1.0 MW變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)改型*

楊建秋，陳 寧

(蘭州電機(jī)股份有限公司 風(fēng)電產(chǎn)品辦公室， 甘肅 蘭州 730050)

1.0 MW變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)改型*

楊建秋，陳 寧

(蘭州電機(jī)股份有限公司 風(fēng)電產(chǎn)品辦公室， 甘肅 蘭州 730050)

通過(guò)闡述蘭電(LEC)與沈工大風(fēng)能研究所合作研制的FD60-1000樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案，介紹主要部件風(fēng)輪、葉片翼型、塔筒改型為FD65-1000風(fēng)電機(jī)組，通過(guò)試驗(yàn)得到低風(fēng)速頻率集中的地域，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量明顯比樣機(jī)的發(fā)電量要高，而且在接近額定風(fēng)速區(qū)域功率曲線時(shí)基本和設(shè)計(jì)的理論功率曲線接近吻合，通過(guò)葉片改型氣動(dòng)外形和分析效果良好。

風(fēng)電機(jī)組；風(fēng)輪；葉片改型

1 引 言

風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要構(gòu)件，在復(fù)雜的氣候和地理環(huán)境下，葉片通過(guò)翼型氣動(dòng)，產(chǎn)生空氣動(dòng)力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪的功率特性對(duì)輸出功率大小、風(fēng)能利用系數(shù)、發(fā)電能力有至關(guān)重要的作用，也直接影響著可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2 1.0 MW風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)改型

2004年蘭電自主研制成功1.0 MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，配套于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所承擔(dān)的國(guó)家863計(jì)劃——“SUT-1000型變速恒頻風(fēng)力機(jī)組(1.0 MW)”，實(shí)現(xiàn)了兆瓦級(jí)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的首次國(guó)產(chǎn)化，于2005年7月成功并網(wǎng)發(fā)電。2006年10月通過(guò)科技部驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求。

同時(shí)將這一自主研制的技術(shù)應(yīng)用于沈工大風(fēng)能所的1.0 MW變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，與蘭電合作研制項(xiàng)目編號(hào)0801GKDA056，首臺(tái)型號(hào)FD60-1000風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)，已于2007年3月在玉門(mén)潔源風(fēng)電場(chǎng)成功并網(wǎng)發(fā)電，經(jīng)歷一年多時(shí)間運(yùn)行，由丹麥Mita WP4100控制系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在額定風(fēng)速時(shí)實(shí)際功率曲線達(dá)不到設(shè)計(jì)的理論功率曲線。

分析顯示影響風(fēng)力機(jī)輸出功率大小的直接原因是風(fēng)輪功率特性，而風(fēng)輪功率特性又取決于風(fēng)輪葉片氣動(dòng)外形[2]。

通過(guò)對(duì)葉片翼型進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，2010年7月將改型后的風(fēng)輪安裝在玉門(mén)潔源風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電。

改型機(jī)組的后風(fēng)輪的空氣動(dòng)力性能獲得了較高的風(fēng)能利用系數(shù)和發(fā)電能力。此外提高了風(fēng)輪的安裝高度及風(fēng)電場(chǎng)址選擇等多種因素，對(duì)機(jī)組重新進(jìn)行載荷計(jì)算，滿足機(jī)組安全要求。

2010年2月再次將塔筒增高，改型設(shè)計(jì)了型號(hào)FD65-1000風(fēng)機(jī)，10臺(tái)小批量在甘肅景泰興泉風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電，同樣應(yīng)用丹麥Mita WP4100控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)際功率曲線基本接近設(shè)計(jì)的理論功率曲線，發(fā)電量明顯高于改型前的發(fā)電量。

3 玉門(mén)低窩鋪和景泰興泉風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力資源

甘肅玉門(mén)低窩鋪、景泰興泉?dú)庀笥^測(cè)站主要?dú)庀笠靥卣髦到y(tǒng)計(jì)表如表1所列。

表1 氣象要素特征值統(tǒng)計(jì)表

表1(續(xù))

兩地域的風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址風(fēng)能分布集中，風(fēng)能資源接近，蘭電1.0 MW風(fēng)電機(jī)組適用于甘肅景泰興泉風(fēng)電場(chǎng)。

4 風(fēng)電機(jī)組基本參數(shù)

FD60-1000和FD65-1000風(fēng)電機(jī)組改型前、后基本參數(shù)對(duì)比如表2所列。

表2 機(jī)組基本參數(shù)表

5 機(jī)組改型部件風(fēng)輪和葉片翼型及塔筒

FD60-1000和FD65-1000風(fēng)電機(jī)組改型前、后風(fēng)輪和葉片參數(shù)對(duì)比如表3所列。風(fēng)輪直徑60.62 m、掃風(fēng)面積2 886 m2改進(jìn)為直徑64.42 m、掃風(fēng)面積3 257 m2，葉片長(zhǎng)度由29.1 m改進(jìn)為31 m，采用中材科技Sinoma31型號(hào)，翼形DU、AE系列+NACA 63，風(fēng)輪直徑增加4 m，面積增加371.7 m2，葉片扭角也相應(yīng)增加。葉片翼形改型后，在低風(fēng)速下，F(xiàn)D65-1000機(jī)組的發(fā)電量明顯比FD60-1000機(jī)組的發(fā)電量要高，且在接近額定風(fēng)速區(qū)域，F(xiàn)D65-1000風(fēng)機(jī)的功率曲線基本接近設(shè)計(jì)的理論功率曲線。

