【正文】 ..................................................... 55 在校期間發(fā) 表論文 ..................................................... 58 致 謝 .............................................................. 59 學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 .................................................... 60 學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 .............................................. 60 1 緒論 課題來源 本課題來源于國家自然科學(xué)基金項目： 兆瓦級風(fēng)能發(fā)電機組葉片的動態(tài)特性研究與壽命預(yù)測 ，項目編號： 51065026；自治區(qū)自然科學(xué)基金項目：兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機葉片狀態(tài)退化及失效機理研究。綜上所述，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是明智之舉，發(fā)展好風(fēng)電將為人類創(chuàng)造更好的生活環(huán)境，為人類留下更多的資源。 20xx 年新增裝機容量相當(dāng)于 430TWh 年發(fā)電量，占全球總發(fā)電量 %，總量超過世界第六大經(jīng)濟體 —— 英國 [3] 。迄今為止，世界上已有 82 個國家在積極開發(fā)和應(yīng)用風(fēng)能資源。有人把風(fēng)電的發(fā)展規(guī)劃為 3 步曲，陸上風(fēng)電技術(shù)（當(dāng)前技術(shù)）一近海風(fēng)電技術(shù)（正研發(fā)技術(shù)）一海上風(fēng)電技術(shù)（未來發(fā)展方向）。丹麥 VESTAS 的風(fēng)機遍布中國 13 個省區(qū)，并依托天津生產(chǎn)基地，攜 2兆瓦， 3 兆瓦風(fēng)機進軍中國海上風(fēng)電市場。 [7]在全球排名前列的風(fēng)機制造商中，德國的企業(yè)不容忽視，他們以其精良的制造技術(shù)在世界市場上占有一席之地，德國的 ENERCON 是目前德國最后的風(fēng)機制造企業(yè)，市場主要在德國本土，占市場份額 60%。 20xx 年全世界兆瓦級的風(fēng)電機組當(dāng)年裝機容量占到了總裝機容量的 %，單機容量逐步增大已成為國際風(fēng)電市場發(fā)展的必然趨勢。 [5]20xx 年中國風(fēng)電的主要大事：風(fēng)電實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電量較大增長，國網(wǎng)轄區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)裝機達到 2826 萬千瓦；海上風(fēng)電項目開始起航，東海大橋風(fēng)電場風(fēng)電機組全部并網(wǎng)發(fā)電；單機容量不斷增大，華銳 5 兆瓦風(fēng)電機組正式出產(chǎn)等。 20xx 年 10 月 12 日，華銳風(fēng)電科技集團股份有限公司正式宣布，由其自主研發(fā)、并擁有全球自主知識產(chǎn)權(quán)的 5 兆瓦風(fēng)電機組正式出產(chǎn)，這是我國首臺 5 兆瓦風(fēng) 電機組。盡管中國已經(jīng)有一套比較健全的風(fēng)機制造供應(yīng)鏈，包括幾乎所有主要部件的制造生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，但是中國某些關(guān)鍵零部件還依賴進口，同時中國也缺乏完善的輔助服務(wù)體系，例如認證機構(gòu)、基礎(chǔ)研發(fā)。風(fēng)力機葉片的結(jié)構(gòu)分析作為風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)之一，開始在大功率風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)的校核與優(yōu)化設(shè)計中發(fā)揮著 El益重要的作用。風(fēng)輪葉片的受力情況是非常的復(fù)雜的，一般可以分為風(fēng)壓力和離心力。螺栓聯(lián)接受力非常的復(fù)雜，是風(fēng)力發(fā)電機機組各部件聯(lián)接中最容易失效的地方。 [9]葉根螺栓聯(lián)接 及螺栓 疲勞斷裂 如圖 1 13 所示： 圖 12 葉根螺栓聯(lián)接 圖 13 葉根螺栓斷裂 單就螺栓聯(lián)接技術(shù)而言是一門成熟的技術(shù)，但對應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組這一典型的疲勞機的螺栓聯(lián)接分析研究目前還比較少。 一般情況下，螺栓的強度是由受拉螺栓聯(lián)接的強度決定的，螺栓的強度主要包括了靜強度和疲勞強度。為了解決螺紋牙上的載荷分布不均問題，提高螺栓聯(lián)接疲勞強度主要通過以下方法[13]：變徑螺紋副，把螺紋牙根到中徑的距離進行改變，以確保各個螺紋牙受力基本趨于一致，對螺母結(jié)構(gòu) 進行改動優(yōu)化，譬如采用懸置螺母、內(nèi)斜螺母和環(huán)槽螺母等，以減小螺栓旋合段本來受力比較大的幾圈螺紋牙的受力面。 文獻 [16]在分析螺紋聯(lián)接彈性變形的基礎(chǔ)上，對一種新的螺紋配合方式進行了深入的研究，將微錐內(nèi)螺紋與同標準外螺紋進行螺紋聯(lián)接。將此風(fēng)文件加載到 風(fēng)力機葉片模型上可得到一系列載荷數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到各截面及各個方向上的載荷曲線及數(shù)據(jù)列表。借助 TurbSim 風(fēng)模擬器，對風(fēng)特性明顯的湍流風(fēng)進行模擬。 4. 將理論計算得到的數(shù)據(jù)與風(fēng)場試驗測得的數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證理論計算的數(shù)據(jù)的合理性。 空間某一點的風(fēng)的模擬 一般的風(fēng)速儀會使用采樣頻率 1 tsf ?? 對某一點的風(fēng)速進行測量， t? 是指兩個采樣值之間的時間差，而這里輸出的是一系列數(shù)字 ( 1, , )iu i N? ??? , 所對應(yīng)的時間分別是1 , 2 , ,t t t N t? ? ? ? ? ??? ? ?。若假設(shè)所選的信號是具有周期性的，那么可以使用離散傅里葉變換時間歷程分解成： ? ? ? ?20 1 2( ) c o s s i n ,Nn n n n nn nu t a a t b t T?? ? ??? ? ? ?????? （ 21） 其中系數(shù)為：0 11NiiauN ?? ? 122c o s ( ) , 1 , , 12NniinNa u i nNN ??? ? ??? ?? (22) 122s i n ( ) , 1 , , 12NniinNb u i nNN ??? ? ??? ?? （ 23） 2 11 c o s ( )NNiia u iN ??? ? (24) 2 0Nb? (25) 將（ 21)代入方差 ? 的代數(shù)式，可以得到： 2212 2 2 2 21111( ) ( )2 NNNi n ninu u a b aN????? ? ? ? ??? (26) 其中功率譜密度函數(shù) ()PSDf 的方差為： 20()PSD f df? ??? （ 27） 式中： f 是頻率，離散化積分式 (27)，給定頻率位于 1Tlowf ? 和 2()N Thf ? 之間，得到： 221 ( ) , 2N nnnn nP S D f f f T?? ??? ? ? ?? (28) 比較方程 (27)和方程 (28)，可以看出功率譜密度函數(shù) ()PSDf 可以計算為： 2 2 2 21( ) ( ) ( )22n n n n nTPSD f a b a bf? ? ? ?? (29) 對于已測得的時間歷程 1,Nuu??? ，都可以通過方程 (23)、方程 (24)和方程 (29)來確定功率譜密度和傅里葉系數(shù)函數(shù)。 f 是指頻率，單位為 Hz 。 通過方程 (213)，就能極其簡單地計算準確且所與描述的功率譜密度函數(shù)一致的離散時間歷程。當(dāng)然這里說的相關(guān)不光與這兩點之間的物理距離有關(guān)，而且還要考慮 與這兩點的頻率相關(guān)。 [22]標準 472DS 已經(jīng)為我們給出了一種可能的選擇： 1 0 m i n( , ) e x p [ 1 2 ( ) ]jkc o h L f f L v?? (217) 文獻 ［ 10］ 中提供的方法能產(chǎn)生所描述的功率譜密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)的三維風(fēng)，下面僅僅給出算法。 [23] 第二步，通過下述循環(huán)可以計算出出下半三角矩陣 H ： 1 / 211 1121 21 112 1 222 22 2131 31 111112 1 21()()()kjk jk jk k l k klkk k k k k llHSH S HH S HH S HH S H H HH S H???????????????