风力发电机组载荷计算的研究

风力发电机组载荷计算的研究

0风机和发电机风能发电装置（风能机）用于吸收风，将风能转化为风轮的旋转机械能，然后通过电机将机械能转化为能，并将能源转输给电网。这是一个高科技和复杂的产品。风载是风力发电机组的外部载荷源。风速、风向的不稳定性和叶片的旋转效应相互耦合,使叶片受到的空气动力载荷非常复杂。这些载荷通过轮毂传递到其他部件,如主轴、发电机、主机架、塔筒、基础等,对风力机的工作性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。有人形象地把风力发电机组比喻为“野外疲劳试验机”。对于大型风力发电机组,除叶片产生的气动载荷外,由于机舱和塔筒的迎风面积较大,也会产生一定的气动载荷。风力发电机组的载荷仿真计算是风力机设计中的一项重要工作,特别是对于大、中型风力机,其意义更为重大。1风力机设计载荷在风力发电机组的研发过程中,载荷计算作为一项基础性工作,其作用主要体现在以下两个方面:(1)设计:提供部件强度分析、结构动力分析及疲劳寿命计算的载荷依据,确保各部件承载在设计极限内;通过优化运行载荷,提高机组的可靠性。风力机是具有高动态载荷的动力系统,标准规定其设计寿命通常为20年,也就是说必须保证风力机安全可靠运行20年。它必须承担设计寿命内由交变应力产生的载荷以及可能产生的破坏。要确保机组在设计寿命内能够正常运行,必须得到合理、可靠的载荷数据。(2)认证:确保载荷计算应用了适当的方法;工况假定全面且符合标准要求;结果真实可靠。载荷计算报告是风力发电机组认证必须提交和确认的文件。风力发电机组作为一个复杂的系统,子系统之间相互影响、相互耦合,风力发电机组各子系统关系见图1。为确保其设计的可靠性,必须合理建立整机的力学模型,并根据相关标准对风力发电机组的各种运行状态以及外部风况(正常风况和极端风况)进行模拟,得到各种工况下的载荷历程,并通过处理,得到各部件用于极限强度计算的极端载荷和用于疲劳寿命计算的等效疲劳载荷。目前国际上有关风力发电机组设计、认证的规范、标准等,对风力机设计载荷工况(DLC)做了具体规定,主要有:①国际电工协会制定的IEC61400-1标准《风力发电机组第一部分设计要求》;②德国劳埃德船级社(GL)制定的《风力发电机组认证规范》;③丹麦制定的DS472标准《风力机结构安全和载荷实施规则》。我国根据相关国际标准,制定了GB18451.1-2001《风力发电机组安全要求》,中国船级社也制定了用于认证的“风力发电机组规范2008”。还有适用于海上风力发电机组的标准和规范,如:IEC61400-1;GLGuideline(Offshore)2005;DNV-OS-J101等。2载荷计算模式概括起来,作用在风力发电机组上的载荷主要包括:(1)空气动力载荷:空气动力是风力发电机组载荷的主要来源,其大小与发电功率直接相关。(2)重力载荷:重力是施加在叶片上的一个重要力,而机舱重量对塔架设计和机组安装非常重要。(3)惯性载荷(离心力和陀螺力):叶片旋转会产生离心力,叶片旋转时进行偏航会产生陀螺力,偏航速率越高,陀螺力越大。(4)操纵载荷:风力发电机组在运行过程中,刹车、偏航、变桨、脱网等动作都会引起机组结构和部件载荷的波动。(5)其他载荷(波浪载荷和结冰载荷等)。设计风力发电机组时,必须考虑相应的外部条件,外部条件包括风力发电机组经受的环境条件和电力条件。环境条件可进一步分为风况和其他外部条件;电力条件是指电网的状况。每种类型的外部条件又可分为正常外部条件和极端外部条件。正常外部条件是指经常发生的概率事件,即长时期的结构受载和运行状态;而极端外界条件是指50年发生一次的概率事件,是极少发生的极端的结构受载和运行状态。对于大型风力发电机组来说,风资源外部条件是决定载荷的主要因素,其极端风况模拟及仿真的正确性非常重要。根据IEC61400-1规定,在设计计算时,必须考虑载荷惯性力和重力载荷;由振动、旋转或地震作用产生的静态和动态力、空气动力学载荷、瞬时操作载荷、其他载荷(波载,尾流载荷,冲击载荷,冰载)以及气动弹性运行载荷对控制保护系统的影响。完整的设计载荷工况(DLC)由不同的风力机工作状态和不同的外部条件组合而成,主要包括:①风力机正常工作状态与正常外部条件组合;②风力机故障工作状态与正常外部条件组合;③风力机正常工作状态与极端外部条件组合;④运输、安装、维修工况与相应的外部条件组合。载荷计算风况分为正常风况和极端风况两大类。正常风况包括:正常风廓线模型(NWP)、正常湍流模型(NTM);极端风况包括:极端湍流模型(ETM)、极端风模型(EWM)、极端操作阵风(EOG)、极端方向变化(EDC)、带方向变化的极端相关阵风(ECD)、极端风切变模型(EWS)等,各种风况模型在相关标准中有详细规定。图2为按照GL规范定义的一年一遇的轮毂中心风速vhub=25m/s的极端操作阵风(EOG)。在大型风力发电机组的开发初期,经初步概念设计确定系统总体结构和总体参数后,即进入初步设计阶段。初步设计阶段的第一步是进行风轮的气动力学设计,即叶片的气动力外形设计和风轮性能计算,得到叶片的载荷。以叶片的载荷为基础,即可计算轮毂的载荷、主轴的载荷、齿轮箱的载荷、机架的载荷等。再结合机舱的气动力和机舱内各部件的质量,计算出偏航轴承的载荷和传递给塔架的载荷,结合塔架的气动力分布计算出塔架的载荷分布及基础载荷。3cfd对风力机气动特性的数值计算计算风力发电机组的气动载荷主要包括动量—叶素理论、CFD等方法。动量—叶素理论形式比较简单,计算量小,便于工程应用和估算机组初始设计时整机的气动性能,被广泛应用于风力发电机组的设计和性能计算,而且还被用来确定风力发电机组的动态载荷,并不断地被改进和完善。而CFD数值计算不需要对数学模型作近似处理,可直接对流体运动进行数值模拟,从物理意义上说,应该是最全面准确地计算风力机气动特性的方法。但是,由于计算工作量极大、数值计算的稳定性、欠佳等原因,目前CFD法还未成为风力机气动设计和研究的日常工具,但随着有限元软件及计算机性能的不断提升,这一方法正逐渐被广泛应用。目前,风力发电机组的载荷计算主要通过专用软件进行,如GHBladed、AeroFlex5、FAST等。其中,GHBladed软件是最权威、用户最多的软件之一,它是一个整合的计算工具包,具有基于Windows的图形化操作界面,用于对陆上和海上的水平轴风力机进行设计和认证所需的性能和载荷仿真计算,已通过GL认证。图3为GHBladed软件的菜单模块和计算模块。4载荷计算结果是由多次分风力发电机组的载荷计算涉及大