兆瓦級風電機組的載荷計算與性能研究

李勇鋒

摘 要：作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，風能逐漸成為近年來最受人們青睞的重要資源，由此也推進了風電產業的快速發展。風電發電的核心部分是兆瓦級風電機組，本文介紹了兆瓦級風電機組的性能研究現狀，以及目前相關技術中存在的問題，并就其載荷計算給出了公式。

關鍵詞：兆瓦級風電機組；載荷計算；性能研究

中圖分類號：TK83 文獻標識碼：A

經過長期的研發，兆瓦級風電機組技術已經日漸成熟，風機的容量、體積、長度、重量都與以往發生了較大改變，隨之而來的則是兆瓦級風電機組的動態載荷問題。由于風電機組是通過葉片的升力向提供動力的，因此葉片強度的確定需要對其產生的重力、推力、離心力等載荷進行計算而決定，這促使了相關技術人員在兆瓦級風電機組的載荷計算方面的研究。

1.風電機組關鍵部件的工況分析

1.1 塔架

塔架是風電機組中的重要支撐部件，風力機的高度調節以及機組中葉輪和機艙的支撐都由塔架完成。由于其作為機組重要的承載部件，需要滿足相關部件的支撐任務，因此在強度和剛度上需要一定的保障，以保證在惡劣的臺風或暴風天氣中保持機組的穩定性。塔架的可靠性直接決定了風力機的工作性能。

1.2 葉輪

風電機組中的葉輪部分則3個葉片和輪轂連接組合而成，它負責將風能轉化為機械能。在這一部件中，輪轂的作用是將3個夾角為120°的外伸端與葉片及機艙中齒輪箱的主軸進行固定連接，其形狀較為復雜，但是風電機組中非常重要的部件。風電機組葉片上承受的靜、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。輪轂的設計合理性對于保證機組的正常運行和使用壽命具有關鍵性的意義。因此，針對輪轂的靜態分析和疲勞計算是非常必要的，相關數據是保證其設計合理性的重要依據。

1.3 機艙底座

作為風電機組的承載部件，機艙底座負責相關設備中大軸、增速機齒輪箱及發電機等所有聞件的固定和支撐任務。在結構形式上，可分為鑄造和焊接兩種。在機組所有的部件中，機艙底座的制造是相對簡單的，且具有結構強度高、生產周期短的優點。尤其是鑄造底座在強度、耐腐蝕性及吸振性方面的表現都較好，同時其原材料成本也較低，更有利于成本控制。由于在風電機組的工作過程中，發電機的旋轉會激勵機艙產生共振，因此機艙底座的牢固性非常重要，直接關系到了機組的安全性和壽命。

2.風電機組基本載荷分析

2.1 風電機組的載荷分類和來源

靜態負載：所謂靜態負載，指的是風電機組在不轉動的情況下，施加在其結構上各個部件的負載。

穩態負載：即在風電機組結構轉動且其運動結構的負載不變的情況下，施加于其結構上各個部件的負載。

周期載荷：指在具有一定規則的周期變化中，葉片的轉動引起的機動性組各結構部件的負載，由此可知，負載變化周期與風輪的轉速變化之間的關系是呈整數倍變化的，由于風電機組有3個葉片，因此周期負載也體現了3倍。

瞬載、動負載、動力沖擊：這是機組部件表現出的對瞬時外界負載的瞬態響應時變負載，驅動鏈剎車就是比較典型的情況。

脈動載荷：短周期內的是變負載，可以出現極大的尖峰值。

隨機負載：即在風電機組上產生的隨機性的時變負載，一般可保持相對穩定的平均值，但振幅很大。

諧振誘導負載：對風電機組的固有頻率動態諧振響應形成的周期負載，主要由機組的設計不合理或在惡劣情況下運行而產生。

2.2 載荷源

一般情況下，兆瓦級風電機的葉片為截面內外翼型曲線的內部空心加肋架構，風是風力發電機組的主要載荷源，而自然界的風是多變的，尤其是風速對于風電機組的葉片載荷狀態頻率有決定性的作用，因此需要對機組所在場地的風速風布情況進行計算，相關公式為：

表示平均風速離地面高度為Z時的變化函數，結合正常風廓線冪定律給出公式：

該公式可以確定垂直方向穿過風輪掃掠面積的平均風切度。

自然風的風速變化具有隨機性的特點，不可能永遠保持10min的平均風速，這一現象被稱為“風湍流”。風電機組的湍流模型構建即包括了風速、風向的變化，以及循環抽樣的影響，相關模型的構建必須滿足以下條件：

2.2.1 縱向風速分量標準差的特性值公式為：

2.2.2 湍流縱向分量在接近慣性負區的高頻尾端時，其功主譜密度應為漸進形式：

2.3 載荷的簡單計算

在兆瓦級風電機組中，永磁直驅機的機械結構相對比較簡單，通過輪轂剛性連接3個葉片，并保持風輪的較小的仰角和不超過3°的錐角。當基本形體確定時，就可以進行載荷計算校核了。如圖1所示。

在以上葉片坐標系圖中，FZB表示沿徑向葉片變槳距軸線方向的離心力與重力的合力；表示葉片氣動轉矩和葉片質量引起的離心力合力矩。

FXB表示葉根的剪切力；MXB表示葉片在運轉過程中的驅動力和停止運轉時的慣性力矩。

FYB表示與主軸和葉片軸垂直的剪切力；MYB表示順風方向葉片的彎矩。

3.風力發電機組動態載荷計算分析

3.1 作用于風輪葉片上的氣動力

作用于風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表示風輪葉片的數量。上述氣動力在懸臂式葉片的根截面產生的力的計算公式為：

3.2 陣風載荷

陣風載荷的計算方式基本上與正常載荷相同，只是需要對將風速乘以陣風系數kb=5/3，即：

結合風輪掃掠面積A上的平均壓力，最終得出公式：

公式中vr表示額定風速。

3.3 斜風流或風梯產生的載荷

當風從機組的斜向吹來，則作用在風輪上的載荷計算公式為：

參考文獻

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