王清波 陳婷

摘 要：風(fēng)電機(jī)組在低溫環(huán)境中運(yùn)行，葉片、輪轂、機(jī)艙和塔筒等往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，尤其在一些寒冷地區(qū)，全年風(fēng)電機(jī)組結(jié)冰甚至能達(dá)3～4月之久。風(fēng)機(jī)大部件結(jié)冰后改變了原來(lái)的形狀，增加了重量，改變了整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的固有頻率，進(jìn)而影響機(jī)組的載荷特性。本文以某2.5MW機(jī)組為研究對(duì)象，采用GH Bladed軟件建立風(fēng)電機(jī)組模型，結(jié)合寒冷地區(qū)特定環(huán)境特點(diǎn)，考慮結(jié)冰、不結(jié)冰對(duì)機(jī)組載荷的影響，分析了結(jié)冰前后機(jī)組大部件極限載荷和疲勞載荷的變化情況，為設(shè)計(jì)低溫型機(jī)組提供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組;結(jié)冰;極限載荷;疲勞載荷

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)北方大部分地區(qū)極端低溫在-25～-30℃，局部地區(qū)能達(dá)到-35～-40℃，新疆以北和黑龍江漠河地區(qū)極端溫度更低，且持續(xù)時(shí)間可達(dá)3～4個(gè)月。針對(duì)低溫環(huán)境，相關(guān)部門盡管出臺(tái)了低溫型機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，但并未充分考慮結(jié)冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷的影響，尤其是對(duì)風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷的影響。因此，研究結(jié)冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷的影響具有十分重要的意義。

近年來(lái)，風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)冰問(wèn)題引起了人們的廣泛關(guān)注，許多學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)和仿真的方式對(duì)葉片結(jié)冰、除冰情況以及結(jié)冰對(duì)氣動(dòng)性能的影響等做了調(diào)查和研究[2-4]。劉國(guó)特等[5]采用結(jié)冰和流體仿真軟件計(jì)算了葉片結(jié)冰前后空氣流場(chǎng)、翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)，得出雨凇加劇破壞翼型氣動(dòng)性能，對(duì)翼型升阻特性影響較大的結(jié)論。付忠廣等[6]采用流體軟件對(duì)幾種典型覆冰形態(tài)的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，得出葉片前緣覆冰會(huì)造成翼型升阻比減小、沿弦長(zhǎng)方向覆冰對(duì)邊界層流動(dòng)影響較小的結(jié)論。雷利斌等[7]對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰診斷技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)分析不同溫度和振型下的振型曲率與覆冰的關(guān)系，得出了覆冰位置診斷閾值函數(shù)以及厚度計(jì)算公式，并通過(guò)驗(yàn)算證實(shí)了該公式的可靠性。蔣維等[8]使用流體軟件對(duì)多個(gè)翼型截面覆冰進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰前后性能進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)葉片覆冰機(jī)理和機(jī)組運(yùn)行控制具有一定的指導(dǎo)意義。易賢等[9]提出了風(fēng)機(jī)結(jié)冰過(guò)程的三維數(shù)值方法，得出結(jié)冰對(duì)葉根附近壓力載荷分布影響小、對(duì)葉尖附件載荷影響大的結(jié)論。此外，還有很多學(xué)者研究了結(jié)冰對(duì)風(fēng)機(jī)葉片性能的影響[10-13]。

綜上所述，在現(xiàn)有的研究中，僅考慮了葉片結(jié)冰對(duì)機(jī)組極限載荷的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，除葉片結(jié)冰外，輪轂、機(jī)艙和塔筒也會(huì)結(jié)冰，尤其是塔筒結(jié)冰，不僅會(huì)影響塔筒自重，還會(huì)改變塔筒形狀，從而改變塔筒的抗彎剛度和抗扭剛度，進(jìn)而影響機(jī)組載荷。結(jié)冰對(duì)機(jī)組疲勞載荷的影響幾乎都被忽略，但對(duì)于機(jī)組全年結(jié)冰達(dá)3～4個(gè)月的寒冷地區(qū)，結(jié)冰對(duì)機(jī)組疲勞載荷的影響顯然不能忽略。本文以某2.5MW直驅(qū)風(fēng)機(jī)組為例，考慮北歐地區(qū)特殊的環(huán)境，計(jì)算分析了葉片、輪轂、機(jī)艙和塔筒結(jié)冰與否對(duì)機(jī)組極限載荷和疲勞載荷的影響。

1 2.5MW機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)冰工況

以某2.5MW直驅(qū)風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，該機(jī)組按GL 2010標(biāo)準(zhǔn)[14]IIIA安全等級(jí)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)GL 2010標(biāo)準(zhǔn)，IIIA安全等級(jí)輪轂高度處五十年一遇，10min平均風(fēng)速為37.5m/s，15m/s風(fēng)速對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度為18%。根據(jù)規(guī)范，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的設(shè)計(jì)載荷工況包括正常設(shè)計(jì)狀況與正常外部條件;正常設(shè)計(jì)狀況與極端外部條件;故障設(shè)計(jì)狀況與相應(yīng)外部條件;運(yùn)輸、安裝和維護(hù)的設(shè)計(jì)狀況與相應(yīng)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(fēng)廓線模型;EOG為極限運(yùn)行陣風(fēng)模型。參考《Wind Turbines，Part 1：Design Requirement》（IEC 61400-1-2005）[15]，仿真中DLC1.1、DLC6.4每個(gè)風(fēng)速下使用12個(gè)風(fēng)種子，極限載荷取12個(gè)風(fēng)種子的前6個(gè)最大值的平均值。

