風(fēng)力發(fā)電機載荷特性

1、風(fēng)力機載荷風(fēng)力機載荷情況風(fēng)力機載荷是風(fēng)力機設(shè)計和風(fēng)力機認(rèn)證時的重要依據(jù)，用于對風(fēng)力機進(jìn)行靜強度和疲勞 強度分析。目前，國際上有很多規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)力機載荷做了詳細(xì)的規(guī)定。其中應(yīng)用最廣的 是 IEC61400-1 標(biāo)準(zhǔn)。載荷分類作用在風(fēng)力機上的載荷主要包括：（1）空氣動力載荷；（2）重力載荷；（3）慣性載荷，包括離心力和科氏力等；（4）操縱載荷；（5）其他載荷，如結(jié)冰載荷根據(jù)載荷的性質(zhì)，在風(fēng)力機上的載荷可分為靜載荷、定常載荷、周期載荷、瞬態(tài)載荷、 脈沖載荷、隨機載荷和諧振載荷等。載荷情況由不同的外部條件與風(fēng)力機工作狀態(tài)組合而成，主要包括：正常外部條件與風(fēng)力機 正常工作狀態(tài)組合；正常外部條件與風(fēng)力機

2、故障工作狀態(tài)組合；極端外部條件與風(fēng)力機 正常工作狀態(tài)組合。根據(jù)IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，載荷情況如表5-1所列。表51載荷情況_ （塑幌方機工作狀態(tài)X 保其他條件 分析安風(fēng)力機工作狀態(tài)載荷情扼X宕其他條件B.場輸、安裝.維護(hù)和峰理 -S.I由制遣商規(guī)定UT-若未規(guī)定應(yīng)使用 財注：矗中N.4T和* “分別指正常，非正常，通翰、安裝和疲勞等局部安全系數(shù)； 和分劇為切入風(fēng)逢、額定隘速.切眼風(fēng)速.輪轂高度lOmin 平均風(fēng)速和參考風(fēng)朝；孔和么分別為1年一遇和50年遇糧端風(fēng)速普以 F 分別指樹眼載荷分析和疲勞裁荷分析i WTM、FW、制VP、LjOC、EWS、EDG,E&；： KWht翱別為叫10

3、- 1州定的各種以謝模型+箕中NFM指正常都嶙風(fēng)模 型，ECD指報端持續(xù)陳風(fēng)井伴隨方面變化指正常風(fēng)速剖面橫蟹、ROCl指 1年-遇極端遂行陣風(fēng)，眄指鄒年-調(diào)槌期論行陣風(fēng).EWS指槌端風(fēng)速可 切度嘖，EDC,指1年一遇撒喘方向變化rEIK別指50年一遇楹端方向囊彳匕ECG 指極端持唉陣風(fēng)，EWM指槌端風(fēng)速模51.戰(zhàn)方機工作狀妾情況K井他條作分析美墅局部安傘系散L蜜電1JNTMrw = K 或 i_1NL214 13gSiUNUNWP*i= K 藏 U外部也器故障VN1.3EOGtfrw 蘭 ir A i j電器接頭拙壞Uti拓段.也i或匚UN1.7gFi=此或AVNI.KnxxW,或峪UNL9k

4、l.:(;iw = n廿N2.鬻也輯掖隘2.1swp1= %二七控制系醍故障VN2.2IWPL= XL保護(hù)桌統(tǒng)或肉牌電奇故障trA2.3NTM投制或課IP系晚赦障F 3- 口動3dWTF .：E(XAw - *. K： K-U3 3EDG.匕，F(xiàn)0rN4.正鑿美饑44、WP一F 4.2頃Fi = 5 %uN5.理急美機5.1nwtJ-K亦uN&停機夜京赭丘1肄網(wǎng)略網(wǎng)司胞推牌uN627.!XTMFME、F7.群劇和描障EWMJ褊UA安全系數(shù)風(fēng)力機設(shè)計時，需要提供的是設(shè)計載荷財它和實際載荷Fr的關(guān)系是廣灣式中rf一載荷局部安全系數(shù)見表5-2所示：表52載荷局部安全系數(shù)蜀荷源不利戟荷1有利荷|風(fēng)力機

