風(fēng)電機(jī)組葉片技術(shù)升級(jí)中性能與載荷評(píng)估研究

【摘要】早期安裝的一些風(fēng)電機(jī)組因存在葉片及其相關(guān)部件性能劣化甚至于損壞等問(wèn)題，開(kāi)展葉片技術(shù)升級(jí)改造工作勢(shì)在必行。葉片技術(shù)改造中涉及到機(jī)組本體及機(jī)械結(jié)構(gòu)部件受力變化，因此需對(duì)改造后的機(jī)組做性能與載荷評(píng)估。本文基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)范和相關(guān)的部件設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，采用Bladed軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，提出了具體的性能與載荷評(píng)估研究?jī)?nèi)容及方法，以保證機(jī)組升級(jí)改造后的安全可靠運(yùn)行?！娟P(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

葉片

技術(shù)升級(jí)

載荷評(píng)估引言風(fēng)電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量發(fā)展是落實(shí)雙碳目標(biāo)任務(wù)的重要抉擇。隨著中國(guó)風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，到2021年底我國(guó)風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量超過(guò)了3億千瓦。早期安裝的風(fēng)電機(jī)組因受當(dāng)時(shí)機(jī)組設(shè)計(jì)、配套部件生產(chǎn)開(kāi)發(fā)條件所限，葉片長(zhǎng)度短、掃風(fēng)面積小，風(fēng)能利用系數(shù)效率較低，隨著風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步，針對(duì)同等功率條件下的風(fēng)電機(jī)組，增加葉片長(zhǎng)度即增大風(fēng)輪直徑成為提升機(jī)組發(fā)電量不可缺失的必要手段。包括采用長(zhǎng)度更長(zhǎng)且效率更高的葉片替換，這種方式提升發(fā)電量效果明顯，一般能在三到五年內(nèi)收回改造成本。因此，長(zhǎng)葉片替換改造已成為近幾年風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)升級(jí)改造的一種重要方式。本文以風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)葉片替換原葉片的技改工作為背景，提出來(lái)適用于特定風(fēng)電場(chǎng)多參數(shù)的載荷計(jì)算模型，以及基本的計(jì)算分析方法。通過(guò)技改前后機(jī)組性能與載荷仿真計(jì)算結(jié)果全面的對(duì)比，研究分析了機(jī)組在技改前后的性能變化規(guī)律。同時(shí)，重點(diǎn)對(duì)比分析了技改前后葉片根部、輪轂中心、塔筒頂部以及底部四個(gè)關(guān)鍵位置與機(jī)組設(shè)計(jì)有關(guān)的極限和疲勞載荷分量，以及受影響的部件及系統(tǒng)。1.載荷評(píng)估研究?jī)?nèi)容1.1性能和載荷仿真模型依據(jù)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)模型程序進(jìn)行載荷和性能仿真計(jì)算與分析，由此得到各主要零部件的載荷分量。在動(dòng)力學(xué)模型程序中建立技術(shù)升級(jí)后的機(jī)組模型過(guò)程中，要與原有設(shè)計(jì)的機(jī)組模型逐一比對(duì)，包括但不限于葉片質(zhì)量與剛度分布、塔筒直徑&壁厚及剛度、傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比&效率&轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、控制系統(tǒng)參數(shù)等等，同時(shí)考慮結(jié)合風(fēng)場(chǎng)調(diào)試時(shí)的參數(shù)實(shí)際設(shè)置值。