結冰對風電機組載荷的影響研究

王清波 陳婷

摘 要：風電機組在低溫環境中運行，葉片、輪轂、機艙和塔筒等往往會出現結冰現象，尤其在一些寒冷地區，全年風電機組結冰甚至能達3～4月之久。風機大部件結冰后改變了原來的形狀，增加了重量，改變了整個風電機組的固有頻率，進而影響機組的載荷特性。本文以某2.5MW機組為研究對象，采用GH Bladed軟件建立風電機組模型，結合寒冷地區特定環境特點，考慮結冰、不結冰對機組載荷的影響，分析了結冰前后機組大部件極限載荷和疲勞載荷的變化情況，為設計低溫型機組提供參考。

關鍵詞：風電機組;結冰;極限載荷;疲勞載荷

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0060-04

Abstract： The blades， hubs， nacelles and towers of the wind turbine tend to freeze when the wind turbines operate under the low temperature environments. Especially in some cold regions， wind turbines can freeze for up to 3～4 months. After the large parts of the wind turbine are frozen， the original shape is changed， the weight is increased， and the natural frequency of the entire wind turbine is changed， thereby affecting the load characteristics of the wind turbine. This paper took a 2.5MW wind turbine as the research object， the GH Bladed software was used to establish the wind turbine model， combined with the influence of icing and non-icing on the wind turbine loads in the cold specific environment， the ultimate loads and fatigue loads of the key components of the wind turbine before and after icing were analyzed， the change situation provided a design for the design of low temperature wind turbine.

Keywords： wind turbine;icing;ultimate load;fatigue load

我國北方大部分地區極端低溫在-25～-30℃，局部地區能達到-35～-40℃，新疆以北和黑龍江漠河地區極端溫度更低，且持續時間可達3～4個月。針對低溫環境，相關部門盡管出臺了低溫型機組設計規范[1]，但并未充分考慮結冰對風電機組載荷的影響，尤其是對風電機組疲勞載荷的影響。因此，研究結冰對風電機組載荷的影響具有十分重要的意義。

近年來，風電機組葉片結冰問題引起了人們的廣泛關注，許多學者采用實驗和仿真的方式對葉片結冰、除冰情況以及結冰對氣動性能的影響等做了調查和研究[2-4]。劉國特等[5]采用結冰和流體仿真軟件計算了葉片結冰前后空氣流場、翼型升力系數和阻力系數，得出雨凇加劇破壞翼型氣動性能，對翼型升阻特性影響較大的結論。付忠廣等[6]采用流體軟件對幾種典型覆冰形態的流場進行了研究，得出葉片前緣覆冰會造成翼型升阻比減小、沿弦長方向覆冰對邊界層流動影響較小的結論。雷利斌等[7]對風力機葉片覆冰診斷技術進行了研究，通過分析不同溫度和振型下的振型曲率與覆冰的關系，得出了覆冰位置診斷閾值函數以及厚度計算公式，并通過驗算證實了該公式的可靠性。蔣維等[8]使用流體軟件對多個翼型截面覆冰進行了數值模擬，對風力機葉片覆冰前后性能進行了對比分析，對葉片覆冰機理和機組運行控制具有一定的指導意義。易賢等[9]提出了風機結冰過程的三維數值方法，得出結冰對葉根附近壓力載荷分布影響小、對葉尖附件載荷影響大的結論。此外，還有很多學者研究了結冰對風機葉片性能的影響[10-13]。

綜上所述，在現有的研究中，僅考慮了葉片結冰對機組極限載荷的影響。根據現場情況，除葉片結冰外，輪轂、機艙和塔筒也會結冰，尤其是塔筒結冰，不僅會影響塔筒自重，還會改變塔筒形狀，從而改變塔筒的抗彎剛度和抗扭剛度，進而影響機組載荷。結冰對機組疲勞載荷的影響幾乎都被忽略，但對于機組全年結冰達3～4個月的寒冷地區，結冰對機組疲勞載荷的影響顯然不能忽略。本文以某2.5MW直驅風機組為例，考慮北歐地區特殊的環境，計算分析了葉片、輪轂、機艙和塔筒結冰與否對機組極限載荷和疲勞載荷的影響。

1 2.5MW機組設計參數及結冰工況

以某2.5MW直驅風機為研究對象，該機組按GL 2010標準[14]IIIA安全等級設計，具體設計技術參數如表1所示。

根據GL 2010標準，IIIA安全等級輪轂高度處五十年一遇，10min平均風速為37.5m/s，15m/s風速對應的湍流強度為18%。根據規范，風機結構完整性的設計載荷工況包括正常設計狀況與正常外部條件;正常設計狀況與極端外部條件;故障設計狀況與相應外部條件;運輸、安裝和維護的設計狀況與相應外部條件。表2列出了部分載荷工況，其中，NTM為正常湍流模型;EDC為極端方向變化模型;NWP為正常風廓線模型;EOG為極限運行陣風模型。參考《Wind Turbines，Part 1：Design Requirement》（IEC 61400-1-2005）[15]，仿真中DLC1.1、DLC6.4每個風速下使用12個風種子，極限載荷取12個風種子的前6個最大值的平均值。

