兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的載荷計(jì)算與性能研究

李勇鋒

摘 要：作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，風(fēng)能逐漸成為近年來最受人們青睞的重要資源，由此也推進(jìn)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。風(fēng)電發(fā)電的核心部分是兆瓦級風(fēng)電機(jī)組，本文介紹了兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的性能研究現(xiàn)狀，以及目前相關(guān)技術(shù)中存在的問題，并就其載荷計(jì)算給出了公式。

關(guān)鍵詞：兆瓦級風(fēng)電機(jī)組；載荷計(jì)算；性能研究

中圖分類號：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

經(jīng)過長期的研發(fā)，兆瓦級風(fēng)電機(jī)組技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，風(fēng)機(jī)的容量、體積、長度、重量都與以往發(fā)生了較大改變，隨之而來的則是兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)載荷問題。由于風(fēng)電機(jī)組是通過葉片的升力向提供動力的，因此葉片強(qiáng)度的確定需要對其產(chǎn)生的重力、推力、離心力等載荷進(jìn)行計(jì)算而決定，這促使了相關(guān)技術(shù)人員在兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的載荷計(jì)算方面的研究。

1.風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的工況分析

1.1 塔架

塔架是風(fēng)電機(jī)組中的重要支撐部件，風(fēng)力機(jī)的高度調(diào)節(jié)以及機(jī)組中葉輪和機(jī)艙的支撐都由塔架完成。由于其作為機(jī)組重要的承載部件，需要滿足相關(guān)部件的支撐任務(wù)，因此在強(qiáng)度和剛度上需要一定的保障，以保證在惡劣的臺風(fēng)或暴風(fēng)天氣中保持機(jī)組的穩(wěn)定性。塔架的可靠性直接決定了風(fēng)力機(jī)的工作性能。

1.2 葉輪

風(fēng)電機(jī)組中的葉輪部分則3個(gè)葉片和輪轂連接組合而成，它負(fù)責(zé)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在這一部件中，輪轂的作用是將3個(gè)夾角為120°的外伸端與葉片及機(jī)艙中齒輪箱的主軸進(jìn)行固定連接，其形狀較為復(fù)雜，但是風(fēng)電機(jī)組中非常重要的部件。風(fēng)電機(jī)組葉片上承受的靜、動載荷都會通過外伸端向輪轂傳遞，由此也造成了輪轂復(fù)雜的受力情況。其主要承受來自葉片的載荷包括葉片本身的重力、離心力、剪切力、扭矩和各種疲勞載荷。輪轂的設(shè)計(jì)合理性對于保證機(jī)組的正常運(yùn)行和使用壽命具有關(guān)鍵性的意義。因此，針對輪轂的靜態(tài)分析和疲勞計(jì)算是非常必要的，相關(guān)數(shù)據(jù)是保證其設(shè)計(jì)合理性的重要依據(jù)。

1.3 機(jī)艙底座

作為風(fēng)電機(jī)組的承載部件，機(jī)艙底座負(fù)責(zé)相關(guān)設(shè)備中大軸、增速機(jī)齒輪箱及發(fā)電機(jī)等所有聞件的固定和支撐任務(wù)。在結(jié)構(gòu)形式上，可分為鑄造和焊接兩種。在機(jī)組所有的部件中，機(jī)艙底座的制造是相對簡單的，且具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、生產(chǎn)周期短的優(yōu)點(diǎn)。尤其是鑄造底座在強(qiáng)度、耐腐蝕性及吸振性方面的表現(xiàn)都較好，同時(shí)其原材料成本也較低，更有利于成本控制。由于在風(fēng)電機(jī)組的工作過程中，發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)會激勵(lì)機(jī)艙產(chǎn)生共振，因此機(jī)艙底座的牢固性非常重要，直接關(guān)系到了機(jī)組的安全性和壽命。

2.風(fēng)電機(jī)組基本載荷分析

2.1 風(fēng)電機(jī)組的載荷分類和來源

靜態(tài)負(fù)載：所謂靜態(tài)負(fù)載，指的是風(fēng)電機(jī)組在不轉(zhuǎn)動的情況下，施加在其結(jié)構(gòu)上各個(gè)部件的負(fù)載。

穩(wěn)態(tài)負(fù)載：即在風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動且其運(yùn)動結(jié)構(gòu)的負(fù)載不變的情況下，施加于其結(jié)構(gòu)上各個(gè)部件的負(fù)載。

周期載荷：指在具有一定規(guī)則的周期變化中，葉片的轉(zhuǎn)動引起的機(jī)動性組各結(jié)構(gòu)部件的負(fù)載，由此可知，負(fù)載變化周期與風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速變化之間的關(guān)系是呈整數(shù)倍變化的，由于風(fēng)電機(jī)組有3個(gè)葉片，因此周期負(fù)載也體現(xiàn)了3倍。

