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结冰对风电机组载荷的影响研究

来源：华拓网

总675期第十三期2019年5月

河南科技

HenanScienceandTechnology

工业技术

结冰对风电机组载荷的影响研究

王清波1陈婷2

（1.四川建筑职业技术学院土木工程系，四川德阳618000；2.四川建筑职业技术学院基础教学部，四川德阳618000）

摘要：风电机组在低温环境中运行，叶片、轮毂、机舱和塔筒等往往会出现结冰现象，尤其在一些寒冷地区，

全年风电机组结冰甚至能达3～4月之久。风机大部件结冰后改变了原来的形状，增加了重量，改变了整个风电机组的固有频率，进而影响机组的载荷特性。本文以某2.5MW机组为研究对象，采用GHBladed软件建立风电机组模型，结合寒冷地区特定环境特点，考虑结冰、不结冰对机组载荷的影响，分析了结冰前后机组大部件极限载荷和疲劳载荷的变化情况，为设计低温型机组提供参考。关键词：风电机组；结冰；极限载荷；疲劳载荷中图分类号：TM315

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2019）13-0060-04

StudyonEffectofIcingforWindTurbineLoads

（1.DepartmentofCivilEngineering,SichuanCollegeofArchitecturalTechnology，DeyangSichuan618000；2.BasicTeaching

Department,SichuanCollegeofArchitecturalTechnology，DeyangSichuan618000）

WANGQingbo1CHENTing2

derthelowtemperatureenvironments.Especiallyinsomecoldregions,windturbinescanfreezeforupto3～4months.Afterthelargepartsofthewindturbinearefrozen,theoriginalshapeischanged,theweightisincreased,andthenaturalfrequencyoftheentirewindturbineischanged,therebyaffectingtheloadcharacteristicsofthewindturbine.Thispapertooka2.5MWwindturbineastheresearchobject,theGHBladedsoftwarewasusedtoestablishingwereanalyzed,thechangesituationprovidedadesignforthedesignoflowtemperaturewindturbine.Keywords:windturbine；icing；ultimateload；fatigueload我国北方大部分地区极端低温在-25～-30℃，局部地区能达到-35～-40℃，以北和黑龙江漠河地区极端温度更低，且持续时间可达3～4个月。针对低温环境，相关部门尽管出台了低温型机组设计规范［1］，但并未充分考虑结冰对风电机组载荷的影响，尤其是对风电机组疲劳载荷的影响。因此，研究结冰对风电机组载荷的影响具有十分重要的意义。

近年来，风电机组叶片结冰问题引起了人们的广泛关注，许多学者采用实验和仿真的方式对叶片结冰、除冰情况以及结冰对气动性能的影响等做了调查和研究［2-4］。刘国特等［5］采用结冰和流体仿真软件计算了叶片结冰前后空气流场、翼型升力系数和阻力系数，得出雨凇

Abstract:Theblades,hubs,nacellesandtowersofthewindturbinetendtofreezewhenthewindturbinesoperateun⁃

thewindturbinemodel,combinedwiththeinfluenceoficingandnon-icingonthewindturbineloadsinthecoldspe⁃cificenvironment,theultimateloadsandfatigueloadsofthekeycomponentsofthewindturbinebeforeandafteric⁃

加剧破坏翼型气动性能，对翼型升阻特性影响较大的结论。付忠广等［6］采用流体软件对几种典型覆冰形态的流场进行了研究，得出叶片前缘覆冰会造成翼型升阻比减小、沿弦长方向覆冰对边界层流动影响较小的结论。雷利斌等［7］对风力机叶片覆冰诊断技术进行了研究，通过分析不同温度和振型下的振型曲率与覆冰的关系，得出了覆冰位置诊断阈值函数以及厚度计算公式，并通过验算证实了该公式的可靠性。蒋维等［8］使用流体软件对多个翼型截面覆冰进行了数值模拟，对风力机叶片覆冰前后性能进行了对比分析，对叶片覆冰机理和机组运行控制具有一定的指导意义。易贤等［9］提出了风机结冰过程的三维数值方法，得出结冰对叶根附近压力载荷分布影

