空氣密度、年平均風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒定制化載荷的影響

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）13-0064-04

Abstract：Inthecustomizeddesignoftowerbarrel，theultimateloadofclosingbendingmomentandthefatigueequivalent loadof pitching bending momentarethemainloadsthataffctthecustomizeddesignoftowerbarelInordertostudythe efectsofairdensityandanualaveragewindspeedonthebotomloadofclosing bending momentlimitandthefatigue equivalentloadofthebottompitchbendingmoment，theBladedsimulationsoftwareisadoptedtotake5.XMWand6.XMW double-fedwindturbinesasresearchobjects.Theefectsofdiferentairdensityandanualaveragewindspeedontheultimate load of tower bottom closing moment and the fatigue equivalent load of tower botom pitching moment are studied.

Keywords： wind turbine;air density;annual average wind speed; tower cylinder customization;load

風(fēng)能作為可持續(xù)發(fā)展能源一直受到各行各業(yè)的關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝備在全球減少碳排放的大趨勢(shì)下也得到了大力發(fā)展。風(fēng)機(jī)在服役的過程中除了受到自身重力的影響，也受到各種環(huán)境載荷的影響。近年來，風(fēng)機(jī)大型化增加效益的同時(shí)，也產(chǎn)生了更多的安全問題。實(shí)際工程中，風(fēng)機(jī)所處環(huán)境復(fù)雜惡劣，越是復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)風(fēng)機(jī)的使用壽命影響越大，更甚者造成嚴(yán)重的安全事故。

各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者研究了各種環(huán)境條件對(duì)風(fēng)機(jī)載荷的影響。Mostafa等運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了下?lián)舯┝鞔笮?duì)于塔筒載荷的臨界影響，并運(yùn)用FAST軟件開發(fā)出了一套風(fēng)機(jī)在湍流下的動(dòng)態(tài)分析程序。Bukurije等探索了復(fù)雜地形下季節(jié)性空氣密度波動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，冬季和春季的風(fēng)能潛力最大，發(fā)電量最多。Sun等研究了平均風(fēng)速對(duì)單個(gè)風(fēng)機(jī)尾流模型的影響，提出的尾流模型能夠精準(zhǔn)地描述風(fēng)力分布和優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)的布局。

吳驕等運(yùn)用Bladed軟件計(jì)算了風(fēng)切變冪指數(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒定制化載荷特性的影響，得到了不同風(fēng)切變冪指數(shù)對(duì)于風(fēng)電機(jī)組塔筒定制化塔底合彎矩極限載荷和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的特性影響規(guī)律。李治國(guó)等針對(duì)處于極端風(fēng)況下的大兆瓦風(fēng)機(jī)，提出了一種適用于塔筒動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)縱向湍流分量導(dǎo)致塔筒前后方向振動(dòng)劇烈。巫發(fā)明等以小型水平軸風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，探究了湍流強(qiáng)度對(duì)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)特性和氣動(dòng)載荷的影響規(guī)律，但是僅對(duì)這一影響因素進(jìn)行了研究，代表性不夠。樊昂等探討了不同風(fēng)速對(duì)單樁式海上風(fēng)電機(jī)組塔筒動(dòng)態(tài)特性的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速和葉輪轉(zhuǎn)速的增加會(huì)降低塔筒疲勞壽命，疲勞損傷主要分布在塔筒底部與單樁處，與最大等效應(yīng)力分布位置吻合。于增豪曾慶忠等通過建立與實(shí)際工作環(huán)境相符的山地湍流風(fēng)場(chǎng)，對(duì)塔筒的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了風(fēng)速和風(fēng)向變化對(duì)塔筒位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。張立棟等[12]利用OpenFAST軟件，以NREL-5MW風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，探究了不同湍流強(qiáng)度下風(fēng)機(jī)葉片整體的載荷分布情況，但是對(duì)湍流影響風(fēng)機(jī)葉片載荷的機(jī)理分析不足。劉為等3基于Bladed軟件，對(duì)不同風(fēng)況條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要關(guān)鍵載荷分量的等效疲勞載荷的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)重要載荷分量的等效疲勞變化趨勢(shì)接近于線性，葉根、輪轂和偏航的等效疲勞載荷對(duì)空氣密度變化不敏感。

綜合以上研究可以看出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種環(huán)境變化引起的風(fēng)機(jī)載荷的影響做了大量研究，但在塔筒定制化過程中，空氣密度、年平均風(fēng)速對(duì)塔底合彎矩極限載荷和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的影響方面還有空白。因此，本文以現(xiàn)有機(jī)型為研究對(duì)象，探究空氣密度、年平均風(fēng)速對(duì)塔底合彎矩極限載荷和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的影響規(guī)律。

