空氣密度、年平均風(fēng)速對風(fēng)電機組塔筒定制化載荷的影響

中圖分類號：TM315 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）13-0064-04

Abstract：Inthecustomizeddesignoftowerbarrel，theultimateloadofclosingbendingmomentandthefatigueequivalent loadof pitching bending momentarethemainloadsthataffctthecustomizeddesignoftowerbarelInordertostudythe efectsofairdensityandanualaveragewindspeedonthebotomloadofclosing bending momentlimitandthefatigue equivalentloadofthebottompitchbendingmoment，theBladedsimulationsoftwareisadoptedtotake5.XMWand6.XMW double-fedwindturbinesasresearchobjects.Theefectsofdiferentairdensityandanualaveragewindspeedontheultimate load of tower bottom closing moment and the fatigue equivalent load of tower botom pitching moment are studied.

Keywords： wind turbine;air density;annual average wind speed; tower cylinder customization;load

風(fēng)能作為可持續(xù)發(fā)展能源一直受到各行各業(yè)的關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電機裝備在全球減少碳排放的大趨勢下也得到了大力發(fā)展。風(fēng)機在服役的過程中除了受到自身重力的影響，也受到各種環(huán)境載荷的影響。近年來，風(fēng)機大型化增加效益的同時，也產(chǎn)生了更多的安全問題。實際工程中，風(fēng)機所處環(huán)境復(fù)雜惡劣，越是復(fù)雜的環(huán)境，對風(fēng)機的使用壽命影響越大，更甚者造成嚴(yán)重的安全事故。

各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者研究了各種環(huán)境條件對風(fēng)機載荷的影響。Mostafa等運用數(shù)值模擬方法研究了下?lián)舯┝鞔笮τ谒草d荷的臨界影響，并運用FAST軟件開發(fā)出了一套風(fēng)機在湍流下的動態(tài)分析程序。Bukurije等探索了復(fù)雜地形下季節(jié)性空氣密度波動對風(fēng)機發(fā)電量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，冬季和春季的風(fēng)能潛力最大，發(fā)電量最多。Sun等研究了平均風(fēng)速對單個風(fēng)機尾流模型的影響，提出的尾流模型能夠精準(zhǔn)地描述風(fēng)力分布和優(yōu)化風(fēng)電場的布局。

吳驕等運用Bladed軟件計算了風(fēng)切變冪指數(shù)對風(fēng)電機組塔筒定制化載荷特性的影響，得到了不同風(fēng)切變冪指數(shù)對于風(fēng)電機組塔筒定制化塔底合彎矩極限載荷和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的特性影響規(guī)律。李治國等針對處于極端風(fēng)況下的大兆瓦風(fēng)機，提出了一種適用于塔筒動力學(xué)響應(yīng)的計算方法，發(fā)現(xiàn)縱向湍流分量導(dǎo)致塔筒前后方向振動劇烈。巫發(fā)明等以小型水平軸風(fēng)電機組為研究對象，探究了湍流強度對風(fēng)電機組動力學(xué)特性和氣動載荷的影響規(guī)律，但是僅對這一影響因素進行了研究，代表性不夠。樊昂等探討了不同風(fēng)速對單樁式海上風(fēng)電機組塔筒動態(tài)特性的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速和葉輪轉(zhuǎn)速的增加會降低塔筒疲勞壽命，疲勞損傷主要分布在塔筒底部與單樁處，與最大等效應(yīng)力分布位置吻合。于增豪曾慶忠等通過建立與實際工作環(huán)境相符的山地湍流風(fēng)場，對塔筒的動力響應(yīng)進行了分析，驗證了風(fēng)速和風(fēng)向變化對塔筒位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。張立棟等[12]利用OpenFAST軟件，以NREL-5MW風(fēng)機為研究對象，探究了不同湍流強度下風(fēng)機葉片整體的載荷分布情況，但是對湍流影響風(fēng)機葉片載荷的機理分析不足。劉為等3基于Bladed軟件，對不同風(fēng)況條件下風(fēng)力發(fā)電機組的主要關(guān)鍵載荷分量的等效疲勞載荷的變化規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)重要載荷分量的等效疲勞變化趨勢接近于線性，葉根、輪轂和偏航的等效疲勞載荷對空氣密度變化不敏感。