確定整機(jī)模型后，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，包括：空氣動(dòng)力計(jì)算、性能參數(shù)計(jì)算、功率曲線、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行載荷計(jì)算、穩(wěn)態(tài)停機(jī)載荷計(jì)算等，并且與原模型相對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行參照比對(duì)，以防止發(fā)生參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或參數(shù)修改不合理問(wèn)題。風(fēng)電機(jī)組整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型包括風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)模型和傳動(dòng)鏈及塔筒動(dòng)力學(xué)模型。其中，風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)模型為風(fēng)輪吸收空氣動(dòng)能能力。就風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)模型而言，將根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)特定場(chǎng)址情況，針對(duì)風(fēng)場(chǎng)所處天氣資源條件，合理確定空氣密度、年平均風(fēng)速、極限風(fēng)速、風(fēng)剪切指數(shù)、湍流強(qiáng)度、運(yùn)行及生存溫度等基本參數(shù)值。若該風(fēng)場(chǎng)屬于山地型，必須選取該風(fēng)場(chǎng)內(nèi)最不利的機(jī)組點(diǎn)位作為校核首選機(jī)位，將該機(jī)位處實(shí)際的來(lái)流角度、湍流強(qiáng)度等參數(shù)實(shí)際值作為載荷校核時(shí)的實(shí)際輸入值。最為不利的機(jī)位一般可通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址計(jì)算分析結(jié)果來(lái)選取。隨著時(shí)代發(fā)展，機(jī)組原設(shè)計(jì)使用的計(jì)算分析軟件版本、計(jì)算方法和適用的標(biāo)準(zhǔn)版本大多都會(huì)有所升級(jí)，技術(shù)升級(jí)改造驗(yàn)證時(shí)建議選擇采用原版本或原方法做對(duì)比性研究，以保持基準(zhǔn)統(tǒng)一。1.2計(jì)算分析方法在風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)模型程序中實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)后的機(jī)組模型建模后，可按照IEC標(biāo)準(zhǔn)[5]規(guī)定的計(jì)算工況，包括但不限于發(fā)電工況、發(fā)電并帶有故障工況、正常關(guān)機(jī)、緊急停機(jī)、空轉(zhuǎn)、停機(jī)兼故障、維修等工況。同時(shí)，在機(jī)組技術(shù)升級(jí)后進(jìn)行控制參數(shù)和控制策略的調(diào)優(yōu)，確保機(jī)組安全可靠，保證發(fā)電能力。在完成上述工況計(jì)算后分析得出該機(jī)組的極限載荷與疲勞載荷。其中，疲勞載荷是基于三維湍流模型風(fēng)的模擬計(jì)算結(jié)果。氣動(dòng)載荷計(jì)算采用葉素理論和動(dòng)量原理，同時(shí)包含葉尖損失模型。最后，根據(jù)該計(jì)算結(jié)果與原有模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，其中包括極限載荷和等效疲勞載荷對(duì)比分析。在計(jì)算載荷時(shí)，須同時(shí)兼顧考慮的因素：振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、地球引力引起的載荷；空氣動(dòng)力載荷；運(yùn)行和控制產(chǎn)生的沖擊載荷；風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)不平衡性；塔影效應(yīng)；局部安全系數(shù)；如必要需考慮適當(dāng)?shù)谋d等。在做機(jī)組穩(wěn)定性性能分析時(shí)，要對(duì)機(jī)組一些關(guān)鍵參數(shù)及變化曲線進(jìn)行分析，包括對(duì)應(yīng)不同風(fēng)速下機(jī)組發(fā)電功率、風(fēng)能利用系數(shù)、推力系數(shù)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩變化趨勢(shì)等。風(fēng)能利用系數(shù)代表風(fēng)輪風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，其公式為