收稿日期：2019-04-16

作者简介：王清波（1983—），男，博士在读，工程师，助教，研究方向：机械系统结构动力学。

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·61·

响小、对叶尖附件载荷影响大的结论。此外，还有很多学者研究了结冰对风机叶片性能的影响［10-13］。

综上所述，在现有的研究中，仅考虑了叶片结冰对机组极限载荷的影响。根据现场情况，除叶片结冰外，轮毂、机舱和塔筒也会结冰，尤其是塔筒结冰，不仅会影响塔筒自重，还会改变塔筒形状，从而改变塔筒的抗弯刚度和抗扭刚度，进而影响机组载荷。结冰对机组疲劳载荷的影响几乎都被忽略，但对于机组全年结冰达3～4个月的寒冷地区，结冰对机组疲劳载荷的影响显然不能忽略。本文以某2.5MW直驱风机组为例，考虑北欧地区特殊的环境，计算分析了叶片、轮毂、机舱和塔筒结冰与否对机组极限载荷和疲劳载荷的影响。

12.5MW机组设计参数及结冰工况2010标准所示。

以某2.5MW直驱风机为研究对象，该机组按GL

［14］

个风速下使用12个风种子，极限载荷取12个风种子的前6个最大值的平均值。

结冰后机组大部件性能及质量变化

［15］

ment》（IEC61400-1-2005），仿真中DLC1.1、DLC6.4每

风模型。参考《WindTurbines，Part1：DesignRequire⁃

根据GL2010标准，对于转子结冰，相关单位应考虑所有叶片结冰和除一个叶片外其他叶片结冰的情况，叶片结冰从风轮轴线线性增加到叶片一半处，质量分布从零增加到μE，然后保持不变，直到叶尖。

μE=ρEkcmin(cmax+cmin)（1）

式中：μE为风轮半径一半处的叶片前缘的质量分布，单位为kg/m；ρE为冰的密度，取700kg/m3；k=0.00675+0.3exp(-0.32R/R1)，R为风轮半径，R1为cmin为叶尖最小弦长；cmax为叶尖最大弦长。1m；

IIIA安全等级设计，具体设计技术参数如表1

对于风机非旋转部分的结冰，规范假定暴露在外面的表面结冰厚度为30mm，冰的密度ρE视为700kg/m3。

根据GL2010标准，IIIA安全等级轮毂高度处五十年一遇，10min平均风速为37.5m/s，15m/s风速对应的湍流强度为18%。根据规范，风机结构完整性的设计载荷工况包括正常设计状况与正常外部条件；正常设计状况与极端外部条件；故障设计状况与相应外部条件；运输、安装和维护的设计状况与相应外部条件。表2列出了部分载荷工况，其中，NTM为正常湍流模型；EDC为极端方向变化模型；NWP为正常风廓线模型；EOG为极限运行阵

根据计算，单只叶片结冰质量为461kg，轮毂结冰质量为667.98kg，机舱结冰质量为3572.1kg，塔筒结冰质量为22869kg。对于轮毂和机舱结冰质量，仿真时可以直接作为集中质量施加在重心处。塔筒尺寸较大，如果结冰质量作为点质量施加在塔筒某处，势必会影响载荷计算的精度。为使塔筒结冰质量均匀施加在塔筒上，可以采取先计算塔筒结冰后的总质量，再将塔筒材料密度换算成等效密度，从而将结冰质量均匀施加到塔筒上。

