tài)載荷的動力系統(tǒng),標準規(guī)定其設(shè)計壽命通常為20年,也就是說必須保證風力機安全可靠運行20年。它必須承擔設(shè)計壽命內(nèi)由交變應(yīng)力產(chǎn)生的載荷以及可能產(chǎn)生的破壞。要確保機組在設(shè)計壽命內(nèi)能夠正常運行,必須得到合理、可靠的載荷數(shù)據(jù)。(2)認證:確保載荷計算應(yīng)用了適當?shù)姆椒?工況假定全面且符合標準要求;結(jié)果真實可靠。載荷計算報告是風力發(fā)電機組認證必須提交和確認的文件。風力發(fā)電機組作為一個復(fù)雜的系統(tǒng),子系統(tǒng)之間相互影響、相互耦合,風力發(fā)電機組各子系統(tǒng)關(guān)系見圖1。為確保其設(shè)計的可靠性,必須合理建立整機的力學(xué)模型,并根據(jù)相關(guān)標準對風力發(fā)電機組的各種運行狀態(tài)以及外部風況(正常風況和極端風況)進行模擬,得到各種工況下的載荷歷程,并通過處理,得到各部件用于極限強度計算的極端載荷和用于疲勞壽命計算的等效疲勞載荷。目前國際上有關(guān)風力發(fā)電機組設(shè)計、認證的規(guī)范、標準等,對風力機設(shè)計載荷工況(DLC)做了具體規(guī)定,主要有:①國際電工協(xié)會制定的IEC61400-1標準《風力發(fā)電機組第一部分設(shè)計要求》;②德國勞埃德船級社(GL)制定的《風力發(fā)電機組認證規(guī)范》;③丹麥制定的DS472標準《風力機結(jié)構(gòu)安全和載荷實施規(guī)則》。我國根據(jù)相關(guān)國際標準,制定了GB18451.1-2001《風力發(fā)電機組安全要求》,中國船級社也制定了用于認證的“風力發(fā)電機組規(guī)范2008”。還有適用于海上風力發(fā)電機組的標準和規(guī)范,如:IEC61400-1;GLGuideline(Offshore)2005;DNV-OS-J101等。2載荷計算模式概括起來,作用在風力發(fā)電機組上的載荷主要包括:(1)空氣動力載荷:空氣動力是風力發(fā)電機組載荷的主要來源,其大小與發(fā)電功率直接相關(guān)。(2)重力載荷:重力是施加在葉片上的一個重要力,而機艙重量對塔架設(shè)計和機組安裝非常重要。(3)慣性載荷(離心力和陀螺力):葉片旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生離心力,葉片旋轉(zhuǎn)時進行偏航會產(chǎn)生陀螺力,偏航速率越高,陀螺力越大。(4)操縱載荷:風力發(fā)電機組在運行過程中,剎車、偏航、變槳、脫網(wǎng)等動作都會引起機組結(jié)構(gòu)和部件載荷的波動。(5)其他載荷(波浪載荷和結(jié)冰載荷等)。設(shè)計風力發(fā)電機組時,必須考慮相應(yīng)的外部條件,外部條件包括風力發(fā)電機組經(jīng)受的環(huán)境條件和電力條件。環(huán)境條件可進一步分為風況和其他外部條件;電力條件是指電網(wǎng)的狀況。每種類型的外部條件又可分為正常外部條件和極端外部條件。正常外部條件是指經(jīng)常發(fā)生的概率事件,即長時期的結(jié)構(gòu)受載和運行狀態(tài);而極端外界條件是指50年發(fā)生一次的概率事件,是極少發(fā)生的極端的結(jié)構(gòu)受載和運行狀態(tài)。對于大型風力發(fā)電機組來說,風資源外部條件是決定載荷的主要因素,其極端風況模擬及仿真的正確性非常重要。根據(jù)IEC61400-1規(guī)定,在設(shè)計計算時,必須考慮載荷慣性力和重力載荷;由振動、旋轉(zhuǎn)或地震作用產(chǎn)生的靜態(tài)和動態(tài)力、空氣動力學(xué)載荷、瞬時操作載荷、其他載荷(波載,尾流載荷,沖擊載荷,冰載)以及氣動彈性運行載荷對控制保護系統(tǒng)的影響。完整的設(shè)計載荷工況(DLC)由不同的風力機工作狀態(tài)和不同的外部條件組合而成,主要包括:①風力機正常工作狀態(tài)與正常外部條件組合;②風力機故障工作狀態(tài)與正常外部條件組合;③風力機正常工作狀態(tài)與極端外部條件組合;④運輸、安裝、維修工況與相應(yīng)的外部條件組合。載荷計算風況分為正常風況和極端風況兩大類。正常風況包括:正常風廓線模型(NWP)、正常湍流模型(NTM);極端風況包括:極端湍流模型(ETM)、極端風模型(EWM)、極端操作陣風(EOG)、極端方向變化(EDC)、帶方向變化的極端相關(guān)陣風(ECD)、極端風切變模型(EWS)等,各種風況模型在相關(guān)標準中有詳細規(guī)定。圖2為按照GL規(guī)范定義的一年一遇的輪轂中心風速vhub=25m/s的極端操作陣風(EOG)。在大型風力發(fā)電機組的開發(fā)初期,經(jīng)初步概念設(shè)計確定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和總體參數(shù)后,即進入初步設(shè)計階段。初步設(shè)計階段的第一步是進行風輪的氣動力學(xué)設(shè)計,即葉片的氣動力外形設(shè)計和風輪性能計算,得到葉片的載荷。以葉片的載荷為基礎(chǔ),即可計算輪轂的載荷、主軸的載荷、齒輪箱的載荷、機架的載荷等。再結(jié)合機艙的氣動力和機艙內(nèi)各部件的質(zhì)量,計算出偏航軸承的載荷和傳遞給塔架的載荷,結(jié)合塔架的氣動力分布計算出塔架的載荷分布及基礎(chǔ)載荷。3cfd對風力機氣動特性的數(shù)值計算計算風力發(fā)電機組的氣動載荷主要包括動量—葉素理論、CFD等方法。動量—葉素理論形式比較簡單,計算量小,便于工程應(yīng)用和估算機組初始設(shè)計時整機的氣動性能,被廣泛應(yīng)用于風力發(fā)電機組的設(shè)計和性能計算,而且還被用來確定風力發(fā)電機組的動態(tài)載荷,并不斷地被改進和完善。而CFD數(shù)值計算不需要對數(shù)學(xué)模型作近似處理,可直接對流體運動進行數(shù)值模擬,從物理意義上說,應(yīng)該是最全面準確地計算風力機氣動特性的方法。但是,由于計算工作量極大、數(shù)值計算的穩(wěn)定性、欠佳等原因,目前CFD法還未成為風力機氣動設(shè)計和研究的日常工具,但隨著有限元軟件及計算機性能的不斷提升,這一方法正逐漸被廣泛應(yīng)用。目前,風力發(fā)電機組的載荷計算主要通過專用軟件進行,如GHBladed、AeroFlex5、FAST等。其中,GHBladed軟件是最權(quán)威、用戶最多的軟件之一,它是一個整合的計算工具包,具有基于Windows的圖形化操作界面,用于對陸上和海上的水平軸風力機進行設(shè)計和認證所需的性能和載荷仿真計算,已通過GL認證。圖3為GHBladed軟件的菜單模塊和計算模塊。4載荷計算結(jié)果是由多次分風力發(fā)電機組的載荷計算涉及大