定槳距風電機組葉根加長改造評估

楊勁 謝偉 張偉 王壽福 楊松圣

我國風能資源豐富，陸上風電主要分布于“三北”（東北、華北、西北）地區、東南沿海地區以及內陸局部地區，其中，“三北”地區風能儲量占全國陸上風能儲量的79%。隨著全球變暖，兩極與赤道的溫差縮小，全球風速都在變小。有研究指出近50年來除青藏高原及其東部和東南地區年平均風速不存在顯著線性變化外，我國大部分地區年平均風速呈明顯的減小趨勢。加上葉片老化，國內存量約萬臺的定槳距風電機組大部分處于欠發狀態。出于經濟考慮，運營商希望通過技術手段，對原葉片進行技術改造以提升其發電性能。

目前，較為成熟的技術改造方法有葉片加長和加裝增功組件兩種。相當一部分研究表明，葉片加長能夠有效地提升葉片的發電性能。例如，山西某風電場數臺進行了葉片加長技術改造的機組，發電量增幅達到5%以上。然而，葉片加長也會帶來整機載荷的增加。鑒于目前關于葉片加長對整機載荷及安全性影響的研究相對較少，本文對某風電場750kW定槳距風電機組進行葉根加長技術改造，并從整機角度分析技改機組的載荷、強度和發電性能，從而評估該方法的可行性，也為葉根加長方案的實施提供理論依據。

理論基礎

風電機組的發電性能主要通過年發電量進行評估。年發電量取決于風電機組的輸出功率與風電場的風速分布。

一、輸出功率

從接收風能的風輪端到輸出電能的電機端，中間要經過空氣動力、傳動鏈、電機的轉化，最終電機端實際的輸出功率可表示為：

葉根加長方案設計與評估

一、葉根加長節設計

結合當地風電場的環境、整機參數，對750kW定槳距風電機組進行葉根加長技術改造。葉根加長節的設計步驟如圖1所示。

根據發電量增益需求和設計載荷的限制，使用Bladed進行載荷計算與動態年發電量評估，同時結合整機各部件的強度校核，不斷計算迭代，獲得最佳的葉片長度。最終確定加長節長度為650mm，葉片由24m增加到24.65mo加長節采用圓筒形式并通過長螺栓固定，如圖2所示。

其中原機組型號為原50-750，技改機組型號為改51.3-750。技改機組的整機參數如表1所示。

根據上述參數設置Bladed整機模型，并將技改后的葉片模型輸入到Bladed中。以GL2010標準為依據，計算該模型的極限、疲勞等工況，并根據計算結果對整機的功率、載荷、強度進行評估。

二、計算結果評估

（一）整機載荷與強度分析

由于葉片加裝葉根加長節，導致了整機載荷的增加。通過統計各個工況下的載荷計算結果，獲得技改機組各個部件的關鍵載荷，并與原機組的設計載荷進行對比，結果如表2所示。

葉根Mxy主要用于輪轂強度分析：旋轉輪轂和固定輪轂的M=K、Myz主要用于主軸、機架、主軸承座和各位置連接螺栓等部件的強度分析：塔架頂部的Mxy主要用于偏航系統和塔頂法蘭的強度分析。由表2對比結果可知，技改機組所有關鍵載荷均小于原設計載荷，因此技改機組的整機強度滿足正常運行要求。但輪轂Mx載荷與原設計載荷十分接近，額外增加葉根加長節長度可能造成輪轂載荷超限，進而導致輪轂與主軸連接螺栓強度不足。

（二）葉根加長節與連接螺栓強度校核

1.葉根加長節強度校核

葉根加長節兩端分別與槳葉和輪轂相連，如圖3所示，加長節坐標系與葉根坐標系一致。葉根加長節采用內外筒結構形式，如圖4所示，該結構使用Q345E鋼板加工而成，屈服強度為335MPa。