（1）其中，代表為風(fēng)電機(jī)組軸功率，代表空氣密度，代表風(fēng)輪掃風(fēng)面積，代表風(fēng)速。推力系數(shù)代表風(fēng)輪所受阻力的特征系數(shù)，其公式為（2）其中，代表為風(fēng)輪所受推力，代表空氣密度，代表風(fēng)輪掃風(fēng)面積，代表風(fēng)速。為了保證載荷計(jì)算分析的一致性，在載荷計(jì)算過(guò)程中采用4種坐標(biāo)系來(lái)做載荷對(duì)比分析研究，即：葉根坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)輪轂坐標(biāo)系、靜止輪轂坐標(biāo)系、塔筒坐標(biāo)系。圖1：葉根參考坐標(biāo)系圖2：輪轂計(jì)算參考坐標(biāo)系（旋轉(zhuǎn)）圖3：輪轂計(jì)算參考坐標(biāo)系（靜止）圖4：塔筒計(jì)算參考坐標(biāo)系在對(duì)技術(shù)升級(jí)后的機(jī)組所受載荷與原有機(jī)組所受載荷作對(duì)比分析時(shí)，需根據(jù)以上4種坐標(biāo)系對(duì)葉片根部、輪轂、塔筒頂部和塔筒底部的4處的極限載荷和疲勞載荷分別進(jìn)行對(duì)比得出分析結(jié)論，一般以技術(shù)升級(jí)后機(jī)組所受的主要載荷（以葉根極限載荷為例，對(duì)比Mxy、Mz、Fxy、Fz四個(gè)方向載荷）不超過(guò)對(duì)應(yīng)位置處原設(shè)計(jì)載荷5%較為合適。如超載，則需要考慮與該位置處相關(guān)聯(lián)部件的實(shí)際設(shè)計(jì)載荷后再做進(jìn)一步定論。對(duì)機(jī)組進(jìn)行技術(shù)升級(jí)后，有些操作（如葉片更換、機(jī)組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速范圍調(diào)整等等）可能涉及機(jī)組部件固有頻率的變化，需通過(guò)坎貝爾圖對(duì)機(jī)組整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，檢查核對(duì)升級(jí)后的機(jī)組是否存在共振現(xiàn)象；以及為了防止機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生掃塔、飛車(chē)等問(wèn)題發(fā)生，還需要校核葉尖與塔筒壁的最小凈空以及風(fēng)輪最大轉(zhuǎn)速。2.技術(shù)升級(jí)案例分析本文以某風(fēng)場(chǎng)安裝的功率1.5兆瓦風(fēng)輪直徑77米的機(jī)組為技術(shù)升級(jí)改造的對(duì)象，該機(jī)組葉片長(zhǎng)度37.5米（簡(jiǎn)稱(chēng)為“1577機(jī)型”）。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析研究，考慮將風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組全部替換為長(zhǎng)度40.3米的葉片，即升級(jí)為風(fēng)輪直徑82米的機(jī)組（簡(jiǎn)稱(chēng)為“1582機(jī)型”）。替換后，風(fēng)輪掃風(fēng)面積增加近7%，同時(shí)風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)在機(jī)組功率曲線爬坡階段有所增加，在中低風(fēng)速地區(qū)年發(fā)電量可提升5%到10%左右。2.1技術(shù)升級(jí)前后機(jī)組性能對(duì)比分析風(fēng)電機(jī)組安裝更換不同規(guī)格型號(hào)的葉片，都要進(jìn)一步核算機(jī)組的共振情況，圖5中以坎貝爾圖展示出，在風(fēng)輪最小轉(zhuǎn)速到最大轉(zhuǎn)速之間，風(fēng)輪一階/三階/六階固有頻率有效避開(kāi)了塔筒的一階和二階固有頻率。圖5：1582機(jī)型坎貝爾圖圖6為技術(shù)升級(jí)前后即葉片更換前后機(jī)組的功率曲線表現(xiàn)，針對(duì)統(tǒng)一風(fēng)速情況下，可以看出在機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電后1582機(jī)型比1577機(jī)型發(fā)電功率有較為提高；針對(duì)同一發(fā)電功率情況，前者在較低風(fēng)速下就可以達(dá)到該發(fā)電功率。