水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要載荷的確定方法

李飛飛 嚴(yán) 晗 張 巖 孟園園/沈陽(yáng)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要載荷的確定方法

李飛飛 嚴(yán) 晗 張 巖 孟園園/沈陽(yáng)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司

風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在十分復(fù)雜的環(huán)境下，所承受的載荷情況也很繁雜，主要包括空氣動(dòng)力載荷、重力載荷和慣性載荷。為了保證風(fēng)力機(jī)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)得以正常運(yùn)行，必須對(duì)風(fēng)力機(jī)主要載荷進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行載荷計(jì)算是水平軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)性工作，也是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和分析工作的前提。因此，本文對(duì)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要載荷的確定方法做了具體分析。

水平軸；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；載荷；確定方法

一、風(fēng)力機(jī)的負(fù)載來(lái)源

（一）重力

重力是施加在葉片上的一個(gè)重要力，尤其對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，機(jī)艙重量對(duì)塔架設(shè)計(jì)和機(jī)組安裝非常重要。

（二）氣動(dòng)力

氣動(dòng)力是負(fù)載的主要來(lái)源，與功率產(chǎn)生有關(guān)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮為大風(fēng)和引起疲勞損壞的氣動(dòng)負(fù)載。大風(fēng)時(shí)葉片靜止，此時(shí)阻力是主要考慮因素。葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，升力是主要考慮因素。

（三）慣性載荷

慣性荷載主要包括離心力和陀螺力。由于部件運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力，葉片旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生離心力。葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)行偏航會(huì)產(chǎn)生陀螺力，在偏航速率高時(shí)，陀螺力會(huì)很大。

（四）控制系統(tǒng)的運(yùn)行載荷

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，由控制產(chǎn)生的載荷，如剎車(chē)、偏航、變距、脫網(wǎng)動(dòng)作等，都會(huì)引起機(jī)組結(jié)構(gòu)和部件上的負(fù)載變化。

二、水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要載荷的確定方法

（一）風(fēng)力機(jī)葉輪的基本載荷

風(fēng)力機(jī)依靠葉輪將風(fēng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，葉輪是風(fēng)力機(jī)最主要的承載部件。葉輪主要承受著三種力，即重力、離心力和空氣動(dòng)力。

1.空氣動(dòng)力載荷。

葉輪上的空氣動(dòng)力是風(fēng)發(fā)電機(jī)最關(guān)鍵的動(dòng)力來(lái)源，同時(shí)也是各零部件載荷的主要來(lái)源。因此，想要計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的載荷，就必須提前計(jì)算出作用在葉片上的空氣動(dòng)力。計(jì)算作用在葉片翼型上的空氣動(dòng)力的主要理論依據(jù)是葉素理論。

在葉片坐標(biāo)系中，根據(jù)葉素理論，葉片上每單位長(zhǎng)度的輪廓斷面的空氣動(dòng)力為：

而在葉根坐標(biāo)系中，作用在葉片單位長(zhǎng)度的空氣動(dòng)力載荷為：

其中，ρ為空氣密度，W為垂直來(lái)流風(fēng)速，C為弦長(zhǎng)，Cl為剖面翼型升力系數(shù)，Cd為阻力系數(shù)，α為攻角。

空氣動(dòng)力彎矩為：

空氣動(dòng)力扭矩為：

其中，R為葉輪半徑，r為葉根距葉輪中心的距離，P為翼型壓力中心，C為扭轉(zhuǎn)中心，并假設(shè)使安裝角減小的方向?yàn)镸x-ba的正方向。

2.重力載荷。

葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，始終要承受重力作用，重力在各坐標(biāo)軸的分力，隨著葉片旋轉(zhuǎn)方位角的不同而不同，并且由于軸傾角的存在，還需要計(jì)算重力在葉輪旋轉(zhuǎn)面上的分力。

在葉片坐標(biāo)系中，葉片上每單位長(zhǎng)度上的輪廓斷面的重力在各坐標(biāo)軸的分力為：

在葉根坐標(biāo)系中，重力載荷計(jì)算重力拉力為：

重力剪力為：

重力彎矩為：

重力扭矩為：

其中，m為葉片單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，ω為葉片旋轉(zhuǎn)角速度，β為葉片安裝角，G為重心。