葉根加長節與輪轂連接處（以下簡稱加長節底部）的載荷計算如下式所示：

加長節采用Q345E鋼板加工而成，屈服強度為335MPa;安全系數采用1.1，則許用應力為304.5MPa。因此，葉根加長節最大應力小于許用應力，滿足強度要求。

2.連接螺栓強度校核

葉根加長節連接螺栓強度校核采用工程算法，假設工作載荷全部由螺栓承受，計算公式如下：

本次技改所采用的連接螺栓為M30，細桿直徑為27mm，扭矩為1350，扭矩系數為0.12～0.14。根據上述公式，可得到螺栓截面應力σbolt為874.86MPa，小于螺栓許用截面應力940MPa，滿足強度要求。

（三）氣動性能評估

通過Bladed計算仿真得出原50-750與改51.3-750機組的靜態功率曲線，如圖5所示。可以看出，經過葉片加長，改51.3-750機組在各個風速段功率值都高于原50-750機組。尤其在15m/s之后的風速段，原50-750機組功率始終處于650～670kW，最大為669kW。而改5 1.3-750機組在15m/s之后的功率為730～745kW，最大功率為745kW。

對于機組年發電量的評估不僅需要考慮功率，還需將風電場的平均風速和風頻分布考慮在內。經考察，兩機組的理論年期望功率，如圖6所示。

從圖中可以看出，兩機組年期望功率曲線與瑞利分布基本一致。雖然如圖5所示，在10～12m/s風速區間內兩機組的功率差距并不明顯，但考慮風頻分布后，在該風速區間內，改51.3-750機組期望功率要明顯高于原50-750機組。計算得到改51.3-750機組年期望功率為232.73kW，比原50-750機組的219.84kW高出5.86%。

基于數據完整性與風速相近評估原則，選取2013年作為技改前的代表年用于運行數據對比分析，量化評估技改后（2018年）增功情況。考慮到風速和實際發電時間不同對發電量存在影響，對風速和發電時間進行歸一化。其中，風速歸一化指的是將技改和未技改機組在技改前后兩個時間段均按照一個特定的平均風速計算其發電量;發電時間歸一化則是指將技改機組和未技改機組在技改前后均按照統一的發電時間求得發電量。基于風速、發電時間歸一化后的發電量對比如表3所示。

以未技改組數據為基準，技改前技改組的發電量是未技改組的98.32%;技改后技改組的發電量是未技改組的104.38%。以技改前數據為基準，技改后未技改組的發電量是技改前的96.30%;技改后技改組的發電量是技改前的102.24%。綜合考慮兩組樣本初始差異，假定兩組樣本結構性能相同，可得技改機組發電量提升6.16%。

結論

本文針對某風電場750kW機組葉根加長改造展開研究。通過載荷計算、部件強度校核和發電性能增益評估，對加長節進行優化迭代，最終將加長節定為650mm。在載荷與部件強度滿足設計要求的前提下，發電性能得到了較大的提升，計算結果如下所述：

（1）根據Bladed計算結果，技改機組所有部件的關鍵載荷均低于原設計載荷。其中輪轂Mx彎矩載荷已經達至0原設計載荷的94.4%，葉根加長節長度接近上限，額外的加長會造成輪轂與主軸連接螺栓強度不足。

（2）葉根加長節采用Q345E鋼板，許用應力為304.5MPa，葉根加長節在極限載荷下的最大應力為59.6MPa，小于許用應力304.5MPa。加長節連接螺栓最大應力為874.86MPa，小于螺栓的許用應力940MPa。葉根加長節及連接螺栓強度均滿足強度要求。

（3）通過理論功率曲線對比可知，技改機組的理論功率較原機組有較大的提升，在風速大于15m/s時尤為明顯。從期望功率的對比可知技改機組功率提升的較大風速段為10～12m/s。通過對實測年發電量數據進行歸一化處理，得出技改機組年發電量提升為6.16%。