定槳距風(fēng)電機(jī)組葉根加長(zhǎng)改造評(píng)估

楊勁 謝偉 張偉 王壽福 楊松圣

我國(guó)風(fēng)能資源豐富，陸上風(fēng)電主要分布于“三北”（東北、華北、西北）地區(qū)、東南沿海地區(qū)以及內(nèi)陸局部地區(qū)，其中，“三北”地區(qū)風(fēng)能儲(chǔ)量占全國(guó)陸上風(fēng)能儲(chǔ)量的79%。隨著全球變暖，兩極與赤道的溫差縮小，全球風(fēng)速都在變小。有研究指出近50年來(lái)除青藏高原及其東部和東南地區(qū)年平均風(fēng)速不存在顯著線性變化外，我國(guó)大部分地區(qū)年平均風(fēng)速呈明顯的減小趨勢(shì)。加上葉片老化，國(guó)內(nèi)存量約萬(wàn)臺(tái)的定槳距風(fēng)電機(jī)組大部分處于欠發(fā)狀態(tài)。出于經(jīng)濟(jì)考慮，運(yùn)營(yíng)商希望通過(guò)技術(shù)手段，對(duì)原葉片進(jìn)行技術(shù)改造以提升其發(fā)電性能。

目前，較為成熟的技術(shù)改造方法有葉片加長(zhǎng)和加裝增功組件兩種。相當(dāng)一部分研究表明，葉片加長(zhǎng)能夠有效地提升葉片的發(fā)電性能。例如，山西某風(fēng)電場(chǎng)數(shù)臺(tái)進(jìn)行了葉片加長(zhǎng)技術(shù)改造的機(jī)組，發(fā)電量增幅達(dá)到5%以上。然而，葉片加長(zhǎng)也會(huì)帶來(lái)整機(jī)載荷的增加。鑒于目前關(guān)于葉片加長(zhǎng)對(duì)整機(jī)載荷及安全性影響的研究相對(duì)較少，本文對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)750kW定槳距風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行葉根加長(zhǎng)技術(shù)改造，并從整機(jī)角度分析技改機(jī)組的載荷、強(qiáng)度和發(fā)電性能，從而評(píng)估該方法的可行性，也為葉根加長(zhǎng)方案的實(shí)施提供理論依據(jù)。

理論基礎(chǔ)

風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能主要通過(guò)年發(fā)電量進(jìn)行評(píng)估。年發(fā)電量取決于風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速分布。

一、輸出功率

從接收風(fēng)能的風(fēng)輪端到輸出電能的電機(jī)端，中間要經(jīng)過(guò)空氣動(dòng)力、傳動(dòng)鏈、電機(jī)的轉(zhuǎn)化，最終電機(jī)端實(shí)際的輸出功率可表示為：

葉根加長(zhǎng)方案設(shè)計(jì)與評(píng)估

一、葉根加長(zhǎng)節(jié)設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)電場(chǎng)的環(huán)境、整機(jī)參數(shù)，對(duì)750kW定槳距風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行葉根加長(zhǎng)技術(shù)改造。葉根加長(zhǎng)節(jié)的設(shè)計(jì)步驟如圖1所示。

根據(jù)發(fā)電量增益需求和設(shè)計(jì)載荷的限制，使用Bladed進(jìn)行載荷計(jì)算與動(dòng)態(tài)年發(fā)電量評(píng)估，同時(shí)結(jié)合整機(jī)各部件的強(qiáng)度校核，不斷計(jì)算迭代，獲得最佳的葉片長(zhǎng)度。最終確定加長(zhǎng)節(jié)長(zhǎng)度為650mm，葉片由24m增加到24.65mo加長(zhǎng)節(jié)采用圓筒形式并通過(guò)長(zhǎng)螺栓固定，如圖2所示。

