文 | 張超

風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算及影響因素分析

文 | 張超

風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行在復(fù)雜的自然環(huán)境中，并將不穩(wěn)定的風(fēng)能裝換為穩(wěn)定電能，且要矗立于百米高空，勢(shì)必承受巨大的載荷。風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算是設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，載荷結(jié)果是機(jī)組零部件設(shè)計(jì)的輸入條件，關(guān)系到機(jī)組安全性和可靠性。機(jī)組研發(fā)流程往往遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，一旦載荷確定，機(jī)組零部件的強(qiáng)度和壽命則要滿足載荷要求，并按照標(biāo)準(zhǔn)要求選取合適安全系數(shù)。隨著機(jī)組功率等級(jí)和成本競(jìng)爭(zhēng)壓力的日益增大，一些零部件的安全系數(shù)則不再會(huì)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。機(jī)組在役的20年內(nèi)不確定因素很多，對(duì)載荷的不利影響則直接關(guān)系到機(jī)組的可靠性和零部件壽命。

風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算方法

載荷仿真的理論依據(jù)：風(fēng)電機(jī)組載荷主要由空氣動(dòng)力學(xué)載荷和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)載荷構(gòu)成，兩者相互耦合相互影響?？諝鈩?dòng)力學(xué)模型主要基于葉素理論和動(dòng)量理論兩者結(jié)合而成。

如圖1，風(fēng)速V，旋轉(zhuǎn)速度U，則風(fēng)速相對(duì)速度即入流速度為W，葉片在氣流作用下產(chǎn)生推力，分解為升力和阻力，每種翼型都有不同的升阻力系數(shù)CL、CD，該系數(shù)可通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、CFD或數(shù)值仿真等方法得到。通過該系數(shù)可以求出翼型的升阻力，而將葉片上的每個(gè)截面分成很多這樣的翼型，再將這些獨(dú)立翼型升阻力進(jìn)行積分疊加合成，最終求出整個(gè)葉片的推力和力矩。

半徑r處，長(zhǎng)度為dr的葉素產(chǎn)生的推力dT為：

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)主要有兩種方法：有限元法和模態(tài)分析法。有限元法需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒、葉片、傳動(dòng)鏈等進(jìn)行幾何建模再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再將氣動(dòng)載荷加載于葉片來分析結(jié)構(gòu)變形等響應(yīng)，常用的軟件有MSC ADMAS + FLEX5或Ansys系列軟件等。考慮到與空氣動(dòng)力學(xué)的耦合，需要計(jì)算隨機(jī)變化的風(fēng)況和結(jié)構(gòu)帶來的氣彈等響應(yīng)，給有限元法帶來了巨大計(jì)算量。因此有限元法只適用于載荷計(jì)算方法的研究，并不適用于工程計(jì)算。模態(tài)分析法則需要仿真葉片模態(tài)、塔架模態(tài)，搭建傳動(dòng)鏈、偏航等機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，電氣動(dòng)力學(xué)模型，控制響應(yīng)模型。常用的工具有GH Bladed，F(xiàn)oucs等。

載荷工況

將風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的各種極端狀況與不同的風(fēng)況進(jìn)行組合，以便找出最不利的載荷，按照IEC61400等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下工況：

（一）湍流風(fēng)運(yùn)行工況。在正常風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行風(fēng)速范圍的湍流風(fēng)產(chǎn)生的運(yùn)行載荷。

（二）極端陣風(fēng)運(yùn)行工況（如圖2）。在各種突變的陣風(fēng)作用下風(fēng)電機(jī)組的瞬時(shí)載荷。

（三）故障工況（如圖3）。包括風(fēng)電機(jī)組可能出現(xiàn)的各種故障，比如超速、超功率、振動(dòng)、偏航錯(cuò)誤、變槳錯(cuò)誤等故障出現(xiàn)時(shí)對(duì)機(jī)組的沖擊載荷。

（四）啟動(dòng)停止工況。包括正常啟動(dòng)、停止、緊急停機(jī)等操作時(shí)風(fēng)電機(jī)組的沖擊載荷。

（五）空轉(zhuǎn)閑置載荷。包括切入前待機(jī)或空轉(zhuǎn)狀態(tài)的載荷和大風(fēng)切出后空轉(zhuǎn)載荷。

（六）故障停機(jī)工況。故障停機(jī)狀態(tài)下的載荷。

（七）運(yùn)輸、吊裝、維護(hù)時(shí)的載荷。

載荷輸出形式

據(jù)后期部件設(shè)計(jì)需求，載荷結(jié)果一般分為極限載荷、疲勞載荷、LDD載荷譜等。極限載荷：描述各個(gè)分力和分力矩方向上可能出現(xiàn)的最大和最小載荷。這覆蓋了強(qiáng)度分析時(shí)零部件在各個(gè)方向上最大應(yīng)力點(diǎn)。