5、工作狀態(tài)全部風(fēng)力機 工作狀態(tài)正常和極展韭正常運輸和安裝空/地力單荷LMEJ1,5P 0.9操瓠覷荷1.331.1L50.9審力就荷Lt1.250.9慣性噓荷L25El1.3CL9注e當(dāng)質(zhì)it不是由稱雨前定時取1.玖風(fēng)力載荷計算風(fēng)力機載荷特性葉片上的載荷（1）空氣動力載荷作用在葉片上的包括擺振方向的剪力Qyb和彎矩Mxb、揮舞方向的剪力Qxb和彎矩Myb 以及變槳距時，與變槳距力矩平衡的葉片俯仰力矩Mzb。葉片上的空氣動力載荷可根據(jù)2.2 節(jié)中的動量葉素理論計算，計算時先求出軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b，再求得葉圖2-1葉素上的氣流速度三角形和空氣動力分量QxbQybMyb10 R2 r010

6、 R2 ropV2cC drpV2cC dr=10 R2pV2cC rdr1 OM b = 2 0 R pVjcCrdr式中R風(fēng)輪半徑；r0輪轂半徑。一般翼型空氣動力數(shù)據(jù)都是相對于翼型1/4弦線位置，因此，其俯仰力矩可表示為dM = 1 pV2c2C drzb 20 m式中Cm一翼型俯仰力矩系數(shù)。（2）重力載荷作用在葉片上的重力載荷對葉片產(chǎn)生擺振方向的彎矩，它隨著葉片方位角的變化呈現(xiàn)周 期的變化，是葉片的主要疲勞載荷。葉片上每個葉素有一個集中質(zhì)量m.，則由它產(chǎn)生的重力矩Mxg為M = 0 Rm. （r）gdr（3）慣性載荷葉片上的慣性載荷包括離心力和科氏力。離心力由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的作用在葉片

7、上的離心力總是沿葉片向外的。當(dāng)由于作用在葉片上 的揮舞方向彎矩使柔性葉片偏離風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面時，葉片上的離心力在揮舞方向產(chǎn)生的彎矩可 以減小葉片的偏離，稱之為離心力剛化葉片效應(yīng)。在葉片上由離心力產(chǎn)生的揮舞彎矩Myc可表示為M = 0 R Alm.Q2 $dr式中Al.第i段葉素偏離風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的距離。科氏力當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并同時作偏航運動時，葉片上產(chǎn)生垂直于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上的科氏力載荷。設(shè) 風(fēng)輪順時針旋轉(zhuǎn)速度為Q（rad/s），偏航順時針旋轉(zhuǎn)速度為八（rad/s），則由科氏力產(chǎn)生的葉 片揮舞彎矩Myk可表示為M = 2QA cos w 0 Rmr2dr= 2QA cos pI式中Ib葉片相對于葉根的慣性矩

8、；甲葉片方位角。（4）操縱載荷作用在風(fēng)力機上的操縱載荷是由于風(fēng)力機操縱時，對其部件施加的附加載荷，并由該 載荷引起風(fēng)力機部件加速度響應(yīng)而誘導(dǎo)產(chǎn)生的慣性載荷。葉片上的操縱載荷主要是在氣動剎 車或變槳距時產(chǎn)生的。輪轂上的載荷作用在輪轂（風(fēng)輪）上的載荷包括轉(zhuǎn)矩、軸向力、偏航力矩和俯仰力矩。一般，大型風(fēng) 力發(fā)電機組輪轂都是安置在整流罩內(nèi)，因此，作用在輪轂上的載荷主要是由葉片的載荷傳遞 到輪轂上。作用在輪轂（風(fēng)輪）上的轉(zhuǎn)矩是風(fēng)輪軸功率的來源，它由葉片擺振力矩Mxb合成 產(chǎn)生，與葉片揮舞力矩一樣隨葉片的方位角變化，如圖5-1所示。失速型風(fēng)力機和變速恒頻 型風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速變化情況不同：在高風(fēng)速區(qū)，失速

