許移慶

（上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海 200241）

風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷影響因素分析（二）

許移慶

（上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海 200241）

風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)主要由疲勞載荷和極限載荷決定，而風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境的不確定性和不穩(wěn)定性使得疲勞載荷對(duì)一些部件的設(shè)計(jì)尤為重要。影響疲勞載荷的因素很多，本文主要從不同設(shè)計(jì)運(yùn)行風(fēng)速范圍和不同設(shè)計(jì)湍流強(qiáng)度等級(jí)兩個(gè)方面進(jìn)行比較，分析了兩者各自對(duì)疲勞載荷影響的程度。

風(fēng)電機(jī)組；等效疲勞載荷；運(yùn)行風(fēng)速范圍；湍流強(qiáng)度

0 引言

風(fēng)電機(jī)組的載荷主要分疲勞載荷和極限載荷兩種。風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境狀況比較惡劣，要使其在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行20年，須對(duì)疲勞提出較高的要求。另外，風(fēng)的不確定性也會(huì)影響疲勞載荷分析的精確性。各種因素對(duì)疲勞載荷的影響程度不盡相同，為了更好地了解這些因素對(duì)風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷設(shè)計(jì)的影響，本文通過(guò)大量的計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)這些可能的影響因素進(jìn)行了比較分析。

1 等效疲勞載荷

風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷分析形式主要有三種：實(shí)時(shí)的時(shí)間序列、載荷持續(xù)分布（LDD）和等效疲勞載荷。不同的部件設(shè)計(jì)要求使用不同的疲勞載荷形式，其中等效疲勞載荷是最簡(jiǎn)單的一種，在初步設(shè)計(jì)時(shí)用此方法比較方便，可以比較快地知道疲勞載荷是否滿足要求。

在風(fēng)電機(jī)組中，等效疲勞載荷是根據(jù)實(shí)時(shí)的仿真時(shí)間序列（其中有幾個(gè)是根據(jù)GL（德國(guó)船級(jí)社）規(guī)范[1]或IEC標(biāo)準(zhǔn)[2]直接進(jìn)行計(jì)算的），通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法（RFC）和瑞利（Rayleigh）分布得到的，本文主要對(duì)比分析等效疲勞載荷。

2 不同設(shè)計(jì)運(yùn)行風(fēng)速范圍對(duì)疲勞載荷的影響

目前，風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的正常運(yùn)行風(fēng)速范圍一般在3m/s－25m/s之間，對(duì)一些低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)電機(jī)組，也有在3m/s－20m/s、3m/s－22m/s等范圍內(nèi)的。針對(duì)這種情況，本文主要對(duì)比了兩臺(tái)不同設(shè)計(jì)等級(jí)的多兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組在3m/ s—25m/s正常運(yùn)行風(fēng)速范圍和3m/s—20m/s正常運(yùn)行風(fēng)速范圍之間的等效疲勞載荷的差異，分析了不同正常運(yùn)行風(fēng)速范圍對(duì)等效疲勞載荷的影響，如表1、表2所示。

從兩種不同機(jī)型的對(duì)比中可以看出，正常運(yùn)行風(fēng)速范圍的變化對(duì)等效疲勞載荷影響不大，但不同的設(shè)計(jì)等級(jí)也有不同的變化。對(duì)低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)電機(jī)組，如IEC III類及以下風(fēng)區(qū)，當(dāng)風(fēng)速范圍從3m/s－25m/s改為3m/s－20m/s時(shí)，等效疲勞載荷僅降低了1%－2%，幾乎沒有什么變化。對(duì)高風(fēng)速區(qū)的風(fēng)電機(jī)組，如II類及以上風(fēng)區(qū)，當(dāng)風(fēng)速范圍從3m/s－25m/s改為3m/s－20m/s時(shí)，等效疲勞載荷降低得多一些，但大部分也在1%－3%之間，變化也不是很大。其原因主要是根據(jù)瑞利分布，風(fēng)速在20m/s－25m/s之間所占的時(shí)間比較少，而風(fēng)區(qū)越低，所占的時(shí)間會(huì)更少。