其中原機(jī)組型號(hào)為原50-750，技改機(jī)組型號(hào)為改51.3-750。技改機(jī)組的整機(jī)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置Bladed整機(jī)模型，并將技改后的葉片模型輸入到Bladed中。以GL2010標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，計(jì)算該模型的極限、疲勞等工況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)整機(jī)的功率、載荷、強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

二、計(jì)算結(jié)果評(píng)估

（一）整機(jī)載荷與強(qiáng)度分析

由于葉片加裝葉根加長(zhǎng)節(jié)，導(dǎo)致了整機(jī)載荷的增加。通過(guò)統(tǒng)計(jì)各個(gè)工況下的載荷計(jì)算結(jié)果，獲得技改機(jī)組各個(gè)部件的關(guān)鍵載荷，并與原機(jī)組的設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

葉根Mxy主要用于輪轂強(qiáng)度分析：旋轉(zhuǎn)輪轂和固定輪轂的M=K、Myz主要用于主軸、機(jī)架、主軸承座和各位置連接螺栓等部件的強(qiáng)度分析：塔架頂部的Mxy主要用于偏航系統(tǒng)和塔頂法蘭的強(qiáng)度分析。由表2對(duì)比結(jié)果可知，技改機(jī)組所有關(guān)鍵載荷均小于原設(shè)計(jì)載荷，因此技改機(jī)組的整機(jī)強(qiáng)度滿足正常運(yùn)行要求。但輪轂Mx載荷與原設(shè)計(jì)載荷十分接近，額外增加葉根加長(zhǎng)節(jié)長(zhǎng)度可能造成輪轂載荷超限，進(jìn)而導(dǎo)致輪轂與主軸連接螺栓強(qiáng)度不足。

（二）葉根加長(zhǎng)節(jié)與連接螺栓強(qiáng)度校核

1.葉根加長(zhǎng)節(jié)強(qiáng)度校核

葉根加長(zhǎng)節(jié)兩端分別與槳葉和輪轂相連，如圖3所示，加長(zhǎng)節(jié)坐標(biāo)系與葉根坐標(biāo)系一致。葉根加長(zhǎng)節(jié)采用內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示，該結(jié)構(gòu)使用Q345E鋼板加工而成，屈服強(qiáng)度為335MPa。

葉根加長(zhǎng)節(jié)與輪轂連接處（以下簡(jiǎn)稱加長(zhǎng)節(jié)底部）的載荷計(jì)算如下式所示：

加長(zhǎng)節(jié)采用Q345E鋼板加工而成，屈服強(qiáng)度為335MPa;安全系數(shù)采用1.1，則許用應(yīng)力為304.5MPa。因此，葉根加長(zhǎng)節(jié)最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

2.連接螺栓強(qiáng)度校核

葉根加長(zhǎng)節(jié)連接螺栓強(qiáng)度校核采用工程算法，假設(shè)工作載荷全部由螺栓承受，計(jì)算公式如下：

本次技改所采用的連接螺栓為M30，細(xì)桿直徑為27mm，扭矩為1350，扭矩系數(shù)為0.12～0.14。根據(jù)上述公式，可得到螺栓截面應(yīng)力σbolt為874.86MPa，小于螺栓許用截面應(yīng)力940MPa，滿足強(qiáng)度要求。

（三）氣動(dòng)性能評(píng)估

通過(guò)Bladed計(jì)算仿真得出原50-750與改51.3-750機(jī)組的靜態(tài)功率曲線，如圖5所示?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)葉片加長(zhǎng)，改51.3-750機(jī)組在各個(gè)風(fēng)速段功率值都高于原50-750機(jī)組。尤其在15m/s之后的風(fēng)速段，原50-750機(jī)組功率始終處于650～670kW，最大為669kW。而改5 1.3-750機(jī)組在15m/s之后的功率為730～745kW，最大功率為745kW。

對(duì)于機(jī)組年發(fā)電量的評(píng)估不僅需要考慮功率，還需將風(fēng)電場(chǎng)的平均風(fēng)速和風(fēng)頻分布考慮在內(nèi)。經(jīng)考察，兩機(jī)組的理論年期望功率，如圖6所示。