而且，因?yàn)檩S傾角δ一般為4°左右，相對(duì)較小，為計(jì)算簡(jiǎn)便，可以選擇忽略重力在垂直于葉輪旋轉(zhuǎn)平面的分力。

3.慣性載荷。

葉片上的慣性載荷包括離心力和陀螺力。由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用在葉片上的離心力總是沿葉片向外的。當(dāng)作用在葉片上的揮舞方向彎矩使柔性葉片偏離風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面時(shí)，葉片上的離心力在揮舞方向產(chǎn)生的彎矩，可以減小葉片的偏離，這就是離心力剛化葉片效應(yīng)。

其中，er為葉根坐標(biāo)系和輪轂坐標(biāo)系原點(diǎn)的間距。

（二）風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的主要載荷

塔架主要承受作用在葉輪的空氣動(dòng)力、離心力，機(jī)艙和葉輪的重力，由于葉輪偏心、風(fēng)速分布不均勻，而引起的俯仰力矩，以及偏航時(shí)產(chǎn)生的陀螺力矩等?？諝鈩?dòng)力產(chǎn)生的軸向推力為：

由于葉輪中心和塔架中心存在水平間距和垂直間距，因此作用在葉輪上的空氣動(dòng)力和離心力使塔架產(chǎn)生偏航力矩和俯仰力矩為：

由于風(fēng)速存在垂直梯度而使塔架產(chǎn)生的俯仰力矩為：

由葉輪的重量造成的俯仰力矩為：

其中，en水平間距，ek垂直間距，V1為塔架頂部，V2為底部的風(fēng)速。

當(dāng)葉輪發(fā)生偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生陀螺力矩，這是塔架偏航力矩的主要組成部分，陀螺力矩有三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量。

其一，在葉輪軸上的力矩為：

其二，作用在葉片上的陀螺力矩為：

其三，作用在偏航軸上的力矩與作用在葉片上的陀螺力矩相等。

（三）風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)件載荷的確定

為了確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)件的載荷，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)承受的主要載荷分別向各坐標(biāo)系的X、Y、Z軸疊加，具體如表1所示。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要載荷在各坐標(biāo)系的疊加

根據(jù)疊加結(jié)果分析，可以確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)件的載荷，從而為風(fēng)力發(fā)電機(jī)及構(gòu)件的設(shè)計(jì)、分析奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。首先，利用葉片坐標(biāo)系，能夠精確的計(jì)算出葉片各剖面的受力情況，從而為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性、氣動(dòng)性能的分析奠定基礎(chǔ)。其次，葉根坐標(biāo)該坐標(biāo)系的計(jì)算結(jié)果，不僅可以用于分析葉根與延長(zhǎng)節(jié)連接部分的受力情況，還能夠用于輪轂、延長(zhǎng)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算。再次，根據(jù)輪轂坐標(biāo)系的疊加結(jié)果，能夠計(jì)算輪轂所受的載荷，從而用于傳動(dòng)系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。最后，塔架坐標(biāo)系的疊加結(jié)果，能夠計(jì)算塔架、底座的載荷，還可以用于分析塔架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性等。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，所承受的載荷十分復(fù)雜，不僅要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的荷載和主要構(gòu)件的荷載，還要充分考慮其運(yùn)行狀態(tài)的變化、溫度的變化、環(huán)境的變化，以及地震等自然因素對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所承受的主要載荷的確定，對(duì)于設(shè)計(jì)、校正和分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)起著非常重要的作用。所以，必須加強(qiáng)對(duì)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要荷載的計(jì)算和確定。

[1]吳樹(shù)梁,于良峰,李鋼強(qiáng).水平軸風(fēng)電機(jī)組輪轂疲勞損傷計(jì)算方法[J].風(fēng)機(jī)技術(shù).2012(03).

[2]徐文.大型水平軸風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析[J].水電與新能源.2011(05).

[3]顧榮蓉,蔡新,朱杰,潘盼,范欽珊.水平軸風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)發(fā)展概述[J].能源技術(shù).2010(04).