3 不同湍流強(qiáng)度對(duì)疲勞載荷的影響

根據(jù)GL規(guī)范[1]或IEC標(biāo)準(zhǔn)[2]，風(fēng)電機(jī)組的湍流強(qiáng)度等級(jí)一般有A、B兩種，新的IEC版本中也有C等級(jí)的湍流強(qiáng)度等級(jí)。在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中，起控制作用的載荷主要是疲勞載荷，而湍流強(qiáng)度等級(jí)對(duì)疲勞載荷的影響比較大，因此通過(guò)分析不同的湍流強(qiáng)度等級(jí)的疲勞載荷，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)幫助比較大。本文主要對(duì)比了兩臺(tái)不同設(shè)計(jì)等級(jí)的多兆級(jí)瓦風(fēng)電機(jī)組在A、B不同湍流強(qiáng)度等級(jí)時(shí)的等效疲勞載荷，分析了不同湍流強(qiáng)度等級(jí)對(duì)等效疲勞的影響，如表3、表4所示。

從兩款不同標(biāo)準(zhǔn)IEC設(shè)計(jì)等級(jí)的風(fēng)電機(jī)組A、B類湍流強(qiáng)度的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，湍流強(qiáng)度降一個(gè)等級(jí)，等效疲勞載荷基本降低10%左右。因此，湍流強(qiáng)度對(duì)等效疲勞載荷的影響非常大[3]。另外，由于IEC II類風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪比IEC III類風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪要小，從對(duì)比的結(jié)果中還可以看出同樣是降低一個(gè)湍流強(qiáng)度等級(jí)，但風(fēng)輪直徑小的相比風(fēng)輪直徑大的等效疲勞載荷降低要小一些。因此，風(fēng)輪直徑越大，同樣前提條件下，等效疲勞載荷降低要多一些。

表1 標(biāo)準(zhǔn)IEC III類設(shè)計(jì)等級(jí)不同正常運(yùn)行風(fēng)速范圍的比較

表2 標(biāo)準(zhǔn)IEC II類設(shè)計(jì)等級(jí)不同正常運(yùn)行風(fēng)速范圍的比較

表3 標(biāo)準(zhǔn)IEC II類設(shè)計(jì)等級(jí)不同湍流等級(jí)的比較

表4 標(biāo)準(zhǔn)IEC III類設(shè)計(jì)等級(jí)不同湍流等級(jí)的比較

4 結(jié)論

本文主要從不同設(shè)計(jì)正常運(yùn)行風(fēng)速范圍和不同設(shè)計(jì)湍流強(qiáng)度等級(jí)兩個(gè)方面對(duì)等效疲勞載荷的影響進(jìn)行了分析比較。不同設(shè)計(jì)的正常運(yùn)行風(fēng)速范圍對(duì)等效疲勞載荷的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，基本在3%以內(nèi)，大部分在1%左右。不同設(shè)計(jì)湍流強(qiáng)度等級(jí)對(duì)等效疲勞載荷的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)要大很多，基本上降一個(gè)湍流強(qiáng)度等級(jí)，等效疲勞載荷就會(huì)相應(yīng)的降低10%。另外，風(fēng)輪直徑越大，降低湍流強(qiáng)度等級(jí)對(duì)降低等效疲勞載荷的作用越明顯。

[1] Germanischer Lloyd WindEnergic GmbH. Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003 with Suppl 2004[M].Heydorn Druckerei und Vetersen/Germany,2003.

[2] IEC -61400-1: Wind turbine generator systems-Part 1: Safety requirements[S].1998.

[3]高學(xué)海,王華.風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)盤軸承的加速疲勞壽命試驗(yàn)[J].風(fēng)能,2 012(11):76-80.

Analysis of Impact Factors on Wind Turbine Fatigue Loads (Ⅱ)

Xu Yiqing
(Shanghai Electric Windpower Equipment Co., Ltd., Shanghai 200241, China)

Wind turbine design is mainly dominated by fatigue loads and extreme loads. Fatigue loads are especially important for some components design because of uncertainty and instability of wind turbine operation environment. There are many impact factors for wind turbine fatigue loads. This paper mostly compared two impact factors, namely different design operation wind speed range and different design turbulence intensity classes, and analyzed their effect extent for fatigue loads.

wind turbine; equivalent fatigue load; operation wind speed range; turbulence intensity

TM614

A

1674-9219(2013)09-0090-03

2012-12-27。

許移慶（1978-），男，碩士，工程師，長(zhǎng)期從事風(fēng)力發(fā)電方面的工作。