风力发电机组的载荷特征及计算

我国 根 据 相 关 国 际 标 准，制 定 了 ＧＢ １８４５１．１－ 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 ：
收 稿 日 期 ：２０１２－０１－０５； 修 回 日 期 ：２０１２－０１－１２ 作者简介：高俊云 （１９６５－），男，山西晋中人，教授级高级工程师，硕士，研究方向：机械动态测试与分 析、 机 械 故 障 诊 断 及 风 力 发 电 机 组 计 算
图 ３ ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 软 件 菜 单 模 块 和 计 算 模 块
（下 转 第 ２０８ 页 ）
· ２０８ ·
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１２年第３期
得到了广泛应用。该工艺通过涂覆金属表面来提高表 面的抗磨和耐蚀性。香海热电厂锅炉超音速电弧喷涂 ＳＣＺ３６涂层水冷壁管经 过 长 期 运 行，外 观 检 查 涂 层 完 好 ，未 见 裂 纹 、脱 落 和 磨 损 等 宏 观 缺 陷 。
参考文献： ［１］ 王学武．金属表面处理技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９． ［２］ 金国，徐滨 士，王 海 斗，等．电 热 爆 炸 喷 涂 ＷＣ／Ｃｏ涂 层 组
织 和 性 能 研 究 ［Ｊ］．金 属 热 处 理 ，２００６，３１（２）：２３－２６． ［３］ 刘东雨，熊建，候世香，等．电 热 爆 炸 喷 原 位 合 成 Ｆｅ－Ａｌ系
（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。
摘要：载荷计算是风力发电机组设计中必不可பைடு நூலகம்的一项基础性工作。对风力发电机组的载荷特征进行了分 析，对风力发电机组载荷计算的作用和相关标准进行了介绍，对作用在风力发电机组上载荷的种类和计算工 况分类进行了总结，并对载荷计算方法和常用软件进行了简要概述。 关键词：风力发电机组；载荷；标准；计算 中 图 分 类 号 ：ＴＫ８３ 文 献 标 识 码 ：Ｂ
分析。
２０１２ 年 第 ３ 期 高 俊 云 ，等 ：风 力 发 电 机 组 的 载 荷 特 征 及 计 算
· ２０５ ·
ＩＥＣ６１４００－１；ＧＬ Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅ（Ｏｆｆｓｈｏｒｅ）２００５；ＤＮＶ－ ＯＳ－Ｊ１０１ 等 。 ２ 载 荷 种 类 及 工 况 分 类
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。
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］
（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 。
（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。
图２ 轮毂中心风速ｖｈｕｂ ＝２５ｍ／ｓ的极端操作阵风（ＥＯＧ）
３ 载 荷 计 算 方 法 及 常 用 软 件 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 。 ［４］ 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。
概括起来，作用在 风 力 发 电 机 组 上 的 载 荷 主 要 包 括 ： ［１，２］
（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 。
目前，风力发电机 组 的 载 荷 计 算 主 要 通 过 专 用 软 件进行，如 ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ、ＡｅｒｏＦｌｅｘ５、ＦＡＳＴ 等。 其 中， ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 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 ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ软件的菜单模块和计算模块。
第 ３ 期 （总 第 １７２ 期 ） ２０１２ 年 ６ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１２）０３－０２０４－０２
Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．
风力发电机组的载荷特征及计算
高俊云，王首成
（太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 ０３００２４）
金属间化合物涂层的研究［Ｊ］．金 属 热 处 理，２００７，３２（６）： ５４－５６． ［４］ 钱苗 根，姚 寿 山，张 少 宗．现 代 表 面 技 术 ［Ｍ］．北 京：机 械 工 业 出 版 社 ，２００９． ［５］ 朱驰宇，刘建平．ＣＦＢ 机组锅炉水冷壁管 喷 涂 技 术 研 究 及 应 用 ［Ｊ］．东 北 电 力 技 术 ，２００９（２）：２７－３１． ［６］ 朱胜，郭迎春．新型高效超音速 等 离 子 弧 喷 涂 技 术 研 究 与 开 发 ［Ｊ］．机 械 工 人 ，２００５（９）：２４－２７． ［７］ 卜恒勇，卢晨．冷喷涂技 术 的 研 究 现 状 及 进 展 ［Ｊ］．材 料 工 程 ，２０１０（１）：９４－９７． ［８］ 郑涛，陈辉，代 双 贺．冷 喷 涂 技 术 及 涂 层 处 理 工 艺 的 研 究
图 １ 风 力 发 电 机 组 各 子 系 统 关 系 图
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ＩＥＣ ６１４００－１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 ＤＳ ４７２标准《风力机结构安全和载荷实施规则》。
０ 引 言 风 力 发 电 机 组 简 称 风 力 机 ，是 通 过 叶 片 吸 收 风 能 ，
将风能转化为风轮的 旋 转 机 械 能，再 通 过 发 电 机 将 机 械能转化为电能，并 将 电 能 输 入 电 网 的 一 种 高 技 术 密 集型产品。
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 载 荷 计 算 的 作 用 及 相 关 标 准
（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［３］，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 ＝２５ ｍ／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