就兩條曲線變化趨勢(shì)整體比較而言，前者比后者有明顯向左水平移動(dòng)趨勢(shì)。圖6：1582機(jī)型與1577機(jī)型發(fā)電功率變化對(duì)比圖7：1582機(jī)型與1577機(jī)型參數(shù)Cp對(duì)比圖圖7為技術(shù)升級(jí)前后即葉片更換前后機(jī)組風(fēng)輪能量利用系數(shù)表現(xiàn)行為，在低風(fēng)速下到1582機(jī)型額定前（額定風(fēng)速大致在10.5m/s左右）時(shí)，1582機(jī)型與1577機(jī)型風(fēng)輪能量系數(shù)相比，前者明顯高于后者。在額定風(fēng)速前后，能量利用系數(shù)值開(kāi)始調(diào)整有降低趨向。隨著風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速以后，風(fēng)速一再增加，即公式1中分母增大；機(jī)組因額定功率所限，所吸收風(fēng)能已為最大定值不再改變，即公式1中分子保持不變、分母增大則風(fēng)輪能量利用系數(shù)逐漸走低。圖8為技術(shù)升級(jí)前后風(fēng)輪所受到的推力系數(shù)表現(xiàn)。圖8：1582與1577機(jī)型參數(shù)CT對(duì)比圖圖9：1582機(jī)型與1577機(jī)型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速對(duì)比圖圖9為技術(shù)升級(jí)前后即葉片更換前后機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速表現(xiàn)行為，從啟動(dòng)風(fēng)速3m/s到5m/s左右時(shí)，1582機(jī)型與1577機(jī)型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速保持在較低的恒定值，然后因機(jī)組控制技術(shù)使得機(jī)組保持在值為最優(yōu)即最大的工作狀態(tài)，這時(shí)機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速呈線性增加，在達(dá)到某一風(fēng)速（如：1582機(jī)型為8m/s左右）時(shí)，因發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速一定，對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速額定值也將保持一定，即風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在靜態(tài)計(jì)算情況下將保持不變?yōu)?7.4rpm。對(duì)應(yīng)機(jī)組控制技術(shù)使得風(fēng)輪轉(zhuǎn)速線性增加先達(dá)到額定值，風(fēng)輪扭矩繼續(xù)呈曲線增加，一直到機(jī)組滿(mǎn)發(fā)達(dá)到額定功率位置時(shí)扭矩不再增加，圖10真實(shí)反映出這一點(diǎn)升級(jí)前后風(fēng)輪扭矩的變化趨勢(shì)。圖10：1582與1577機(jī)型風(fēng)輪扭矩對(duì)比圖2.2技術(shù)升級(jí)前后機(jī)組載荷對(duì)比分析上面針對(duì)1582機(jī)型性能與原1577機(jī)型的一些性能做了對(duì)比，在這里再將兩種機(jī)型的極限、疲勞載荷做一對(duì)比。2.2.1極限載荷對(duì)比表1為1582機(jī)型與1577機(jī)型在葉根、輪轂中心、塔筒頂部和塔筒底部極限載荷主要分量比值，其它極限載荷分量比值將不予考慮。表1：1582與1577機(jī)型極限載荷比值葉片根部載荷影響輪轂和變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如表1和圖11。在葉片根部極限載荷里，1582機(jī)型Mz、Fxy比1577機(jī)型小，而Mxy和Fz比后者稍大，在3%以?xún)?nèi)，其影響很小，不用考慮進(jìn)一步校核。圖11：1582機(jī)型與1577機(jī)型葉片根部極限載荷比值

該機(jī)型傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)屬于主軸內(nèi)置于齒輪箱結(jié)構(gòu)形式，即輪轂與齒輪箱直接通過(guò)螺栓來(lái)連接。輪轂中心處載荷將影響齒輪箱、主機(jī)架及連接螺栓等相關(guān)件的設(shè)計(jì)，載荷比值如表1和圖12。