1 風(fēng)況條件

本文基于Bladed軟件，通過設(shè)置不同的空氣密度和年平均風(fēng)速為風(fēng)電機(jī)組的環(huán)境參數(shù)，分析二者對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒定制化載荷的影響。年平均風(fēng)速分別為4 . 0 ， 5 . 0 ， 6 . 0 ， 7 . 0 和 8 . 0 m / s ；空氣密度為1.00、1.05、1.10、1.15、1.20和 表1為風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)。

2 仿真結(jié)果與分析

由于塔筒定制化主要考慮塔底合彎矩極限載荷和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷，因此，基于上述參數(shù)，本文僅對(duì)5.XMW和6.XMW機(jī)組在不同空氣密度和年平均風(fēng)速下的塔底合彎矩極限載荷和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1空氣密度對(duì)塔筒定制化載荷的影響

年平均風(fēng)速（ 7 . 5 m / s 保持不變的情況下，以 空氣密度下的塔底合彎矩極限載荷最大值和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷為基礎(chǔ)值，與不同空氣密度下的塔底合彎矩極限載荷最大值和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下。

由表2、圖1可知，不論是5.XMW還是6.XMW機(jī)型，當(dāng)年平均風(fēng)速不變，空氣密度增大時(shí)，塔底合彎矩極限載荷最大值也隨之增大，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)均近似于線性。但不同機(jī)型塔底合彎矩極限載荷最大值的增長(zhǎng)率卻略有差異。相較于空氣密度為 時(shí)，塔底合彎矩極限載荷最大值隨空氣密度的增加，增大了4 % ～ 2 4 % ，其中，6.XMW機(jī)型增速略快于 5 . XMW 。

由表3、圖2可知，不論是 還是6.XMW機(jī)型，當(dāng)年平均風(fēng)速不變，空氣密度增大時(shí)，塔底俯仰彎矩疲旁等效載荷也隨之增大，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)均近似于線性。但不同機(jī)型塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的增長(zhǎng)率卻略有不同。相對(duì)于空氣密度為 1 . 0 0 k g / 時(shí)，塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷增大了 4 % ～ 2 8 % ，其中，5.XMW機(jī)型增速略快于 6 . X M W 。

2.2年平均風(fēng)速對(duì)塔筒定制化載荷的影響

空氣密度 保持不變的情況下，以年平均風(fēng)速為 4 . 0 m / s 時(shí)的塔底合彎矩極限載荷最大值為基礎(chǔ)值，與不同年平均風(fēng)速下的塔底合彎矩極限載荷最大值及塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下。

由表4圖3可知，不論是5.XMW還是6.XMW機(jī)型，當(dāng)空氣密度保持不變，年平均風(fēng)速增大時(shí)，塔底合彎矩極限載荷最大值變化曲線僅略微波動(dòng)，這說明，年平均風(fēng)速對(duì)塔底合彎矩極限載荷最大值幾乎沒有影響。但不同機(jī)型塔底合彎矩極限載荷最大值卻不同，相對(duì)于5.XMW機(jī)型的塔底合彎矩極限載荷最大值，6.XMW機(jī)型塔底合彎矩極限載荷最大值整體高于5.XMW機(jī)型。

由表5、圖4可知，不論是 5 . X M W 還是6.XMW機(jī)型，當(dāng)空氣密度不變，年平均風(fēng)速增大時(shí)，塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷也隨之增大，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)均近似于線性。但不同機(jī)型塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的增長(zhǎng)率卻略有差異，相較于年平均風(fēng)速為 4 . 0 m / s 時(shí)，塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷增大了 8 % ～ 3 3 % ，其中，6.XMW機(jī)型增速略快于 5 . X M W 。

由上述可得，空氣密度不變時(shí)，年平均風(fēng)速的變化對(duì)塔底合彎矩極限載荷最大值影響不大，而對(duì)塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的影響大于塔底合彎矩極限載荷的影響。

3結(jié)論

年平均風(fēng)速不變，空氣密度增大時(shí)，塔底合彎矩極限載荷最大值和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷也隨之增大，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)均近似于線性。但不同機(jī)型塔底合彎矩極限載荷最大值和塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷的增長(zhǎng)率卻不同，其中，6.XMW機(jī)型塔底合彎矩極限載荷最大值增速略快于 5 . X M W ，而5.XMW機(jī)型塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷增速略快于 ?？諝饷芏炔蛔?，年平均風(fēng)速增大時(shí)，對(duì)塔底合彎矩極限載荷最大值的影響不大，而塔底俯仰彎矩疲勞等效載荷隨年平均風(fēng)速的變化而增加，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)均近似于線性，不同機(jī)型增長(zhǎng)率也不同。

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