2 結(jié)冰后機(jī)組大部件性能及質(zhì)量變化

對(duì)于風(fēng)機(jī)非旋轉(zhuǎn)部分的結(jié)冰，規(guī)范假定暴露在外面的表面結(jié)冰厚度為30mm，冰的密度[ρE]視為700kg/m3。根據(jù)計(jì)算，單只葉片結(jié)冰質(zhì)量為461kg，輪轂結(jié)冰質(zhì)量為667.98kg，機(jī)艙結(jié)冰質(zhì)量為3 572.1kg，塔筒結(jié)冰質(zhì)量為22 869kg。對(duì)于輪轂和機(jī)艙結(jié)冰質(zhì)量，仿真時(shí)可以直接作為集中質(zhì)量施加在重心處。塔筒尺寸較大，如果結(jié)冰質(zhì)量作為點(diǎn)質(zhì)量施加在塔筒某處，勢(shì)必會(huì)影響載荷計(jì)算的精度。為使塔筒結(jié)冰質(zhì)量均勻施加在塔筒上，可以采取先計(jì)算塔筒結(jié)冰后的總質(zhì)量，再將塔筒材料密度換算成等效密度，從而將結(jié)冰質(zhì)量均勻施加到塔筒上。

結(jié)冰會(huì)造成部件固有頻率變化，葉片和塔筒固有頻率改變將對(duì)機(jī)組載荷造成很大影響。風(fēng)機(jī)結(jié)冰前后葉片和塔筒相關(guān)頻率變化見表3。

為防止機(jī)組共振，風(fēng)機(jī)塔筒固有頻率要避開風(fēng)輪相應(yīng)轉(zhuǎn)頻，GL 2010規(guī)范規(guī)定風(fēng)機(jī)塔筒一階彎曲振動(dòng)固有頻率必須遠(yuǎn)離風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P和3P達(dá)5%。為保險(xiǎn)起見，很多風(fēng)機(jī)整機(jī)生產(chǎn)廠家往往將5%改為10%。對(duì)于風(fēng)機(jī)共振問(wèn)題，可以使用Campbell圖進(jìn)行分析，以某2.5MW機(jī)型為例，其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為7.8～14.5r/min，轉(zhuǎn)頻1P和3P分別為0.13和0.39，風(fēng)機(jī)塔筒一階固有頻率為0.302Hz，轉(zhuǎn)頻1P和3P與塔筒一階彎曲振動(dòng)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(jié)冰后塔筒的一階彎曲振動(dòng)頻率變?yōu)?.295Hz，轉(zhuǎn)頻1P和3P與塔筒一階彎曲振動(dòng)固有頻率的比值分別為0.44和1.32，結(jié)冰后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P和3P遠(yuǎn)離了塔筒一階彎曲振動(dòng)固有頻率，防共振設(shè)計(jì)將更加保守。

3 機(jī)組結(jié)冰載荷分析

GL標(biāo)準(zhǔn)中葉片、輪轂和塔筒坐標(biāo)系如圖1所示。

從表4至表6可知，葉片結(jié)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(xiàn)在DLC1.5極端運(yùn)行陣風(fēng)模型（一年一遇）加斷網(wǎng)工況;旋轉(zhuǎn)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(xiàn)在DLC1.1正常湍流模型切出風(fēng)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%?？梢悦黠@看出，Mz增大明顯，最大值出現(xiàn)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(xiàn)在DLC6.2極端風(fēng)速加電網(wǎng)故障工況，My和Mz的最大值均出現(xiàn)在DLC1.6極端運(yùn)行陣風(fēng)模型（五十年一遇）工況。

假設(shè)機(jī)組全年結(jié)冰期為一個(gè)月，結(jié)冰前后風(fēng)機(jī)各關(guān)鍵部位等效疲勞載荷見表8。從中可以看出，結(jié)冰后的葉根等效疲勞載荷My（SN=10）增加11.2%;旋轉(zhuǎn)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(jié)論

建立了某2.5MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的Bladed模型，計(jì)算分析了葉片、輪轂、機(jī)艙和塔筒結(jié)冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組頻率和載荷的影響，結(jié)論如下。

①機(jī)組葉片和塔筒結(jié)冰，葉片和塔筒的固有頻率減小，降低了風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P和3P與塔筒一階彎曲振動(dòng)固有頻率的比值，風(fēng)機(jī)防共振設(shè)計(jì)更加保守。

②結(jié)冰使葉根極限載荷Mxy增大3.6%，考慮一般機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)變槳軸承安全余量（大于5%），結(jié)冰并不需要加強(qiáng)變槳軸承的極限強(qiáng)度。結(jié)冰對(duì)葉根極限載荷Mz影響較小，可以忽略，無(wú)需重新調(diào)整變槳電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩。

③結(jié)冰對(duì)輪轂和偏航軸承Mz影響較大，必須重新調(diào)整偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的極限值，防止偏航故障發(fā)生。

④結(jié)冰對(duì)機(jī)組塔底極限載荷Mz影響較大，對(duì)安裝在寒冷地區(qū)的風(fēng)機(jī)，基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)剛度和塔底螺栓剪切極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)更加保守。

⑤結(jié)冰對(duì)葉根和塔底的等效疲勞載荷影響較大，對(duì)安裝在寒冷地區(qū)的風(fēng)機(jī)，計(jì)算機(jī)組等效疲勞載荷時(shí)，必須考慮機(jī)組全年結(jié)冰時(shí)間，防止變槳系統(tǒng)、塔底螺栓疲勞失效。

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