圖12：1582與1577機(jī)型輪轂中心極限載荷比值無(wú)論是在旋轉(zhuǎn)還是靜止坐標(biāo)系下，在輪轂中心處，1582機(jī)型Mx載荷比1577機(jī)型Mx載荷大6%，載荷（Mxy、Fx、Fyz）兩者比值不超過(guò)5%要求，可不考慮進(jìn)一步校核。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，該位置處極限載荷將影響輪轂與齒輪箱之間的連接螺栓以及齒輪箱本體，因齒輪箱設(shè)計(jì)載荷都要大于1577機(jī)型對(duì)應(yīng)方向上載荷，且使得1582機(jī)型對(duì)應(yīng)方向上載荷與齒輪箱對(duì)應(yīng)方向上載荷設(shè)計(jì)值比較接近1，所以，1582機(jī)型的齒輪箱以及輪轂與齒輪箱之間的連接螺栓是安全的。在靜止坐標(biāo)系下，該位置處極限載荷將影響影響主機(jī)架，以及齒輪箱與主機(jī)架之間的連接螺栓。通過(guò)對(duì)1582機(jī)型主機(jī)架及與主機(jī)架之間的連接螺栓的計(jì)算報(bào)告得出，各個(gè)部件的極限應(yīng)力都在允許的范圍之內(nèi)。圖13：1582與1577機(jī)型塔筒頂部極限載荷比值塔筒頂部載荷影響偏航系統(tǒng)設(shè)計(jì)，載荷比值如表1和圖13。在塔筒頂部極限載荷里，1582機(jī)型主要載荷分量Mxy、Mz和Fxy比1577的小，而主要載荷分量Fz比1577機(jī)型稍大，但影響很小，可以忽略不計(jì)。塔筒底部載荷影響基礎(chǔ)部分設(shè)計(jì)，載荷比值如表1和圖14，1582機(jī)型主要載荷比1577機(jī)型對(duì)應(yīng)載荷分量要小。圖14：1582與1577機(jī)型塔筒底部極限載荷比值2.2.2疲勞載荷對(duì)比表2為1582機(jī)型與1577機(jī)型在葉根疲勞載荷比值。葉片根部疲勞載荷影響輪轂和變槳系統(tǒng)。1582機(jī)型的Mx、Mz，F(xiàn)y和Fz比1577機(jī)型的大，但是通過(guò)對(duì)1582機(jī)型輪轂疲勞計(jì)算分析，其疲勞損傷值在允許范圍內(nèi)（詳見(jiàn)1582機(jī)型輪轂強(qiáng)度分析報(bào)告）。Mz影響變槳驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)1582機(jī)型和1577機(jī)型變槳驅(qū)動(dòng)力矩分布圖對(duì)比分析，1582機(jī)型變槳驅(qū)動(dòng)力矩分布與1577機(jī)型變槳驅(qū)動(dòng)力矩分布趨勢(shì)一致。表2：1582與1577機(jī)型葉根疲勞載荷比值表3：1582與1577機(jī)型旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下輪轂中心疲勞載荷比值無(wú)論是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系還是靜止坐標(biāo)系，輪轂中心疲勞載荷將影響對(duì)主軸、齒輪箱、主機(jī)架、連接螺栓以及相關(guān)部件，影響最大的載荷分量是Mx、My和Mz。1582機(jī)型的Mx、My和Mz和Fx都比1577機(jī)型的小，F(xiàn)y和Fz增加量對(duì)這些部件的設(shè)計(jì)影響基本忽略。表4：1582與1577機(jī)型靜止坐標(biāo)系下輪轂中心疲勞載荷比值塔筒頂部疲勞載荷影響偏航系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中影響最大的載荷分量是Mx，My和Mz，而Fz（向上的拉力）只影響塔筒頂部的螺栓以及滑動(dòng)軸承的墊片受力情況。表5中，對(duì)于1582機(jī)型載荷分量Fz比1577機(jī)型對(duì)應(yīng)載荷分量大，但是由于Fz的影響非常小，不會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行，可忽略不計(jì)。塔筒底部疲勞載荷影響基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，表6中1582機(jī)型所有疲勞載荷分量都小于1577機(jī)型對(duì)應(yīng)載荷分量。表5：1582與1577機(jī)型塔筒頂部疲勞載荷比值表6：1582與1577機(jī)型塔筒底部疲勞載荷比值3.結(jié)論本文盡管僅是針對(duì)葉片替換升級(jí)過(guò)程中涉及的技術(shù)問(wèn)題，但是本文所涉及的研究方法和內(nèi)容是在基于適用于特定風(fēng)電場(chǎng)的多參數(shù)、多工況及約束條件的計(jì)算模型基礎(chǔ)上，提出來(lái)