大型风力发电机组叶片载荷特性研究

• 作 者: 祝振鸿
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 风力发电机 叶素动量理论 GH Bladed 载荷计算

风力发电机组是风能利用中最重要的装置,它依靠叶轮将风能转化为机械能,最后通过发电机转化为电能。风力发电机组运行在复杂的自然环境中,所承受的载荷具有随机性和交变性,尤其是受到风剪切、塔影效应等因素的影响,大型风力发电机组载荷特性更为复杂。叶片是风力发电机组中最重要的承载部件,通过对叶片载荷特性的分析研究,掌握叶片的载荷特性规律,有利于指导大型风电机组的结构设计和疲劳分析,保证机组的安全可靠。论文研究了风力发电机组运行的外部环境中风资源的特性,考虑了风剪切、塔影效应以及上风向尾流的影响因素,探讨了湍流风三种模型构建的基础理论,确定了与现实中风特性相吻合的Von karman模型作为湍流风的仿真计算模型。依据空气动力学等理论为基础,介绍了用于叶片载荷计算的方法——叶素动量理论。通过分析叶片所承受的载荷类型,推导了叶片载荷的计算公式。以2MW风力发电机组为计算实例,应用风机性能和载荷计算软件GH Bladed,建立了整机模型,对风力发电机组的稳态特性以及稳态运行载荷进行了计算,分析了影响机组设计性能的各项指标,并得出叶片根部是叶轮最有可能发生破坏的部位之结论。根据GL2010规定的载荷设计工况,模拟了风力发电机运行的多种运行状态,通过加载三维湍流风速模型,计算了叶片叶根处的动态载荷。依据载荷的仿真计算结果,对数据进行了周期性分量分析、谱分析、各种工况下的极限载荷计算等后处理分析,得到了叶片叶根处载荷的相关变化曲线,为后续的强度校核以及频域分析等提供了参考。