风力发电机塔架风载荷计算

风力发电机塔架风载荷计算

如果塔架高度是指定的，则塔架顶部和塔架底部的负荷对通风装置塔架的设计非常重要。塔架顶部的载荷主要来自于叶轮的空气动力、离心力、机舱和叶轮的重力等因素;塔架底部的载荷主要来自于塔架顶部载荷以及塔架的风载荷,在已知塔架顶部载荷的情况下通过载荷坐标系转化可以求得塔架顶部载荷对塔架底部载荷的影响,那么如果能够求得塔架的风载荷,将2部分的载荷叠加即可求得塔基的载荷。目前风电行业对风机运行风况的的定义主要依据是欧洲标准IEC61400-1,此标准中将风的种类定义为稳定风、阵风、湍流风3大类,本文主要阐述了稳定风和阵风对塔架载荷的影响。Bladed软件是风电行业公认的风力发电机整机设计及载荷分析的权威软件,其中包括塔架载荷计算的功能,本文以海装风电设备有限公司某种型号的塔架风载荷计算为例,用本文所介绍的塔架风载荷计算方法所计算的结果同Bladed软件计算的结果相比较以验证塔架风载荷计算方法的正确性。1采用密封板的结构塔架的结构有张线支撑式和悬臂梁2种基本形式。塔架所用的材料可以是木杆、铁管或其他圆柱结构,也可以是钢材做成的珩架结构。大型风力机的塔架基本上是锥形圆柱钢塔架。锥形圆柱钢塔架的特点是塔架的直径随高度的变化而变化,因此需要对塔架不同高度的圆柱截面直径进行定义。海装风电设备有限公司某型号的塔架部分参数在Bladed软件中定义,如表1。2稳定风、风切变系数在同一地点,垂直于地面方向的不同高度处风速的大小不同,多数情况下风速随着高度的增大而增大。在载荷计算中风速随高度的分布遵循常规风廓线模型(NWP),公式如下:式中:V(z)—高度Z处的风速;Z—离地面高度;Z不同地面粗糙度的风场风切变系数不同,如果风场测试参数中没有给出风切变系数时,在塔架载荷计算中风切变系数取标准值,通常国内风切变系数的标准值为1/7。图1为Zr=70m,Vr=8.5m/s,风切变系数分别为0.1、1/7、0.2的稳定风的风廓线图,风切变系数越大地表粗糙度越低,在较低的高度就可以达到较高的风速。图2为初始值为25m/s,幅值为10m/s,阵风持续时间为10.4s的极端工作阵风。阵风的定义可参考欧洲标准IEC61400-1-2001。3速度、入流角度、偏航角度垂直于建筑物表面上的风载荷标准值应按下述公式计算:式中:w在稳态风和极端工作阵风情况下,风振系数β式中:v则塔架整体受力为:式中:f(h)—高度h处塔架的迎风面尺度即此处的塔架截面直径;将(4)离散化式中:h在Bladed中塔架坐标系定义为:XT指向南;ZT垂直向上;YT指向东。(风的偏航角度为0°时,风向为正北)在Bladed软件中设定塔架参数,定义风速为8.5m/s,入流角度为0°,偏航角度为0°的稳定风和初始速度为25m/s,阵风幅度为15m/s,入流角度为0°,偏航角度为0°的阵风。在这2种风况下Bladed软件的塔架风载荷计算结果见表1,表2。由于模拟的稳定风和阵风的偏航角度为0°,塔架的Y坐标方向没有风载荷,风载荷全部作用在X坐标方向。这个塔架迎风面的风载荷为1m高度处的X坐标方向的风载荷与68m高度处的X坐标方向的风载荷差值,对时间为1s处的稳定风和时间为8s、15s、22s处的阵风进行塔架风载荷计算,Bladed软件计算结果如下:1s处稳定风:4.446kN(风速8.5m/s)8s处阵风:38.455kN(瞬时风速25m/s)11s处阵风:36.402kN(瞬时风速24.4m/s)13s处阵风:33.202kN(瞬时风速23.5)15s处阵风:70.267kN(瞬时风速32.4m/s)部分Matlab程序如下:Matlab程序计算结果如下:1s处稳定风:4.43kN(风速8.5m/s);8s处阵风:38.31kN(瞬时风速25m/s);11s处阵风:36.5kN(瞬时风速24.4m/s);13s处阵风:33.85kN(瞬时风速23.5);15s处阵风:64.34kN(瞬时风速32.4m/s)。从计算结果可以看出,利用风载荷计算公式得出的塔架风载荷同Bladed软件的输出结果基本相同,在15s时刻处阵风对塔架载荷的Matlab计算结果同Bladed软件的计算结果有5.927kN的误差,这个误差在工程中是可以接受的。4风荷载计算方法本文所提出的塔架风载荷计算方法通过对海装风电设备有限公司某型号