风力发电机机械载荷测评与疲劳研究.docVIP

　　风力发电机机械载荷测评与疲劳研究 第一章 绪论 1.1 课题背景及意义 1.1.1 风电产业的发展 2009 年底哥本哈根气候变化大会之后，温室气体排放成为国际政治经济领域的重大问题，新能源也成为全世界关注的焦点。为积极应对全球气候变化，我国做出了两个与能源发展密切相关的承诺：一是 2020 年非化石能源在能源消费中达到 15%左右；二是 2020 年的单位 GDP 二氧化碳排放量比 2005 年减少40%~45%。要完成这两个目标，除了大力推进节能减排、加快发展核电和水电，还必须大力推动风电等新能源和可再生能源的发展[1]。近几年来，风能在全球范围内已经得到了飞速的发展。在全球经济持续低迷的背景下，2011 年在全球范围内风电发展势头依然良好。据全球风能理事会（GWEC）统计数据显示，2011 年全球新增风电装机容量达 40 564MW；这一新增容量使全球累计风电装机达到 237 669MW。在经历 2010 年全球风电增长放缓后，全球累计装机实现了超过 20%的年增长，相比 2010 年 24%的增长率，全球风电增长速度进一步放缓，如图 1.1 和图 1.2 所示。 我国可开发利用的风资源约有 10 亿 kW 之多，其中陆地就占有 2.5 亿 kW，但是现在仅开发利用了不到 0.2%；近海地区约有 7.5 亿 kW。风能资源丰富的地区主要分布在东北、西北、华北地区及东南沿海地区，其中，三北地区可开发利用的风能资源有 2 亿 kW，占全国陆地可开发利用的风资源的 79%。我国2006~2008 年风电装机容量增长率都大于 100%。2011 年中国（不含港、澳、台）全年新增风电装机容量 17.63GW，中国风电市场在历经多年的快速增长后正步入稳健发展期。全国累计装机容量 62.36GW，继续保持全球风电装机容量第一的地位。至 2011 年年底，中国的 30 个省、市、自治区（不含港、澳、台）已经拥有了自己的风电场，其中超过 10 哥省份的风电累计装机超过 1GW，超过 2GW的省份有 9 个。领跑中国风电发展的地区仍是内蒙古自治区，其累计装机17.59GW，紧随其后的是河北、甘肃和辽宁，累计装机容量都超过 5GW[2]。尽管累计总量仍在不断增加，但是风电已经开始从快速发展向稳步发展转变，新增容量的增速也开始放缓。从 2005mdash;2009 年风电经历了快速增长过程，年均增速在 30%～40%；从 2009 年以后，年平均增速降到 6%左右，全球的风电发展已经逐渐过渡到了相对平稳的时期，新增的装机容量保持在 40GW 左右。但是从规划来看到 2020 年新增装机容量的进一步增长将受到制约，年平均装机将放缓至 11GW[3]。目前国内许多风电场中投入使用的风力发电机组，以丹麦（67%）、德国（21%）、美国（11%）为主，而国产设备仅占约 1%的份额。此现状足以说明我国并网型大型风力发电机的设计制造能力较低的状态，已经成为制约着我国风电产业发展的瓶颈[4]。 1.1.2 大型风力发电机介绍 现阶段兆瓦级风力发电机是集空气动力学、机电一体化、材料工程、计算机智能控制技术等多学科于一身的高新技术产品。从工作机理角度考虑，风力发电机作为一种旋转运动的机械，在不确定的自然环境中工作，受力情况十分复杂，因此必须考虑风力发电机叶片、主轴、塔筒的载荷以及结构的机械振动稳定性等。从经济性角度考虑，风力发电机的设计不应该有过多的强度余量，但又必须保证在安全寿命内具有足够的可靠性，尽量减小维修成本。从技术角度分析，现代大型风力发电机正在向轻薄型、高效化及高可靠性方向发展。风力发电机的工作原理是风轮在空气动力作用下产生力矩旋转，再通过轮毂将能量传送到主轴和齿轮箱，再通过发电机、变流器等组成的发电系统，将机械能转化为电能进行发电。随着风电整机制造商风起云涌的发展势头，以及一台台样机的安装、试运行，风电设备的性能检测、质量认证成为规范风电设备市场的紧迫任务，也成为强大的市场需求。样机投入运行之后，需要完成载荷等测试等过程。 第二章 风机基本载荷的测量方法 2.1 所需测量的物理量 进行风力发电机组载荷测试时，需要对各种所需的物理量进行测量并进行数据记录。风力发电机关键位置的基本载荷测量及疲劳分析是本文的核心内容。根据测量要求规定，需要对各个主要部件的关键位置上具有代表性的载荷量进行测量，这些数据将作为疲劳分析的依据。为了表征风力发电机载荷特性，所需测量的载荷量包括叶片、主轴及塔筒的载荷，这些载荷对于风机安全性来说至关重要。其中，叶片载荷包括叶根挥舞方向和摆振方向的弯矩；主轴载荷包括主轴（两个垂直方向）弯矩和扭矩；塔筒载荷包括塔顶（两个垂直方向）弯矩和扭矩以及塔底（两个垂直方向）弯矩，如表2.1 所示。所需测量的