瞬載、動負(fù)載、動力沖擊：這是機(jī)組部件表現(xiàn)出的對瞬時(shí)外界負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)變負(fù)載，驅(qū)動鏈剎車就是比較典型的情況。

脈動載荷：短周期內(nèi)的是變負(fù)載，可以出現(xiàn)極大的尖峰值。

隨機(jī)負(fù)載：即在風(fēng)電機(jī)組上產(chǎn)生的隨機(jī)性的時(shí)變負(fù)載，一般可保持相對穩(wěn)定的平均值，但振幅很大。

諧振誘導(dǎo)負(fù)載：對風(fēng)電機(jī)組的固有頻率動態(tài)諧振響應(yīng)形成的周期負(fù)載，主要由機(jī)組的設(shè)計(jì)不合理或在惡劣情況下運(yùn)行而產(chǎn)生。

2.2 載荷源

一般情況下，兆瓦級風(fēng)電機(jī)的葉片為截面內(nèi)外翼型曲線的內(nèi)部空心加肋架構(gòu)，風(fēng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要載荷源，而自然界的風(fēng)是多變的，尤其是風(fēng)速對于風(fēng)電機(jī)組的葉片載荷狀態(tài)頻率有決定性的作用，因此需要對機(jī)組所在場地的風(fēng)速風(fēng)布情況進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)公式為：

表示平均風(fēng)速離地面高度為Z時(shí)的變化函數(shù)，結(jié)合正常風(fēng)廓線冪定律給出公式：

該公式可以確定垂直方向穿過風(fēng)輪掃掠面積的平均風(fēng)切度。

自然風(fēng)的風(fēng)速變化具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，不可能永遠(yuǎn)保持10min的平均風(fēng)速，這一現(xiàn)象被稱為“風(fēng)湍流”。風(fēng)電機(jī)組的湍流模型構(gòu)建即包括了風(fēng)速、風(fēng)向的變化，以及循環(huán)抽樣的影響，相關(guān)模型的構(gòu)建必須滿足以下條件：

2.2.1 縱向風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差的特性值公式為：

2.2.2 湍流縱向分量在接近慣性負(fù)區(qū)的高頻尾端時(shí)，其功主譜密度應(yīng)為漸進(jìn)形式：

2.3 載荷的簡單計(jì)算

在兆瓦級風(fēng)電機(jī)組中，永磁直驅(qū)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對比較簡單，通過輪轂剛性連接3個(gè)葉片，并保持風(fēng)輪的較小的仰角和不超過3°的錐角。當(dāng)基本形體確定時(shí)，就可以進(jìn)行載荷計(jì)算校核了。如圖1所示。

在以上葉片坐標(biāo)系圖中，F(xiàn)ZB表示沿徑向葉片變槳距軸線方向的離心力與重力的合力；表示葉片氣動轉(zhuǎn)矩和葉片質(zhì)量引起的離心力合力矩。

FXB表示葉根的剪切力；MXB表示葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的驅(qū)動力和停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力矩。

FYB表示與主軸和葉片軸垂直的剪切力；MYB表示順風(fēng)方向葉片的彎矩。

3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)載荷計(jì)算分析

3.1 作用于風(fēng)輪葉片上的氣動力

作用于風(fēng)輪葉片上的氣動力是呈三角形分布的線性載荷：

以上公式中，r表示距葉輪軸的距離，Z表示風(fēng)輪葉片的數(shù)量。上述氣動力在懸臂式葉片的根截面產(chǎn)生的力的計(jì)算公式為：

3.2 陣風(fēng)載荷

陣風(fēng)載荷的計(jì)算方式基本上與正常載荷相同，只是需要對將風(fēng)速乘以陣風(fēng)系數(shù)kb=5/3，即：

結(jié)合風(fēng)輪掃掠面積A上的平均壓力，最終得出公式：

公式中vr表示額定風(fēng)速。

3.3 斜風(fēng)流或風(fēng)梯產(chǎn)生的載荷

當(dāng)風(fēng)從機(jī)組的斜向吹來，則作用在風(fēng)輪上的載荷計(jì)算公式為：

參考文獻(xiàn)

[1]杜坡.兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的載荷計(jì)算與性能分析[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]劉冠麟，鄂加強(qiáng)，張彬.兆瓦級風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力槳葉多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（1）：140-148.

[3]陳棋，翁海平，吳晨.大型風(fēng)電機(jī)組輪轂疲勞分析方法的研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2015（9）：2263-2268.