葉片翼形改型前FD60-1000機(jī)組和葉片改翼形型后FD65-1000機(jī)組理論功率曲線，如圖1、2所示；與風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組使用Mita WP4100控制系統(tǒng)軟件，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出實(shí)際功率曲線比較如圖3、4所示。

表3 風(fēng)輪和葉片參數(shù)表

圖1 FD60-1000機(jī)組理論功率曲線 圖2 FD65-1000機(jī)組理論功率曲線

圖3 FD60-1000機(jī)組軟件統(tǒng)計(jì)功率曲線

圖4 FD65-1000風(fēng)電機(jī)組軟件統(tǒng)計(jì)功率曲線

根據(jù)景泰興泉?dú)庀缶仲Y料統(tǒng)計(jì)，65 m高度風(fēng)速頻率集中在3.0～9.0 m/s ，其次集中在10～11.0 m/s。3.0 m/s以下和21.0 m/s以上的無(wú)效風(fēng)速和破壞性風(fēng)速少, 年內(nèi)變化小。采用WASP9.0軟件推算到預(yù)裝風(fēng)電機(jī)組輪轂高度61.5 m年平均風(fēng)速為7.52 m/s，平均風(fēng)功率密度為512 W/m2；65 m年平均風(fēng)速為7.59 m/s，平均風(fēng)功率密度為521 W/m2，所以重新設(shè)計(jì)塔筒，由原設(shè)計(jì)57.19 m改進(jìn)63.3 m，輪轂高度增加至65.037 m，并將圓錐式管狀鋼塔由兩節(jié)改為三節(jié)，通過(guò)載荷計(jì)算，整機(jī)固有頻率不會(huì)引起機(jī)組共振，同時(shí)便于運(yùn)輸。

6 葉片翼型改型和分析

6.1 葉片主要截面尺寸

FD65-1000風(fēng)電機(jī)組改型采用了DU、AE系列+NACA 63翼型，Sinoma31葉片的截面位置不同，選擇翼型也不同，目的是在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下獲得最佳的氣動(dòng)性能，幾何尺寸如表4所列。

表4 Sinoma31葉片幾何尺寸 /mm

6.2 葉片截面位置與弦長(zhǎng)扭角和相對(duì)厚度分布

Sinoma31葉片考慮到強(qiáng)度要求，沿著葉片展向，選擇不同的翼型。葉尖處是葉片能獲取風(fēng)能最多的部位，故選擇升阻比高的薄翼型，同時(shí)翼型應(yīng)具備良性的失速特性、表面粗糙度靈敏度低、低噪聲的特點(diǎn)；中部選擇較厚且氣動(dòng)性能優(yōu)良的翼型；在葉根處則要重點(diǎn)考慮強(qiáng)度及與輪轂的連接，故選擇更厚的翼型。

葉片截面位置與弦長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)角分布和相對(duì)厚度如圖5～7所示。

圖5 葉片弦長(zhǎng)分布 圖6 葉片扭角分布

6.3 葉片平面圖

葉片平面圖如圖8所示。

圖7 葉片相對(duì)厚度分布 圖8 葉片平面

6.4 葉片三維模型

葉片三維模型如圖9所示。

圖9 葉片三維圖

6.5 葉片分析結(jié)果

葉片模態(tài)分析頻率計(jì)算，靜強(qiáng)度態(tài)分析如圖10、11所示。

圖10 葉片模態(tài)分析頻率計(jì)算 圖11 葉片靜強(qiáng)度態(tài)分析

葉片依據(jù)IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)GL規(guī)范，經(jīng)過(guò)模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)校核、設(shè)計(jì)載荷計(jì)算與載荷分析，功率曲線發(fā)電量分析等，滿足強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，避免共振，減小振動(dòng)及原有軸承能夠承載葉片改型后的載荷變化。

7 總 結(jié)

改型的FD65-1000風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)試后運(yùn)行16個(gè)月，風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，2011年4～10月的可利用率、發(fā)電量統(tǒng)計(jì)如表5所列。

機(jī)組去除其它允許停機(jī)的原因外，可利用率達(dá)到97%。蘭電改型后的FD65-1000變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由2010年底安裝、調(diào)試、控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行至今，機(jī)組的氣動(dòng)效率、年發(fā)電量、可利用率滿足設(shè)計(jì)要求，額定風(fēng)速的功率曲線符合設(shè)計(jì)值。

表5 機(jī)組可利用率和發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表

注：①四月份機(jī)組進(jìn)行調(diào)試工作；②6#機(jī)組變槳控制柜備件從國(guó)外采購(gòu)；③九月份對(duì)10臺(tái)機(jī)組進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)。

[1] 熊禮儉.風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)科技文化出版社，2005.

[2] 賀德馨.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

Design Modification of 1.0MW Variable Speed Constant Frequency Wind Turbine

YANG Jian-qiu， CHEN Ning

(TheOfficeforWindPowerProducts,LanzhouElectricCo.,Ltd,LanzhouGansu730050,China)

According to the FD60-1000 prototype design scheme which is developed by LEC and SUT , the modified FD65-1000 wind turbine which including wind rotor, the blades shape and tower modification is mainly introduced. Then the low wind speed frequency area from test is got，and It′s much better than prototype wind turbine in generating capacity. Furthermore, the actual power curve is as same as the theoretical design in the rated wind speed area. So it is verified that it had a good result for blades shape modification and analysis.

wind turbine; wind turbine; blade modification

2013-11-08

楊建秋(1964-)，男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事風(fēng)電機(jī)組機(jī)械設(shè)計(jì)方面的工作。

TM315

A

1007-4414(2014)01-0051-03