《风力发电机组设计与制造》姚兴佳-第2章

第2章风电机组机械设计基础《风力发电机组设计与制造》设计中要考虑的外部条件由风电机组安装场地类型决定。风电机组等级是根据风速和湍流参数来划分的。划分等级的目的在于最大限度的利用风能。风速和湍流参数代表了相应风电机组安装场地的类型，而不是代表特定风场的详细参数。风电机组分级是指根据风速和湍流参数的不同，对风电机组安全等级进行一系列的明确定义。IEC61400-1：2005《风力发电机组-第1部分：设计要求》规定了风电机组安全等级的基本参数见表2-1所示。2.1风力发电机组的外部条件2.1.1风力发电机组等级vref——10min平均参考风速；A——表示高湍流特性等级；B——表示中湍流特性等级；C——表示低湍流特性等级；Iref——风速为15m/s时湍流强度的期望值。所设计的风电机组应能安全承受对应安全等级的风况。设计文件应对设计风况进行详细规定。从载荷和安全方面考虑，风况可分为正常风况和极端风况，正常风况指在风力机正常运行期间频繁出现的风况条件，而极端风况是指1年一遇或50年一遇的风况条件。在多数情况下，风况条件是由稳定的平均气流与变化的可确定的阵风或湍流结合而成。在所有情况下，应考虑平均气流与水平面夹角达8°时的影响。假定这个气流倾斜角不随高度变化。2.1.2风况2Rhubhubave1exp[π2]Pvvv瑞利分布：（1）风速分布：对风电机组影响较大，决定常规设计工况每种载荷状态的出现频率。averef0.2vv（2）正常风轮廓模型(NWP)：风廓线是地表以上平均风速对垂直高度的函数hubhub/vzvzz（3）正常湍流模型（NTM）：对正常湍流模型，纵向湍流标准差的典型值σ1应以给定轮毂高度处风速的90%概率的标准差确定1refhub0.75;5.6msIvbb1.正常风况极端风况：用于确定风力发电机组的极端风载荷。（1）极端风速廓模型(EWM)：极端风速模型含稳态或湍流的风速模型0.11e50refhub1.4vzvzze1e500.8vzvz0.11e50refhubvzvzz稳态极端风速模型湍流极端风速模型e1e500.8vzvz1hub0.11v标准差：2.极端风况（2）极端运行阵风(EOG)：1guste1hub1Min1.35;3.310.1vvvDΛ1：湍流尺度参数D：是风轮直径，单位为m。轮毂高度处阵风风速gust0.37sin3π1cos2π0,vzvtTtTtTvztvz其他T阵风持续时间极端运行阵风实例（T=10.5s）(3)极端湍流模型(ETM)：采用正常风廓线模型（NWP）和下式给出的纵向分量标准差来确定avehub1ref0.0723410;2msvvcIccc(4)极端风向变化(EDC)：极端风向变化的幅值θe，由下式计算得到1ehub14arctan10.1DvΛee000.51cos0tttTtTtT幅值瞬时值极端风向变化幅值极端风向变化瞬时值湍流类型：A；D=42m,zhub=30m；轮毂风速为vhub=25m/s（5）方向改变的极端相关阵风(ECD)：幅值风速瞬时值cg15msvcgcg0,0.51cosπ0vztvztvzvtTtTvZvtT方向改变的极端相关阵风实例T=10s为上升时间，风速v(z)由正常风廓线模型（NWP）给出.轮毂风速vhub=25m/s时，极端相关阵风期间风速的上升曲线如下风速的上升与风向的变化是同时发生的，则风向变化幅值的计算公式为hubcghubhubrefhub1804m/s720m/s4m/svvvvvcgcg000.51cosπ0tttTtTtT风向的变化量与轮毂高度风速的关系，风向的变化瞬时值与时间的关系：ECD风向变化幅值风向随时间变化的瞬时值（Vhub=25m/s）（6）极端风切变(EWS)瞬时竖直方向切变（正向或负向）14hubhub1hub1hubhub2π2.50.21cos0,zzzDtvtTzDΛTvztzvz其他14hub1hub1hubhub2π2.50.21cos0,,zyDtvtTzDΛTvyztzvz其他瞬时水平方向切变α=0.2，β=6.4，T=12sα=0.2，β=6.4，T=12s极端正负竖直风切变实例，在开始前（t=0，虚线）和最大切变（t=6s，实线）时的风廓线风轮顶部和底部风切变随时间的变化（瞬时正风切变）湍流种类A；Zhub=30m；Yhub=25m/s；D=42m2.1.3其他环境条件1.其他正常环境条件应考虑下列其他正常环境条件参数：机组正常运行环境温度范围–10~+40℃（位于北方的机组，低温为–20℃）；相对湿度不大于95%；大气成分相当于无污染的内陆大气（见IEC60721–2–1）；阳光辐射强度1000W/m2；空气密度1.225kg/m3。当由设计者规定附加外部条件参数时，应在设计文件中说明。2.其他极端环境条件风力发电机组设计应考虑的其他极端环境条件有温度、雷电、结冰和地震。（1）温度（2）雷电（3）结冰（4）地震2.1.4电网条件风力发电机组适用的正常电网条件如下：1）电压，标称值±10%；2）频率，标称值±2%；3）三相电压不平衡度，电压负序分量的比率不超过2%；4）自动重合周期，应考虑的自动重和周期为第一次重合时间0.1～5秒，第二次重合时间10～90秒，自动重合周期是指电网发生故障后，断路器断开到自动重合且线路重新接入电网的周期。