【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不。包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。許論文被查閱和借閱。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。考慮到風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況范圍較廣，選取典型風(fēng)況進(jìn)行載荷計(jì)。由此得出葉根處承載較大，易發(fā)生葉根斷裂失效，這。與現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是一致的。因此，對(duì)葉根處聯(lián)接失效成因進(jìn)行深入研究，并在。此基礎(chǔ)上，對(duì)原聯(lián)接標(biāo)準(zhǔn)螺栓進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)并利用有限元分析方法驗(yàn)證其可行性。對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片載荷的來源進(jìn)行了分類，對(duì)風(fēng)力機(jī)的主要載荷進(jìn)行了確定。析，以驗(yàn)證軟件算得的準(zhǔn)確性、可靠性。基于葉根載荷的復(fù)雜性，且葉根螺栓連接在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的嚴(yán)重失效，的合理性、可靠性。

　　

【正文】 平均風(fēng)速為 圖 25 清楚地表明，在參考高度為 80m,平均風(fēng)速為 ，湍流因子為 時(shí)，仿真湍流風(fēng)變化的時(shí)間歷程；結(jié)合圖 26 則可以發(fā)現(xiàn)， X 方向是相對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的來流方向，是合風(fēng)速中最主要的成分；圖 27 表明， Y 方向的風(fēng)速變化范圍主要在 177。 4m/s 之間，且具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，數(shù)值變化相對(duì) X 方向較慢；而圖 28 表明， Z 方向的風(fēng)速變化主要集中于 177。 1m/s 之間，同樣，該方向也具有隨機(jī)性，數(shù)值變化相比 Y 方向要快的多；圖 29則表明，此風(fēng)模型風(fēng)向的變化情況，波動(dòng)范圍主要在 177。 9186。之間。 本章小結(jié) 通過對(duì)空間一點(diǎn)及多點(diǎn)風(fēng)特性進(jìn)行分析，簡(jiǎn)述了三維風(fēng)模擬的理論方法，利用TurbSim 模擬器得到仿真分析所需全域背景風(fēng)文件或輪轂高度風(fēng)文件。應(yīng)用 Von Karman模型和 Kaimal 模型對(duì)參考高度為 80m,平均風(fēng)速為 ，湍流因子為 的湍流風(fēng)進(jìn)行時(shí)間歷程仿真，并對(duì)仿真結(jié)果加以分析，為下一章的葉片載荷計(jì)算和研究作準(zhǔn)備。 3 葉片載荷計(jì)算及分布研究 風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的工作環(huán)境是相當(dāng)復(fù)雜的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的過程中所承受的載荷也是極其復(fù)雜的。作為風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和認(rèn)證的重要依據(jù)，風(fēng)力機(jī)載荷用于風(fēng)力機(jī)的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。國際三大標(biāo)準(zhǔn)，即國際電工委員會(huì)（ IEC）、德國船級(jí)社（ GL）和丹麥 DS 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)力機(jī)的載荷都有詳細(xì)的規(guī)定。其中，風(fēng)力機(jī)葉片受到的載荷包括：空氣動(dòng)力載荷、重力載荷、慣性載荷及操縱載荷。為方便研究，只考慮前三種載荷情況。由于葉片是風(fēng)力機(jī)主要的載荷來源，其特性和大小對(duì)風(fēng)力機(jī)的零部件設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件的力學(xué)特性、強(qiáng)度分析、疲勞分析，以及整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命影響很大 ，所以，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行載荷的計(jì)算及特性研究顯得尤為重要。 葉片坐標(biāo)系的確定 為了能夠計(jì)算出符合實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片載荷的分布狀況。首先，我們要建立合理的坐標(biāo)系。本文分別對(duì)葉片、葉根建立了坐標(biāo)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(dòng)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。根據(jù)葉片空氣動(dòng)力求得每個(gè)葉素上的法向力系數(shù)和切向力系數(shù)，通 過積分求出 葉片上的空氣動(dòng)力載荷。 在葉片坐標(biāo)系下，依據(jù)葉素理論把葉片上每個(gè)單位長度上的輪廓斷面的空氣動(dòng)力為： )s inc o s(21)c o ss in(2122??????dlsazdlsayCCcWFCCcWF?????? 而在葉根坐標(biāo)系中，我們可以把作用在葉片單位長度上的空氣動(dòng)力載荷表示如下（通過葉片到葉根的坐標(biāo)系變換得到）： )s inc os(21)c oss in(2122??????dlbazdlbayCCcWfCCcWf?????? 