表1风机参数表

参数数值

叶片长度/m

53.8

载荷工况DLC1.1DLC1.3DLC1.4DLC1.5DLC1.6DLC2.1DLC4.1DLC6.4

风轮直径/m

110

运行状况正常发电+NTM正常发电+EDC断网+NWP断网+EOG（一年一遇）发电+EOG（五十年一遇）控制系统故障+NWP

停机+NWP空转+NTM

轮毂中心高度/m

切入风速（m/s）

分析类型极限&疲劳极限极限&疲劳极限极限极限&疲劳极限&疲劳极限&疲劳

切出风速（m/s）

设计等级IIIA

风速（m/s）4,6,8…24Vr，Vr+2Vr-2，Vr-2，Vr，Vr+2，VoutVr-2，Vr，Vr+2，VoutVr-2，Vr，Vr+2，VoutVr-2，Vr，Vr+2，Vout

Vin，Vr，Vout0.8Vref

额定功率/kW

2500

表2载荷工况表

表3

叶片参数结冰前结冰后

风机结冰前后频率变化

一阶弯曲振动频率/Hz

0.5680.521

一阶扭转振动频率/Hz

1.0120.944

一阶扭转振动频率/Hz

1.7651.685

（a）叶片参数结冰前后频率变化

（b）塔筒参数结冰前后频率变化

塔筒参数结冰前结冰后

一阶弯曲振动频率/Hz

0.3020.295

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第13期

结冰会造成部件固有频率变化，叶片和塔筒固有频率改变将对机组载荷造成很大影响。风机结冰前后叶片和塔筒相关频率变化见表3。

为防止机组共振，风机塔筒固有频率要避开风轮相应转频，GL2010规范规定风机塔筒一阶弯曲振动固有频率必须远离风轮转频1P和3P达5%。为保险起见，很多风机整机生产厂家往往将5%改为10%。对于风机共振问题，可以使用Campbell图进行分析，以某2.5MW机型0.13和0.39，风机塔筒一阶固有频率为0.302Hz，转频1P为例，其设计转速为7.8～14.5r/min，转频1P和3P分别为

MZF

和3P与塔筒一阶弯曲振动固有频率的比值分别为0.43和1.29，完全满足避开共振要求。结冰后塔筒的一阶弯曲振动频率变为0.295Hz，转频1P和3P与塔筒一阶弯曲振动固有频率的比值分别为0.44和1.32，结冰后，风轮转频1P和3P远离了塔筒一阶弯曲振动固有频率，防共振设计将更加保守。

机组结冰载荷分析

MYF

FYF

FZF

MXF

FXF

（c）塔筒坐标系

图1坐标系

注：①图1（a）中，XB表示在转子轴方向，ZB表示径向，YB表示使XB、YB、ZB顺时针旋转；②图1（b）中，XN表示在子轴方向，ZN表示与XN向上垂直，YN表示水平通道，使XN、YN、ZN顺时针旋转；③图1（c）中，XF表示水平，ZF表示在塔架轴方向向上垂直，YF表示水平通道，使XF、YF、ZF顺时针旋转。

GL标准中叶片、轮毂和塔筒坐标系如图1所示。

MZBMYBFYBYBZBXBFZBFXBMXB从表4至表6可知，叶片结冰后，叶根极限载荷Mx、My

和Mz分别增加2.3%、4.4%、1.6%。合力矩Mxy的最大值出现在DLC1.5极端运行阵风模型（一年一遇）加断网工况；旋转轮毂极限载荷Mx、My和Mz分别增加2.3%、4.2%、型切出风速工况。偏航轴承极限载荷Mx、My和Mz分别增加3.6%、3.5%、29.8%。可以明显看出，Mz增大明显，最大值出现在DLC2.2正常湍流模型加变桨故障工况。塔底16.6%、29.8%。Mx的最大值出现在DLC6.2极端风速加电阵风模型（五十年一遇）工况。