綜合以上研究可以看出，國內(nèi)外學(xué)者對各種環(huán)境變化引起的風(fēng)機載荷的影響做了大量研究，但在塔筒定制化過程中，空氣密度、年平均風(fēng)速對塔底合彎矩極限載荷和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的影響方面還有空白。因此，本文以現(xiàn)有機型為研究對象，探究空氣密度、年平均風(fēng)速對塔底合彎矩極限載荷和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的影響規(guī)律。

1 風(fēng)況條件

本文基于Bladed軟件，通過設(shè)置不同的空氣密度和年平均風(fēng)速為風(fēng)電機組的環(huán)境參數(shù)，分析二者對風(fēng)電機組塔筒定制化載荷的影響。年平均風(fēng)速分別為4 . 0 ， 5 . 0 ， 6 . 0 ， 7 . 0 和 8 . 0 m / s ；空氣密度為1.00、1.05、1.10、1.15、1.20和 表1為風(fēng)電機組主要參數(shù)。

2 仿真結(jié)果與分析

由于塔筒定制化主要考慮塔底合彎矩極限載荷和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷，因此，基于上述參數(shù)，本文僅對5.XMW和6.XMW機組在不同空氣密度和年平均風(fēng)速下的塔底合彎矩極限載荷和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷進行計算分析。

2.1空氣密度對塔筒定制化載荷的影響

年平均風(fēng)速（ 7 . 5 m / s 保持不變的情況下，以 空氣密度下的塔底合彎矩極限載荷最大值和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷為基礎(chǔ)值，與不同空氣密度下的塔底合彎矩極限載荷最大值和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷進行對比，結(jié)果如下。

由表2、圖1可知，不論是5.XMW還是6.XMW機型，當(dāng)年平均風(fēng)速不變，空氣密度增大時，塔底合彎矩極限載荷最大值也隨之增大，并且增長趨勢均近似于線性。但不同機型塔底合彎矩極限載荷最大值的增長率卻略有差異。相較于空氣密度為 時，塔底合彎矩極限載荷最大值隨空氣密度的增加，增大了4 % ～ 2 4 % ，其中，6.XMW機型增速略快于 5 . XMW 。

由表3、圖2可知，不論是 還是6.XMW機型，當(dāng)年平均風(fēng)速不變，空氣密度增大時，塔底俯仰彎矩疲旁等效載荷也隨之增大，并且增長趨勢均近似于線性。但不同機型塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的增長率卻略有不同。相對于空氣密度為 1 . 0 0 k g / 時，塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷增大了 4 % ～ 2 8 % ，其中，5.XMW機型增速略快于 6 . X M W 。

2.2年平均風(fēng)速對塔筒定制化載荷的影響

空氣密度 保持不變的情況下，以年平均風(fēng)速為 4 . 0 m / s 時的塔底合彎矩極限載荷最大值為基礎(chǔ)值，與不同年平均風(fēng)速下的塔底合彎矩極限載荷最大值及塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷進行對比，結(jié)果如下。

由表4圖3可知，不論是5.XMW還是6.XMW機型，當(dāng)空氣密度保持不變，年平均風(fēng)速增大時，塔底合彎矩極限載荷最大值變化曲線僅略微波動，這說明，年平均風(fēng)速對塔底合彎矩極限載荷最大值幾乎沒有影響。但不同機型塔底合彎矩極限載荷最大值卻不同，相對于5.XMW機型的塔底合彎矩極限載荷最大值，6.XMW機型塔底合彎矩極限載荷最大值整體高于5.XMW機型。