式中： W 表示垂直來流風(fēng)速， ?表示空氣密度， C 表示弦長， Cl、 Cd 分別表示剖面翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)， ?表示攻角， ?表示來流角。 相對(duì)于葉根，計(jì)算得到空氣動(dòng)力剪力為： drCCcWFdrCCcWFdlRrbazdlRrbay)s inc os(21)c oss in(2122?????????????? 計(jì)算得到空氣動(dòng)力彎矩為： drCCcWrMdrCCcWrMdlRrbazdlRrbay)c o ss in(21)s inc o s(2122?????????????? 計(jì)算得到空氣動(dòng)力扭矩為： 定義： ])()([ 11 ?? ????? ??? Rr CPbazRr CPbaybax dryyfdrzzfM 式中： r 表示輪轂中心距葉根中心的距離， R 表示葉輪半徑， P 表示翼型壓力中心， C表示扭轉(zhuǎn)中心，并且假設(shè)使安裝角減小的方向?yàn)?Mxba 的正方向。 2 重力載荷（記作 g ） [32] 作用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上的重力載荷，對(duì)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。在葉片坐標(biāo)系下，葉片上每一個(gè)單位長度上的輪廓斷面的重力分解到各坐標(biāo)軸上的分力分別為： ?????c o sc o ss in)(s inc o ss in)(c o sc o s)(tgrmFtgrmFtgrmFisgzisgyisgx????????? 其中 )(rmi 表示在 r 處的葉素集中質(zhì)量； t? 表示葉片旋轉(zhuǎn)方位角，取 ??t ； ?表示軸傾角，取 ?? ； ? 表示槳距角； 在葉根坐標(biāo)系當(dāng)中，重力載荷的計(jì)算： 重力拉力： ?co sco s)( tg d rrmF Rr ibgx ?? ?? 重力剪力： ?co ss i n)( tg d rrmF Rr ibgy ??? ?? 重力彎矩： ?co ss i n)( tg d rrrmM Rr ibgz ??? ?? 重力扭矩： drzzgrmM CGRr ibgx )()( ?? ?? 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片載荷的計(jì)算 在這里以額定功率為 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為例，應(yīng)用 Blade element momentum方法進(jìn)行葉片的載荷計(jì)算 。 GH Bladed 軟件介紹 [33] Bladed 是專業(yè)計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)載荷和性能的一款計(jì)算軟件，它所采用的理論方法及算法業(yè)已得到世界各大風(fēng)電公司生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，并通過認(rèn)證。 Bladed 采用的空氣動(dòng)力學(xué)模型是將傳統(tǒng)的葉素理論與動(dòng)量理論結(jié)合起來，形成葉素 動(dòng)量理論加以運(yùn)用。此軟件其中一項(xiàng)功能即是進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷計(jì)算，主要包含靜態(tài)計(jì)算與動(dòng)態(tài)計(jì)算。其中，靜態(tài)載荷計(jì)算是基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在穩(wěn)定的工況下，進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，模態(tài)分析，以及性能系數(shù)的計(jì)算、湍流風(fēng)的計(jì)算，地震的仿真模擬等。靜態(tài)計(jì) 算得到的數(shù)據(jù)主要用于風(fēng)力機(jī)的前期設(shè)計(jì)，并用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的固有特性分析。但是，不用作零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。 動(dòng)態(tài)載荷模擬計(jì)算是 GH Bladed 進(jìn)行載荷計(jì)算的最核心的部分?，F(xiàn)階段， Bladed 計(jì)算 模塊可以模擬得到的載荷主要有：正常啟動(dòng)、正常停機(jī)、正常運(yùn)行、空轉(zhuǎn)、停機(jī)等不同種風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下載荷。 影響葉片載荷的風(fēng)模型及工況 在計(jì)算風(fēng)力機(jī)載荷時(shí)，根據(jù) IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主要考慮的七種風(fēng)模型如表 31，風(fēng)力機(jī)工況如表 32 所示： 表 31 IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 主要風(fēng)模型 MNT 標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工況表 運(yùn)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 ECG,Vhub=14 — 極限 發(fā)電并帶有故障 NWP,Vhub=14 控制系統(tǒng)故障 極限 NWP,Vhub=14 — 極限 啟動(dòng) NWP,Vhub=14 — 疲勞 1 停機(jī) NWP,Vhub=14 — 疲勞 1 緊急停機(jī) NWP,Vhub=14 — 極限 空轉(zhuǎn) EWM,Vhub= — 極限 Vhub= — 疲勞 1 停轉(zhuǎn) NTM,Vhub= — 極限 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片建模 葉片翼型是 Bladed 分析軟件進(jìn)行后續(xù)計(jì)算的最為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)正確與否直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。