從圖中可以看出，兩機(jī)組年期望功率曲線與瑞利分布基本一致。雖然如圖5所示，在10～12m/s風(fēng)速區(qū)間內(nèi)兩機(jī)組的功率差距并不明顯，但考慮風(fēng)頻分布后，在該風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，改51.3-750機(jī)組期望功率要明顯高于原50-750機(jī)組。計(jì)算得到改51.3-750機(jī)組年期望功率為232.73kW，比原50-750機(jī)組的219.84kW高出5.86%。

基于數(shù)據(jù)完整性與風(fēng)速相近評(píng)估原則，選取2013年作為技改前的代表年用于運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，量化評(píng)估技改后（2018年）增功情況?？紤]到風(fēng)速和實(shí)際發(fā)電時(shí)間不同對(duì)發(fā)電量存在影響，對(duì)風(fēng)速和發(fā)電時(shí)間進(jìn)行歸一化。其中，風(fēng)速歸一化指的是將技改和未技改機(jī)組在技改前后兩個(gè)時(shí)間段均按照一個(gè)特定的平均風(fēng)速計(jì)算其發(fā)電量;發(fā)電時(shí)間歸一化則是指將技改機(jī)組和未技改機(jī)組在技改前后均按照統(tǒng)一的發(fā)電時(shí)間求得發(fā)電量?；陲L(fēng)速、發(fā)電時(shí)間歸一化后的發(fā)電量對(duì)比如表3所示。

以未技改組數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，技改前技改組的發(fā)電量是未技改組的98.32%;技改后技改組的發(fā)電量是未技改組的104.38%。以技改前數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，技改后未技改組的發(fā)電量是技改前的96.30%;技改后技改組的發(fā)電量是技改前的102.24%。綜合考慮兩組樣本初始差異，假定兩組樣本結(jié)構(gòu)性能相同，可得技改機(jī)組發(fā)電量提升6.16%。

結(jié)論

本文針對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)750kW機(jī)組葉根加長(zhǎng)改造展開(kāi)研究。通過(guò)載荷計(jì)算、部件強(qiáng)度校核和發(fā)電性能增益評(píng)估，對(duì)加長(zhǎng)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化迭代，最終將加長(zhǎng)節(jié)定為650mm。在載荷與部件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，發(fā)電性能得到了較大的提升，計(jì)算結(jié)果如下所述：

（1）根據(jù)Bladed計(jì)算結(jié)果，技改機(jī)組所有部件的關(guān)鍵載荷均低于原設(shè)計(jì)載荷。其中輪轂Mx彎矩載荷已經(jīng)達(dá)至0原設(shè)計(jì)載荷的94.4%，葉根加長(zhǎng)節(jié)長(zhǎng)度接近上限，額外的加長(zhǎng)會(huì)造成輪轂與主軸連接螺栓強(qiáng)度不足。

（2）葉根加長(zhǎng)節(jié)采用Q345E鋼板，許用應(yīng)力為304.5MPa，葉根加長(zhǎng)節(jié)在極限載荷下的最大應(yīng)力為59.6MPa，小于許用應(yīng)力304.5MPa。加長(zhǎng)節(jié)連接螺栓最大應(yīng)力為874.86MPa，小于螺栓的許用應(yīng)力940MPa。葉根加長(zhǎng)節(jié)及連接螺栓強(qiáng)度均滿足強(qiáng)度要求。

（3）通過(guò)理論功率曲線對(duì)比可知，技改機(jī)組的理論功率較原機(jī)組有較大的提升，在風(fēng)速大于15m/s時(shí)尤為明顯。從期望功率的對(duì)比可知技改機(jī)組功率提升的較大風(fēng)速段為10～12m/s。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)年發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得出技改機(jī)組年發(fā)電量提升為6.16%。