… (218) 其中以 k 作索引的每一點以及每一離散頻率 mf mT? ，可以求出位于 0 和 2? 之間的隨機數(shù) km? ，來表示方程 (214)中的相位。為保證空間各點相關(guān)性， Mann,－斯托 斯克方程。旋轉(zhuǎn)葉片上的某一個點的時間歷程一般稱為旋轉(zhuǎn)采樣；而對于葉片上以固定不變的速度旋轉(zhuǎn)的情形，相關(guān)文獻已經(jīng)直接進行計算進行過闡述。目前，產(chǎn)生風(fēng)文件的模擬器主要有 TurbSim 、 Bladed[26]等軟件，當(dāng)然還有通過 Matlab/Simulink 編寫形成風(fēng)文件的仿真程序。 TurbSim 先在頻域中定義速度分量譜及空間連續(xù)性，然后通過逆傅里葉變換 (IFFT)生成時間序列值。 [30] 目前，產(chǎn)生湍流風(fēng)模型中主要是通過 Von Karman 模型和 Kaimal 模型來完成，雖然兩個模型的交叉頻譜密度函數(shù)和自頻譜的形式有一些不同，但是這兩款模型被普遍認為是真實大氣湍流的最完好的表達。 9186。 3 葉片載荷計算及分布研究 風(fēng)力發(fā)電 機的工作環(huán)境是相當(dāng)復(fù)雜的，風(fēng)力發(fā)電機在運行的過程中所承受的載荷也是極其復(fù)雜的。為方便研究，只考慮前三種載荷情況。本文分別對葉片、葉根建立了坐標系如圖 31,圖 32,所示： 葉片載荷分類及主要載荷確定 1. 空氣動力載荷（記作 a ） [31] 葉片上的載荷包括擺振方向的剪力和彎矩、揮舞方向的剪力與彎矩以及與變槳距力矩平衡的葉片俯仰力矩。 2 重力載荷（記作 g ） [32] 作用在風(fēng)力發(fā)電機葉片上的重力載荷，對葉片產(chǎn)生擺振方向的彎矩，隨葉片方位角的 變化呈現(xiàn)周期變化，所以，重力載荷是葉片的主要 疲勞載荷。此軟件其中一項功能即是進行風(fēng)力發(fā)電機組的載荷計算，主要包含靜態(tài)計算與動態(tài)計算。 動態(tài)載荷模擬計算是 GH Bladed 進行載荷計算的最核心的部分。具體參數(shù)如下表 33 所示 ： 表 33 葉片參數(shù) 截面號 距葉根距離 /m 弦長 /m 扭角 /(176。 [34] 本文采用 IECⅡ A 標準進行葉片載荷計算。為了提高計算結(jié)果的準確性，一般前 10 秒的模擬數(shù)據(jù)不作為參考，等計算過程進入穩(wěn)態(tài)后，再將計算結(jié)果輸出。powprod39。值得注意的是：在葉根位置，無論是力還是力矩都顯示出最大值（除 Z 方向的彎矩變化不大）。 2． 葉根載荷計算與特性分析 基于上一小節(jié)分析得出：葉根處所承受的載荷及力矩是最大的。] B。 圖 37 葉根在 X、 Y、 Z 方向的力 e:\dengxinli\ [Run 39。說明風(fēng)力機工作在正常工況下時，其葉片根部受到的載荷最大，即葉根處最易發(fā)生疲勞破壞，這與現(xiàn)場收集的葉片 事故多為葉根聯(lián)接失效的實際情況是相符的。圖中顯示出在整個葉片長度上的不同位置力及力矩的分布圖。powprod39。 如圖 34 湍流仿真 模擬輸出載荷譜分析 將風(fēng)力發(fā)電機在實際運行過程中遇到的工況輸入進行仿真模擬，計算葉片從切入風(fēng)速到切出風(fēng)速在時間歷程上的載荷，可得到葉片各個截面載荷及葉根所承受 的穩(wěn)定動態(tài)載荷譜。由于作用在整個風(fēng)電機組的外部載荷主要是由風(fēng)況條件決定的，從機組安全運行角度考慮，在設(shè)計葉片載荷時一般需描述兩種風(fēng)況條件。 影響葉片載荷的風(fēng)模型及工況 在計算風(fēng)力機載荷時，根據(jù) IEC 標準規(guī)定，主要考慮的七種風(fēng)模型如表 31，風(fēng)力機工況如表 32 所示： 表 31 IEC 標準規(guī)定的 主要風(fēng)模型 MNT 標準湍流風(fēng)模型 ECD 包含風(fēng)向變化的極限連續(xù)陣風(fēng)模型 NWP 定速風(fēng)模型 EOG 極限運行陣風(fēng)模型 EWS 極限風(fēng)剪切模型 ECG 極限連續(xù)陣風(fēng)模型 EWM 極限暴風(fēng)模型 表 32 IEC 標準規(guī)定的工況表 運行情況 載荷工況 風(fēng)況 其他條件 分析類型 偏載荷安全系數(shù) 發(fā)電工況 NTM,Vub=14 — 極限 NTM,4Vhub25 — 疲勞 1 ECD,Vhub=14 — 極限 NWP,Vhub=14 外部電故障 極限 EOG1,Vhub=14 脫網(wǎng) 極限 EOG50,Vhub=14 — 極限 EWS,Vhub=14 — 極限 EDC50,Vhub=14 極限