葉片的翼型數(shù)據(jù)主要包含有：葉素離葉根的位置，扭角，翼型截面，變漿軸，弦長等。具體參數(shù)如下表 33 所示 ： 表 33 葉片參數(shù) 截面號(hào) 距葉根距離 /m 弦長 /m 扭角 /(176。 ) 相對(duì)厚度 /% 相 對(duì)變 槳 軸質(zhì)心距離 /% 翼型截面 1 0 100 50 1 2 100 50 1 3 100 1 4 2 5 2 6 7 30 3 7 4 8 4 9 4 10 14 4 11 4 12 4 13 4 14 21 4 15 4 16 21 5 17 6 18 28 6 19 6 20 16 7 21 0 7 在 bladed 中葉片模塊中輸入具體的翼型數(shù)據(jù)，得到 風(fēng)力機(jī)葉片幾何模型，如圖 33 所示： 圖 33 葉片 建模 加載風(fēng)工況 風(fēng)力機(jī)組所處環(huán)境比較惡劣、運(yùn)行狀況十分復(fù)雜，受外部環(huán)境條件影響很大。由于作用在整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的外部載荷主要是由風(fēng)況條件決定的，從機(jī)組安全運(yùn)行角度考慮，在設(shè)計(jì)葉片載荷時(shí)一般需描述兩種風(fēng)況條件。一是描述正常發(fā)電期間頻繁出現(xiàn)的正常風(fēng)況，主要涉及風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)長期承載和運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)計(jì)需求；二是描述一年或五十年一遇的極端風(fēng)況，它是潛在的臨界外 部設(shè)計(jì)條件。 [34] 本文采用 IECⅡ A 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行葉片載荷計(jì)算。設(shè)定風(fēng)剪切指數(shù)為 ，正常運(yùn)行時(shí)額定風(fēng)速為 ,葉輪轉(zhuǎn)速 22r/min，縱向湍流密度 %；由 Improved von karman（ 3D von karman）模型生成縱向、橫向和垂直三個(gè)方向上的 秒時(shí)的湍流仿真，如圖 34。 如圖 34 湍流仿真 模擬輸出載荷譜分析 將風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中遇到的工況輸入進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算葉片從切入風(fēng)速到切出風(fēng)速在時(shí)間歷程上的載荷，可得到葉片各個(gè)截面載荷及葉根所承受 的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)載荷譜。 正常工況下載荷譜分析 1． 葉片各個(gè)截面的載荷 本文以 風(fēng)力機(jī)為例，當(dāng)額定風(fēng)速為 ，得到湍流風(fēng)加載時(shí)間持續(xù)到 100 秒時(shí)的葉片各截面的載荷分布，如圖 3圖 36。為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般前 10 秒的模擬數(shù)據(jù)不作為參考，等計(jì)算過程進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，再將計(jì)算結(jié)果輸出。 如圖 35 葉片截面 X、 Y、 Z 方向的力 圖 36 葉片截面 X、 Y、 Z 方向的力 矩 e:\dengxinli\ [Run 39。powprod39。] Time =100 s Blade 1 Mx Blade 1 My Blade 1 Mz [Nm] Blade station radius [m] 0 100000 20xx00 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 0 5 10 15 20 25 30 35 e:\dengxinli\ [Run 39。powprod39。] Time =100 s Blade 1 Fx Blade 1 Fy Blade 1 Fz [N] Blade station radius [m] 20xx0 40000 0 20xx0 40000 60000 80000 100000 120xx0 140000 160000 180000 20xx00 0 5 10 15 20 25 30 35 由圖 35 和圖 36 可知，在風(fēng)力機(jī)葉片上的不同位置，即距葉根中心不同距離的各翼型截面上的載荷分布情況。圖中顯示出在整個(gè)葉片長度上的不同位置力及力矩的分布圖。葉片各截面載荷沿變槳軸方向從葉根向葉尖逐漸減小，除 Z 方向的彎矩，其余在 X、 Y、 Z三個(gè)方向上隨半徑的增加而逐漸減小。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）。葉根最大載荷為 190KN，產(chǎn)生最大彎矩為860KNm。說明風(fēng)力機(jī)工作在正常工況下時(shí)，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(chǎng)收集的葉片 事故多為葉根聯(lián)接失效的實(shí)際情況是相符的。因此，對(duì)葉根的載荷特性進(jìn)行分析，及葉根聯(lián)接做進(jìn)一步研究尤為必要。 2． 葉根載荷計(jì)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。由計(jì)算得出葉根的載荷，如圖 3圖 38 所示。 圖 37 葉根在 X、 Y、 Z 方向的力 e:\dengxinli\ [Run 39。powprod39。]