。当其中一个叶片0度角出现偏差时,攻角α改变,叶片推力PN随之改变,叶片力矩不平衡,叶轮会产生一个额外的倾覆力矩MΔα作用在底架和塔筒上,随着叶轮方位角的变化MΔα呈周期性变化,对底架和塔筒产生一个周期性载荷。
其中
Mx为底架和塔筒X方向载荷;
ΣPN为叶轮推力合力;
G为风机重力;
h1为风轮中心线到偏航中心距离;
h2为整机中心与塔筒中心的距离;
Mw为风切、湍流度产生的叶轮倾覆力矩;
MΔα为气象不平衡产生的额外倾覆力矩。
利用bladed多体动力学载荷仿真软件对单叶片0度角偏差±25°(气动不平衡)与单叶片0度角偏差±03°(正常)两种工况进行仿真,得到不同0度角偏差下偏航中心倾覆力矩。
由表1可知,0度角偏差增大后,气象不平衡增大,轮毂中心载荷增加,影响传动链和机舱底架等主要部件,对齿轮箱、轴承的寿命有较大影响。偏航中心载荷增加,对偏航系统、塔筒带来不利影响,增加偏航制动和驱动负担,降低部件疲劳寿命。
22气动不平衡对风机振动影响
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气动不平衡导致叶轮产生额外的倾覆力矩作用在底架和塔筒上,根据动力学方程可知,激励力增大会导致底架和塔筒振动增加。
其中:
m为底架和塔筒刚度矩阵;
c为底架和塔筒阻尼矩阵;
k为底架和塔筒质量矩阵;
v为加速度;
v为速度;
v为位移;
P(t)为正常工况风机外载荷;
ΔP(t)为气动不平衡载荷。
通过仿真模拟单叶片0度角偏差±25°(气动不平衡)与单叶片0度角偏差±03°(正常)工况下机舱底架振动。
由表2可知,0度角偏差增大后,机舱底架X(前后)方向振动和Y(横向)方向振动加速度峰峰值明显增大,振动增大会造成齿轮箱前后窜动,机舱左右强烈摇晃,偏航制动位置窜动,严重的会在偏航处发出强烈的噪音,损坏机舱内部件。
23气动不平衡对风机发电量影响
气动不平衡时,叶片攻角改变,导致叶轮受风面积减小,影响功率吸收,从而影响风机发电量。利用bladed对单叶片偏差±03°工况和单叶片偏差±25°工况下15MW风机进行功率曲线计算。
由图2和表3可知,0度角偏差增大后,气动不平衡增大风能利用率减小,功率曲线下移。根据标准Rayleigh分布风频计算各不同年平均风速下的年发电量,气动不平衡增大,不同年平均风速下的年发电量明显下降,单台风机年收益损失4万元以上。
3气动不平衡对风机的影响实验分析
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本文以某风场15MW风机为实验对象,利用激光校准仪对风机各叶片攻角进行测量,得到0度角偏差,对偏差较大r