疲勞載荷：反映了20年內(nèi)的載荷譜，包括：20年內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)瑞利分布下湍流風(fēng)載荷，上千次的風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)、停止沖擊，上千次的風(fēng)電機(jī)組故障急停，小風(fēng)和大風(fēng)下的風(fēng)電機(jī)組空轉(zhuǎn)或剎車載荷等（如圖4所示）。

其他載荷輸出形式根據(jù)零部件設(shè)計(jì)的理論方法不同有多種不同形勢(shì)，如LDD載荷譜，馬科夫矩陣（如圖5所示）等。

影響載荷的不利因素

影響載荷的不利因素很多，有的是來自自然界的外部條件，有的是來自后期的其他情況，外部條件不可避免，要在載荷計(jì)算時(shí)盡量考慮全面，比如寒帶型風(fēng)電機(jī)組冰載，地震帶的地震載荷等等。

一、外部條件

冰：覆冰程度按照IEC61400標(biāo)準(zhǔn)要求，從葉片中部到葉尖線性插值梯形質(zhì)量分布。通過對(duì)比正常無冰，三支葉片相同覆冰，只有兩支葉片覆冰的載荷，葉片葉根載荷和機(jī)艙振動(dòng)，可以看出葉片覆冰不平衡時(shí)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉根載荷部分少量增加，而機(jī)艙振動(dòng)影響非常大，從而對(duì)塔筒基礎(chǔ)及風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定性有很大影響。（如圖6所示）。

地震對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)載荷影響：通過對(duì)比正常湍流風(fēng)模型下，加8度地震烈度的載荷，僅風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行，在湍流風(fēng)運(yùn)行工況下，基礎(chǔ)載荷最大能增大約4倍（如圖7所示）。

二、場(chǎng)地對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響

復(fù)雜地形產(chǎn)生的湍流和機(jī)組尾流給機(jī)組帶來額外的湍流強(qiáng)度進(jìn)而增加機(jī)組載荷。當(dāng)尾流導(dǎo)致機(jī)組所受的風(fēng)載湍流強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致載荷偏離標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，對(duì)葉片塔筒壽命產(chǎn)生影響。IEC標(biāo)準(zhǔn)中也要求從這方面對(duì)機(jī)組的安全性進(jìn)行評(píng)估。

通過對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組布局進(jìn)行計(jì)算，其機(jī)組之間的尾流影響較大，部分機(jī)組則存在某扇區(qū)湍流強(qiáng)度超過標(biāo)準(zhǔn)值（如圖8所示）的現(xiàn)象。

這現(xiàn)象導(dǎo)致部件的壽命可能不滿足要求，經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，葉片承受的湍流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求，如果葉片在設(shè)計(jì)時(shí)疲勞強(qiáng)度余量不充足(如圖9所示)，則可能導(dǎo)致葉片提前損壞，這種情況下必須重新校核葉片疲勞強(qiáng)度。

三、控制策略和參數(shù)的影響

從大量的載荷計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，葉片決定載荷數(shù)量級(jí)，控制參數(shù)決定載荷的具體數(shù)值?？刂茀?shù)對(duì)載荷影響非常大，比如增大變槳速度響應(yīng)，可以減小某工況極限載荷，卻增大疲勞載荷；控制策略對(duì)載荷則有根本性的影響，比如增加傳動(dòng)鏈共振阻尼策略則可以減小傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)，從而減小載荷。

四、其他影響

風(fēng)電機(jī)組投入使用后，運(yùn)行和維護(hù)也會(huì)對(duì)載荷產(chǎn)生影響，比如葉片長(zhǎng)期處于污染狀態(tài)，不僅效率降低，載荷也會(huì)增大。頻繁啟停機(jī)組會(huì)帶來沖擊載荷，機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮一個(gè)合理的啟停頻率，如果超過這個(gè)頻率，可能會(huì)影響機(jī)組使用壽命。限功率發(fā)電，則會(huì)過度使用變槳機(jī)構(gòu)，使變槳承受設(shè)計(jì)壽命之外的載荷，加速變槳系統(tǒng)的損壞，最終導(dǎo)致退役。

結(jié)語(yǔ)

綜上，載荷是風(fēng)電機(jī)組及其零部件的設(shè)計(jì)來源，是機(jī)組安全、可靠性和壽命的保障，在20年運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)盡可能的避免可能造成機(jī)組載荷過大的不利因素，而在機(jī)組改造、提效等工作中，如果涉及到葉片、傳動(dòng)鏈、系統(tǒng)策略相對(duì)于原始設(shè)計(jì)有變化的應(yīng)重新進(jìn)行載荷計(jì)算，甚至需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，根據(jù)載荷計(jì)算以及強(qiáng)度校核結(jié)果確定技改的可行性。

（作者單位：大唐新能源試驗(yàn)研究院）