结冰对风电机组载荷的影响研究

王清波 陈婷

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GH Bladed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 文章編号：1003-5168（2019）13-0060-04

Abstract： The blades， hubs， nacelles and towers of the wind turbine tend to freeze when the wind turbines operate under the low temperature environments. Especially in some cold regions， wind turbines can freeze for up to 3～4 months. After the large parts of the wind turbine are frozen， the original shape is changed， the weight is increased， and the natural frequency of the entire wind turbine is changed， thereby affecting the load characteristics of the wind turbine. This paper took a 2.5MW wind turbine as the research object， the GH Bladed software was used to establish the wind turbine model， combined with the influence of icing and non-icing on the wind turbine loads in the cold specific environment， the ultimate loads and fatigue loads of the key components of the wind turbine before and after icing were analyzed， the change situation provided a design for the design of low temperature wind turbine.

Keywords： wind turbine;icing;ultimate load;fatigue load

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℃，新疆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。

1 2.5MW机组设计参数及结冰工况

以某2.5MW直驱风机为研究对象，该机组按GL 2010标准[14]IIIA安全等级设计，具体设计技术参数如表1所示。

根据GL 2010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为极限运行阵风模型。参考《Wind Turbines，Part 1：Design Requirement》（IEC 61400-1-2005）[15]，仿真中DLC1.1、DLC6.4每个风速下使用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。

2 结冰后机组大部件性能及质量变化

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3 572.1kg，塔筒结冰质量为22 869kg。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。

结冰会造成部件固有頻率变化，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，GL 2010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机型为例，其设计转速为7.8～14.5r/min，转频1P和3P分别为0.13和0.39，风机塔筒一阶固有频率为0.302Hz，转频1P和3P与塔筒一阶弯曲振动固有频率的比值分别为0.43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。

3 机组结冰载荷分析

GL标准中叶片、轮毂和塔筒坐标系如图1所示。

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%、31.9%。Mz增大明显，最大值出现在DLC1.1正常湍流模型切出风速工况。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。塔底极限载荷增加尤为明显，Mx、My和Mz分别增加23.6%、16.6%、29.8%。Mx的最大值出现在DLC6.2极端风速加电网故障工况，My和Mz的最大值均出现在DLC1.6极端运行阵风模型（五十年一遇）工况。

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My（SN=10）增加11.2%;旋转轮毂等效疲劳载荷My（SN=4）和Mz（SN=4）变化甚微;塔底等效疲劳载荷Mx（SN=4）和My（SN=4）分别增加18.3%和9.3%。

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%，考虑一般机组设计时变桨轴承安全余量（大于5%），结冰并不需要加强变桨轴承的极限强度。结冰对叶根极限载荷Mz影响较小，可以忽略，无需重新调整变桨电机的驱动扭矩。

③结冰对轮毂和偏航轴承Mz影响较大，必须重新调整偏航电机驱动力矩的极限值，防止偏航故障发生。

④结冰对机组塔底极限载荷Mz影响较大，对安装在寒冷地区的风机，基础扭转刚度和塔底螺栓剪切极限强度设计更加保守。

⑤结冰对叶根和塔底的等效疲劳载荷影响较大，对安装在寒冷地区的风机，计算机组等效疲劳载荷时，必须考虑机组全年结冰时间，防止变桨系统、塔底螺栓疲劳失效。

参考文献：

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[15] Wind Turbines， Part 1： Design Requirements：[S].2005.