电机组基本载荷分析与计算方法

1、风电机组的载荷分类和来源

静态负载:所谓静态负载,指的是风电机组在不转动的情况下,施加在其结构上各个部件的负载。

稳态负载:即在风电机组结构转动且其运动结构的负载不变的情况下,施加于其结构上各个部件的负载。

周期载荷:指在具有一定规则的周期变化中,叶片的转动引起的机动性组各结构部件的负载,由此可知,负载变化周期与风轮的转速变化之间的关系是呈整数倍变化的,由于风电机组有3个叶片,因此周期负载也体现了3倍。

瞬载、动负载、动力冲击:这是机组部件表现出的对瞬时外界负载的瞬态响应时变负载,驱动链刹车就是比较典型的情况。

脉动载荷:短周期内的是变负载,可以出现极大的尖峰值。

随机负载:即在风电机组上产生的随机性的时变负载,一般可保持相对稳定的平均值,但振幅很大。

谐振诱导负载:对风电机组的固有频率动态谐振响应形成的周期负载,主要由机组的设计不合理或在恶劣情况下运行而产生。

2、载荷源

一般情况下,兆瓦级风电机的叶片为截面内外翼型曲线的内部空心加肋架构,风是风力发电机组的主要载荷源,而自然界的风是多变的,尤其是风速对于风电机组的叶片载荷状态频率有决定性的作用,因此需要对机组所在场地的风速风布情况进行计算,相关公式为:

表示平均风速离地面高度为Z时的变化函数,结合正常风廓线幂定律给出公式:

该公式可以确定垂直方向穿过风轮扫掠面积的平均风切度。

自然风的风速变化具有随机性的特点,不可能永远保持10min的平均风速,这一现象被称为“风湍流”。风电机组的湍流模型构建即包括了风速、风向的变化,以及循环抽样的影响,相关模型的构建必须满足以下条件:

纵向风速分量标准差的特性值公式为:

风电机组基本载荷分析与计算方法

湍流纵向分量在接近惯性负区的高频尾端时,其功主谱密度应为渐进形式:

风电机组基本载荷分析与计算方法

3、载荷的简单计算

在兆瓦级风电机组中,永磁直驱机的机械结构相对比较简单,通过轮毂刚性连接3个叶片,并保持风轮的较小的仰角和不超过3°的锥角。当基本形体确定时,就可以进行载荷计算校核了。如图1所示。

风电机组基本载荷分析与计算方法

在以上叶片坐标系图中,FZB表示沿径向叶片变桨距轴线方向的离心力与重力的合力;表示叶片气动转矩和叶片质量引起的离心力合力矩。

FXB表示叶根的剪切力;MXB表示叶片在运转过程中的驱动力和停止运转时的惯性力矩。

FYB表示与主轴和叶片轴垂直的剪切力;MYB表示顺风方向叶片的弯矩。

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