9、型風(fēng)力機靠葉片失速來控制轉(zhuǎn)矩 增加；而變速恒頻風(fēng)力機靠變化葉片槳距角來控制轉(zhuǎn)矩，使得其轉(zhuǎn)矩變化比失速型風(fēng)力機更平坦，如圖5-2所示。圖5-2風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速的變化情況（a） 300KW失速型風(fēng)力機；（b） 1500KW便速恒頻型風(fēng)力機圖5-1風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨葉片萬位角的變化作用在輪轂（風(fēng)輪）上的軸向力（推力）主要由葉片揮舞方向剪力Fx成產(chǎn)生。由于 風(fēng)剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)等影響，風(fēng)輪軸向力（推力）隨葉片方位角變化，如圖5-3所示。失 速型風(fēng)力機和變速恒頻型風(fēng)力機風(fēng)輪推力隨風(fēng)速增大而增大;而變速恒頻風(fēng)力機則由于葉片 槳距角的變化，使風(fēng)輪推力隨風(fēng)速增大而減小，如圖5-4所示。60120 ISO 2403003

10、60圖5-3風(fēng)輪軸向力隨葉片方位角的變化VAnVs)0)圖5-4風(fēng)輪軸向力隨風(fēng)速的變化情況（a） 300KW失速型風(fēng)力機；（b） 1500KW變速恒頻型風(fēng)力機。作用在輪轂（風(fēng)輪）上的偏航力矩和俯仰力矩是由于風(fēng)力機運行時風(fēng)輪葉片不對稱，葉 片在不同方位角時受到不均勻的載荷以及風(fēng)輪偏航運動和風(fēng)輪傾角等影響而產(chǎn)生的。圖5-5 給出了作用在輪轂（風(fēng)輪）上的偏航力矩隨葉片方位角的變化情況。平2）圖5-5風(fēng)輪偏航力矩隨葉片方位角的變化主軸上的載荷作用在主軸上的載荷主要是由于輪轂上的載荷傳遞的。它包括轉(zhuǎn)矩和兩個方向（水平方 向和垂直方向）的彎矩。主軸上的轉(zhuǎn)矩與輪轂上的轉(zhuǎn)矩相等；主軸上的水平方向彎矩與輪轂（風(fēng)

11、輪）上的偏航力矩相等；主軸上的垂直方向彎矩與輪轂（風(fēng)輪）上的俯仰力矩與風(fēng)輪系統(tǒng)的重力矩合成產(chǎn)生。除上述載荷外，還有在機械剎車時作用在主軸上的摩擦力和因發(fā)電機并網(wǎng)和掉網(wǎng)時作用 在主軸上的沖擊載荷。圖5-6給出了某風(fēng)力機在停機過程中作用在主軸上的轉(zhuǎn)矩的時間歷程曲線，由圖可知，在停機過程中對主軸作用一個脈沖載荷。機艙上的載荷機艙上的載荷包括作用在機艙罩上的載荷和作用在機艙底座上的載荷。作用在機艙罩上 的載荷主要是空氣動力載荷，作用在機艙底座上的載荷除了由風(fēng)輪系統(tǒng)傳遞的載荷外，還包 括機艙內(nèi)傳動系統(tǒng)傳遞的載荷。偏航系統(tǒng)上的載荷偏航系統(tǒng)上的載荷主要是從機艙傳遞的載荷，除重力外，還包括偏航力矩、俯仰力矩、 軸向力與側(cè)向力。另外，風(fēng)力機作偏航運動時，在偏航系統(tǒng)中還會產(chǎn)生操縱載荷。塔架上的載荷作用在塔架上的載荷包括扭矩和兩個方向（軸向和側(cè)向）的彎矩以及塔頂上的重力載荷。 塔架上的