5）断电，假定电网一年内断电20次，一次断电6小时为正常条件，断电一周为极端条件。2.2风力发电机组结构设计2.2.1载荷1.重力和惯性载荷2.空气动力载荷3.驱动载荷；4.其他载荷2.2.1设计工况在风力发电机组的设计中，分析计算与设计工况有关，又与载荷状态有关，可以分为若干设计载荷状态。设计工况可以分为两类，一类是运行工况，如起动、发电和关机等；另一类是临时性工况，如运输、吊装和维护等。风力发电机组的载荷主要是空气动力载荷，此外还有重力和惯性力等。空气动力载荷取决于风况，而风况有正常和极端两种情况。不同的设计工况与不同外部条件的组合规定了相应的分析计算方法。2.2.2设计工况和载荷状态F—疲劳载荷分析；U—极限强度分析；N—正常；A—非正常的；T—运输和安装；*—疲劳局部安全系数；vhub—轮毂高度处的平均风速；vr—额定风速；vin—切入风速；vout—切出风速；vref—参考风速；ve50(z)—50年一遇极端风速；ve1(z)—1年一遇极端风速；vmaint—维修、保养风速；vr±2m／s—应分析此风速范围内的所有风速的敏感性；2.2.3载荷计算1）由风力发电机组自身引起的风场的微小扰动2）三维气流对叶片气动特性的影响3）非定常空气动力影响4）结构动力学及振动模态影响；5）气动弹性效应6）风力发电机组控制系统和保护系统动作；每种设计载荷状态还要考虑下列载荷：2..3极限状态分析2.3.1载荷和材料的局部安全系数Fd—总内部载荷或载荷响应的设计值，它来自于给定的设计载荷状态的不同载荷源的多个同步性载荷分量γf—载荷局部安全系数Fk—载荷的特征值dfkFF载荷局部安全系数：材料局部安全系数：dk1mfffd—材料设计值γm—材料局部安全系数fk—材料特征值nddSFRf2.3.2极限强度分析最大极限状态的通用公式—失效影响安全系数；—载荷函数；—材料许用函数。ndSFdRf1.载荷局部安全系数2.无通用设计规范的材料局部安全系数材料安全系数应根据充分有效的材料性能试验数据确定。应考虑到材料强度的固有可变性。当使用95%置信度及95%存活率的典型材料性能时，一般材料局部安全系数γm应不小于1.1。这个值适用于具有柔性特性的零件，可能导致风力发电机组的重要部件的失效，例如焊接的塔筒、塔架法兰连接、焊接机架或叶片连接。失效模式包括：柔性材料的屈服；在单个螺栓失效后其他螺栓足以提供1/γm强度的螺栓连接中的螺栓断裂。3.有通用设计规范的材料安全系数载荷、材料的安全系数、材料局部安全系数和失效影响安全系数的合成局部安全系数应大于或等于2.3.2节“载荷局部安全系数”和“2.无通用设计规范的材料局部安全系数”的规定。2.3.3疲劳失效分析1.载荷局部安全系数正常和非正常设计工况载荷局部安全系数γf均为1.0。2.无通过设计规范的材料局部安全系数如果S—N曲线是基于50％的存活率并且变化系数小于15％，那么材料的局部安全系数至少为1.5。对于疲劳强度变化系数大的零件，即变化系数为15％至20％（许多由复合材料制成的零部件，例如钢筋混凝土或纤维复合材料制成的部件），局部安全系数必须相应地增加，至少为1.7。疲劳强度应从大量试验的统计数据中确定，而特性值得获得要考虑由于外部作用（如紫外线辐射、湿度和通常探测不到的缺陷所造成的尺度效应、公差和老化。3.有通用设计规范的材料局部安全系数载荷、材料安全系数和失效影响局部安全系数应不小于2.3.3节“1.载荷局部安全系数”和“2.无通用设计规范的材料局部安全系数”中的固定值。2.3.4稳定性分析在设计载荷作用下，“非失效—安全”的承载件不应发生屈曲。对于其他零件在设计载荷下，允许发生弹性变形。在特征载荷下，任何零件都不应发生屈曲。载荷局部安全系数γf的最小值应根据2.3.2节“载荷局部安全系数”选取。材料局部安全系数应不小于2.3.2节中“2.无通用设计规范的材料局部安全系数”中的规定值。2.3.5临界挠度分析应验证表2-2所列的设计工况下没有产生影响风力发电机组结构整体性能的变形。特别需要验证叶片与塔架之间无机械干涉。对于表2-2所列载荷状态，应使用特征载荷确定不利方向上的最大弹性变形，并将所得到的变形乘以载荷、材料和失效影响的合成局部安全系数，即得到合成的变形。载荷局部安全系数γf的值应从表2-3中选取；材料弹性性能的局部安全系数γm的值应为1.1，除非通过全尺寸试验已经确定了弹性性能的情况下，γm的值可以减少到1.0。应特别注意几何形状不确定性和挠度计算方法的准确性。失效影响安全系数：一类零件：γn=1.0，二类零件：γn=1.0,三类零件：γn=1.3。应将弹性变形叠加到在最不利方向上不变形的部位，并将其最终位置与无干扰条件进行比较。也可使用直接动态变形分析。在这种情况下，确定特性变形的方法与表2-2中的每个载荷状态下确定特征载荷的方法一致。特征挠度和特征载荷在最不利方向上的超越概率应与该相同。然后特征挠度乘以合成局部安全系数，再叠加到上述的不变形的部位上。由测量或在测量基础上分析确认的载荷值，如果置信度较正常情况高，可以用较低的载荷局部安全系数。使用的所有局部安全系数值应该在设计文件中加以说明。2.3.6特殊局部安全系数谢谢！