風力發(fā)電機塔架風載荷計算

風力發(fā)電機塔架風載荷計算

如果塔架高度是指定的，則塔架頂部和塔架底部的負荷對通風裝置塔架的設計非常重要。塔架頂部的載荷主要來自于葉輪的空氣動力、離心力、機艙和葉輪的重力等因素;塔架底部的載荷主要來自于塔架頂部載荷以及塔架的風載荷,在已知塔架頂部載荷的情況下通過載荷坐標系轉(zhuǎn)化可以求得塔架頂部載荷對塔架底部載荷的影響,那么如果能夠求得塔架的風載荷,將2部分的載荷疊加即可求得塔基的載荷。目前風電行業(yè)對風機運行風況的的定義主要依據(jù)是歐洲標準IEC61400-1,此標準中將風的種類定義為穩(wěn)定風、陣風、湍流風3大類,本文主要闡述了穩(wěn)定風和陣風對塔架載荷的影響。Bladed軟件是風電行業(yè)公認的風力發(fā)電機整機設計及載荷分析的權威軟件,其中包括塔架載荷計算的功能,本文以海裝風電設備有限公司某種型號的塔架風載荷計算為例,用本文所介紹的塔架風載荷計算方法所計算的結(jié)果同Bladed軟件計算的結(jié)果相比較以驗證塔架風載荷計算方法的正確性。1采用密封板的結(jié)構(gòu)塔架的結(jié)構(gòu)有張線支撐式和懸臂梁2種基本形式。塔架所用的材料可以是木桿、鐵管或其他圓柱結(jié)構(gòu),也可以是鋼材做成的珩架結(jié)構(gòu)。大型風力機的塔架基本上是錐形圓柱鋼塔架。錐形圓柱鋼塔架的特點是塔架的直徑隨高度的變化而變化,因此需要對塔架不同高度的圓柱截面直徑進行定義。海裝風電設備有限公司某型號的塔架部分參數(shù)在Bladed軟件中定義,如表1。2穩(wěn)定風、風切變系數(shù)在同一地點,垂直于地面方向的不同高度處風速的大小不同,多數(shù)情況下風速隨著高度的增大而增大。在載荷計算中風速隨高度的分布遵循常規(guī)風廓線模型(NWP),公式如下:式中:V(z)—高度Z處的風速;Z—離地面高度;Z不同地面粗糙度的風場風切變系數(shù)不同,如果風場測試參數(shù)中沒有給出風切變系數(shù)時,在塔架載荷計算中風切變系數(shù)取標準值,通常國內(nèi)風切變系數(shù)的標準值為1/7。圖1為Zr=70m,Vr=8.5m/s,風切變系數(shù)分別為0.1、1/7、0.2的穩(wěn)定風的風廓線圖,風切變系數(shù)越大地表粗糙度越低,在較低的高度就可以達到較高的風速。圖2為初始值為25m/s,幅值為10m/s,陣風持續(xù)時間為10.4s的極端工作陣風。陣風的定義可參考歐洲標準IEC61400-1-2001。3速度、入流角度、偏航角度垂直于建筑物表面上的風載荷標準值應按下述公式計算:式中:w在穩(wěn)態(tài)風和極端工作陣風情況下,風振系數(shù)β式中:v則塔架整體受力為:式中:f(h)—高度h處塔架的迎風面尺度即此處的塔架截面直徑;將(4)離散化式中:h在Bladed中塔架坐標系定義為:XT指向南;ZT垂直向上;YT指向東。(風的偏航角度為0°時,風向為正北)在Bladed軟件中設定塔架參數(shù),定義風速為8.5m/s,入流角度為0°,偏航角度為0°的穩(wěn)定風和初始速度為25m/s,陣風幅度為15m/s,入流角度為0°,偏航角度為0°的陣風。在這2種風況下Bladed軟件的塔架風載荷計算結(jié)果見表1,表2。由于模擬的穩(wěn)定風和陣風的偏航角度為0°,塔架的Y坐標方向沒有風載荷,風載荷全部作用在X坐標方向。這個塔架迎風面的風載荷為1m高度處的X坐標方向的風載荷與68m高度處的X坐標方向的風載荷差值,對時間為1s處的穩(wěn)定風和時間為8s、15s、22s處的陣風進行塔架風載荷計算,Bladed軟件計算結(jié)果如下:1s處穩(wěn)定風:4.446kN(風速8.5m/s)8s處陣風:38.455kN(瞬時風速25m/s)11s處陣風:36.402kN(瞬時風速24.4m/s)13s處陣風:33.202kN(瞬時風速23.5)15s處陣風:70.267kN(瞬時風速32.4m/s)部分Matlab程序如下:Matlab程序計算結(jié)果如下:1s處穩(wěn)定風:4.43kN(風速8.5m/s);8s處陣風:38.31kN(瞬時風速25m/s);11s處陣風:36.5kN(瞬時風速24.4m/s);13s處陣風:33.85kN(瞬時風速23.5);15s處陣風:64.34kN(瞬時風速32.4m/s)。從計算結(jié)果可以看出,利用風載荷計算公式得出的塔架風載荷同Bladed軟件的輸出結(jié)果基本相同,在15s時刻處陣風對塔架載荷的Matlab計算結(jié)果同Bladed軟件的計算結(jié)果有5.927kN的誤差,這個誤差在工程中是可以接受的。4風荷載計算方法本文所提出的塔架風載荷計算方法通過對海裝風電設備有限公司某型號