表4

叶根极限载荷对比表

结冰后（结冰后-结冰前）/结冰前/%10930.011046.0236.46907.3

2.34.43.61.6

31.9%。Mz增大明显，最大值出现在DLC1.1正常湍流模

极限载荷增加尤为明显，Mx、My和Mz分别增加23.6%、

（a）叶片坐标系

网故障工况，My和Mz的最大值均出现在DLC1.6极端运行

MZNFZN

MYN

FYN

YNZN

FXN

MXN

叶根极限载荷／kNm结冰前

MxMyMxyMz

10471.010661.0232.66753.3

表5旋转轮毂极限载荷对比表

旋转轮毂极限载荷/kNm结冰前结冰后（结冰后-结冰前）/结冰前/%

MxMyMz

（b）轮毂坐标系

3524.83605.78315.48663.46966.79188.58369.59814.7

2.331.917.34.2

Myz

表6

偏航轴承极限载荷对比表

结冰后4023.1

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·63·

小，降低了风轮转频1P和3P与塔筒一阶弯曲振动固有频率的比值，风机防共振设计更加保守。

②结冰使叶根极限载荷Mxy增大3.6%，考虑一般机组

偏航轴承极限载荷/kNm结冰前

MxMyMxyMz

3884.3

（结冰后－结冰前）

/结冰前/%

3.63.528.3

（结冰后－结冰前）

/结冰前/%-8.83.43.43.5

13778.014255.013779.014262.06530.0

8375.3

设计时变桨轴承安全余量（大于5%），结冰并不需要加强小，可以忽略，无需重新调整变桨电机的驱动扭矩。整偏航电机驱动力矩的极限值，防止偏航故障发生。

必须重新调③结冰对轮毂和偏航轴承Mz影响较大，

变桨轴承的极限强度。结冰对叶根极限载荷Mz影响较

表7

塔底极限载荷/kNm

MxMyMxyMz

塔底极限载荷对比表

结冰后53607.097156.097166.08375.6

结冰前58799.0939.094004.06530.0

寒冷地区的风机，基础扭转刚度和塔底螺栓剪切极限强度设计更加保守。

安装在寒冷地区的风机，计算机组等效疲劳载荷时，必劳失效。

参考文献：

对安装在④结冰对机组塔底极限载荷Mz影响较大，

28.3

⑤结冰对叶根和塔底的等效疲劳载荷影响较大，对

疲劳载荷为循环载荷，将造成风机零部件累积损伤，直接关系到风机使用寿命。风机各部件等效疲劳载荷由以下公式计算：

LN=m须考虑机组全年结冰时间，防止变桨系统、塔底螺栓疲

（2）

NLN为等效损伤载荷范围；ni为循环次数；Li为式中：

ni对应的应力范；m为材料S-N曲线的斜率；N为风机

∑Lmini［1］GL-WindTechnicalNote067.CertificationofWindTur-binesforExtremeTemperatures［Z］.2011.

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寿命的循环次数。

假设机组全年结冰期为一个月，结冰前后风机各关键部位等效疲劳载荷见表8。从中可以看出，结冰后的叶根等效疲劳载荷M（）增加11.2%；旋转轮毂等效疲ySN=10劳载荷M（）和M（）变化甚微；塔底等效疲劳载ySN=4zSN=4荷M（）和M（）分别增加18.3%和9.3%。xSN=4ySN=4

表8

等效疲劳载荷/kNm）叶根M（xSN=10）叶根M（ySN=10旋转轮毂M（ySN=旋转轮毂M（）zSN=4）偏航轴承M（ySN=4）偏航轴承M（zSN=4）塔底M（xSN=4）塔底M（ySN=4

10）

等效疲劳载荷对比表

结冰后6026.14730.415.357.03272.212617.921066.73134.9

（结冰后－结冰前）

/结冰前/%11.21.00.52.018.39.32.46.0

结冰前5682.34252.74373.334.03207.5106.619274.83060.3

4结论

建立了某2.5MW直驱风电机组的Bladed模型，计算分析了叶片、轮毂、机舱和塔筒结冰对风电机组频率和载荷的影响，结论如下。

①机组叶片和塔筒结冰，叶片和塔筒的固有频率减

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