2 結冰后機組大部件性能及質量變化

對于風機非旋轉部分的結冰，規范假定暴露在外面的表面結冰厚度為30mm，冰的密度[ρE]視為700kg/m3。根據計算，單只葉片結冰質量為461kg，輪轂結冰質量為667.98kg，機艙結冰質量為3 572.1kg，塔筒結冰質量為22 869kg。對于輪轂和機艙結冰質量，仿真時可以直接作為集中質量施加在重心處。塔筒尺寸較大，如果結冰質量作為點質量施加在塔筒某處，勢必會影響載荷計算的精度。為使塔筒結冰質量均勻施加在塔筒上，可以采取先計算塔筒結冰后的總質量，再將塔筒材料密度換算成等效密度，從而將結冰質量均勻施加到塔筒上。

結冰會造成部件固有頻率變化，葉片和塔筒固有頻率改變將對機組載荷造成很大影響。風機結冰前后葉片和塔筒相關頻率變化見表3。

為防止機組共振，風機塔筒固有頻率要避開風輪相應轉頻，GL 2010規范規定風機塔筒一階彎曲振動固有頻率必須遠離風輪轉頻1P和3P達5%。為保險起見，很多風機整機生產廠家往往將5%改為10%。對于風機共振問題，可以使用Campbell圖進行分析，以某2.5MW機型為例，其設計轉速為7.8～14.5r/min，轉頻1P和3P分別為0.13和0.39，風機塔筒一階固有頻率為0.302Hz，轉頻1P和3P與塔筒一階彎曲振動固有頻率的比值分別為0.43和1.29，完全滿足避開共振要求。結冰后塔筒的一階彎曲振動頻率變為0.295Hz，轉頻1P和3P與塔筒一階彎曲振動固有頻率的比值分別為0.44和1.32，結冰后，風輪轉頻1P和3P遠離了塔筒一階彎曲振動固有頻率，防共振設計將更加保守。

3 機組結冰載荷分析

GL標準中葉片、輪轂和塔筒坐標系如圖1所示。

從表4至表6可知，葉片結冰后，葉根極限載荷Mx、My和Mz分別增加2.3%、4.4%、1.6%。合力矩Mxy的最大值出現在DLC1.5極端運行陣風模型（一年一遇）加斷網工況;旋轉輪轂極限載荷Mx、My和Mz分別增加2.3%、4.2%、31.9%。Mz增大明顯，最大值出現在DLC1.1正常湍流模型切出風速工況。偏航軸承極限載荷Mx、My和Mz分別增加3.6%、3.5%、29.8%。可以明顯看出，Mz增大明顯，最大值出現在DLC2.2正常湍流模型加變槳故障工況。塔底極限載荷增加尤為明顯，Mx、My和Mz分別增加23.6%、16.6%、29.8%。Mx的最大值出現在DLC6.2極端風速加電網故障工況，My和Mz的最大值均出現在DLC1.6極端運行陣風模型（五十年一遇）工況。

假設機組全年結冰期為一個月，結冰前后風機各關鍵部位等效疲勞載荷見表8。從中可以看出，結冰后的葉根等效疲勞載荷My（SN=10）增加11.2%;旋轉輪轂等效疲勞載荷My（SN=4）和Mz（SN=4）變化甚微;塔底等效疲勞載荷Mx（SN=4）和My（SN=4）分別增加18.3%和9.3%。

4 結論

建立了某2.5MW直驅風電機組的Bladed模型，計算分析了葉片、輪轂、機艙和塔筒結冰對風電機組頻率和載荷的影響，結論如下。

①機組葉片和塔筒結冰，葉片和塔筒的固有頻率減小，降低了風輪轉頻1P和3P與塔筒一階彎曲振動固有頻率的比值，風機防共振設計更加保守。

②結冰使葉根極限載荷Mxy增大3.6%，考慮一般機組設計時變槳軸承安全余量（大于5%），結冰并不需要加強變槳軸承的極限強度。結冰對葉根極限載荷Mz影響較小，可以忽略，無需重新調整變槳電機的驅動扭矩。

③結冰對輪轂和偏航軸承Mz影響較大，必須重新調整偏航電機驅動力矩的極限值，防止偏航故障發生。

④結冰對機組塔底極限載荷Mz影響較大，對安裝在寒冷地區的風機，基礎扭轉剛度和塔底螺栓剪切極限強度設計更加保守。

⑤結冰對葉根和塔底的等效疲勞載荷影響較大，對安裝在寒冷地區的風機，計算機組等效疲勞載荷時，必須考慮機組全年結冰時間，防止變槳系統、塔底螺栓疲勞失效。

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