由表5、圖4可知，不論是 5 . X M W 還是6.XMW機型，當(dāng)空氣密度不變，年平均風(fēng)速增大時，塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷也隨之增大，并且增長趨勢均近似于線性。但不同機型塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的增長率卻略有差異，相較于年平均風(fēng)速為 4 . 0 m / s 時，塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷增大了 8 % ～ 3 3 % ，其中，6.XMW機型增速略快于 5 . X M W 。

由上述可得，空氣密度不變時，年平均風(fēng)速的變化對塔底合彎矩極限載荷最大值影響不大，而對塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的影響大于塔底合彎矩極限載荷的影響。

3結(jié)論

年平均風(fēng)速不變，空氣密度增大時，塔底合彎矩極限載荷最大值和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷也隨之增大，并且增長趨勢均近似于線性。但不同機型塔底合彎矩極限載荷最大值和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的增長率卻不同，其中，6.XMW機型塔底合彎矩極限載荷最大值增速略快于 5 . X M W ，而5.XMW機型塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷增速略快于 ?？諝饷芏炔蛔?，年平均風(fēng)速增大時，對塔底合彎矩極限載荷最大值的影響不大，而塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷隨年平均風(fēng)速的變化而增加，并且增長趨勢均近似于線性，不同機型增長率也不同。

參考文獻：

[1]韓兵.大型風(fēng)力發(fā)電機組功率及載荷優(yōu)化控制方法與技術(shù)研 究[D].長沙：湖南大學(xué)，2018.

[2]梁原.風(fēng)力發(fā)電機塔筒法蘭與基礎(chǔ)環(huán)連接處高強度螺栓疲勞 壽命分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2022

[3]MOSTAFA A R，ASHRAF D E，KAOSHAN D. Design loadprovisions for simulating the critical effect of downbursts on wind turbines[J].Engineering Structures，2O23，294： 116779.

[4]BUKURIJE H，ALBANKVR F.Influence of seasonal air density fluctuations on wind speed distribution in complex terrains in the context of energy yield [J].Energy，EcologyandEnvironment，2023，9（2）：175-187.

[5] SUN H，YANG H. Numerical investigation of the averagewind speed of a single wind turbine and development of a novelthree-dimensional multiple wind turbine wake model[J].Re-newableEnergy，2020，147（P1）：192-203.

[6]吳驕，李建科，陳鵬，等.風(fēng)切變對風(fēng)電機組塔筒定制化載荷特性影響[J].船舶工程，2023，45（S2）：148-151.

[7]李治國，高志鷹，張立茹，等.極端風(fēng)況下兆瓦級風(fēng)力機動力學(xué)特性研究[J].中國電機工程學(xué)，2024，44（11）：4417-4426.

[8]巫發(fā)明，楊從新，王靛，等.湍流強度對風(fēng)電機組動力學(xué)特性及載荷的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36（13）：48-55.

[9]樊昂，李錄平，劉瑞，等.不同風(fēng)速對單樁式海上風(fēng)電機組塔筒動態(tài)特性的影響[J].發(fā)電技術(shù)，2024，45（2）：312-322.

[10]于增豪.山地湍流風(fēng)場下風(fēng)電塔筒動力響應(yīng)分析與監(jiān)測方法研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2022.

[11]曾慶忠，林淑，趙偉.風(fēng)力發(fā)電機組疲勞載荷的影響因素分析[J].東方電氣評論，2018，32（3）：49-52.

[12]張立棟，石強，姜鐵騮，等.不同強度湍流風(fēng)對風(fēng)力機氣動載荷的影響[J].分布式能源，2023，8（5）：61-68.

[13]劉為，王瑞良，孫勇，等.不同風(fēng)況條件對風(fēng)力發(fā)電機組等效疲勞載荷的影響[J].機電工程技術(shù)，2020，49（12）：114-117.