风力发电一圈几度电 风力发电机组塔筒倾斜的测量及运行时的受力分析

　　摘要 针对近年来陆续发生的风力发电机组倒塔事故，通过对风力发电机组塔筒倾斜度的测量，实现对机组塔筒及基础的技术监督。对在风机运行时受力及因此造成的塔筒变形进行分析，阐述塔筒倾斜度侧量的重要性，同时对风机制造、运行提出建议。
　　关键词 风力发电；塔筒倾斜；偏移量
　　中图分类号TH-39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）78-0176-02
　　1 测量方案
　　首先选择一观测点A，该点必须满足条件：到塔筒的距离远大于塔筒的半径。通过全站仪观测外塔筒的两个边缘（B，C），可以确定∠BAC的角度，从而得到了∠BAO的角度，由此确定底塔筒的圆心O点的位置，同时也确定AO与低塔筒的外边缘的交点X的位置，即可测量到AX的长度。同样的方法确定也可确定M点的位置，这样就可以精确的测量到∠MAO的大小。
　　直线HOQ与AO垂直，这样在直角三角形AOH中可以计算出HO的长度：
　　HO=AO·tg∠HAO，其中，AO=AX+XO
　　XO为底塔筒的半径，直接测量并不精确，这时可以测量底塔筒的周长S，从而计算出半径XO=S/2Л
　　接下来在与AO垂直的方向，选取第2个观测点Q，同样要求，Q到塔筒的距离远远要大于塔筒半径，用和上述同样的方法，可以测量出∠MQO的大小，同时由于A点的选点要求，即到塔筒的距离远大于塔筒的半径，所以∠MAO是很小的，也就是可以近似看作直线HQ是垂直于AH的，这样在直角三角形MHQ中可以计算出：MH=HQ·tg∠HQO，其中：HQ=OQ±HO
　　正负符号的选择取决于Q点位置的选取，如图所示，HQ=OQ+HQ，若Q点选在AO的另一边则HQ=OQ-HO。
　　这样，在直角三角形MHO中，两直角边已经知道，便可以计算出偏移量MO的大小：MO=
　　针对各种风机要求可以判断该偏移量是否在允许的范围之内，例如某风机的规定倾斜度最大许可值为8mm/m，对于65m的塔筒，其偏移量的最大值为：8×65mm=520mm。当MO在该范围之内，即为可以允许的。
　　2 风机运行对塔筒倾斜造成的影响
　　风力发电机组的叶轮大多是由三条窄而长的桨叶构成，空气的动力在桨叶上产生了两种效果的力：升力和推力，升力用来推动桨叶旋转使发电机风力机发电，而水平方向的推力对风力机是破坏力，不但不对发电产生任何作用，还使风机及塔筒受到了水平及方向的载荷。
　　G为塔筒之外的风力发电机所有部件的重量，假设它和塔筒中心不在一条线上，离心距离为e；F为风对风机的推力；M为风机的升力的作用力距。
　　在这些作用力下塔筒会发生弯曲变形，进而影响顶、底塔筒中心的偏移量。
　　现用叠加法计算偏移：
　　2.1 推力F的影响
　　在推力F的作用下，塔筒会向F力的方向（即右边）弯曲，因此产生的偏移为：
　　，其中，h为塔筒高；E为弹性模量，与塔筒材料有关。I为塔筒弯曲时关于中性轴的惯性距，与塔筒的几何形状有关。
　　2.2 升力力矩M的影响
　　在升力力矩M的作用下，塔筒会向面向纸张向里的方向弯曲，此时产生的偏移为：
　　2.3 重力G产生的影响
　　G为塔筒之外的所有风力发电机的重量，它和塔筒中心不在一条线上，离心距离为e，
　　其中，等效力矩MG=G·e ，此时产生的偏移为水平方向，
　　通过上述计算， 可以得到总的偏移量：，正负由、的方向是否相同决定。由此可得：
　　根据有关资料可查阅到：升力对每个叶片的弯矩（即对风轮轴的转矩）为：，其中ρ为空气密度；S为叶片面积；r为到叶片上某点到风轮中心的距离；则对于三叶片风机总的升力力矩，对于同样型号的风机为一常数，则取则
　　每个叶片受到的推力的经验公式为F叶片
　　则对于三叶片风机受到的总推力，将公式代入可知：
　　3 公式分析
　　塔筒材料和几何形状的选择对于降低风机运行时的变形是十分有效的，因为制造、搬运输等原因导致局部区域塔筒材料的弹性模量E和关于中性轴的惯性距I减小，从而使变形扩大，对风机的影响可能是毁灭性的，因此在风机吊装初期对于塔筒的验收检查应当严谨科学。建议在验收过程中增加塔筒倾斜度测量项目；对于运行时间较长的风电厂，建议将塔筒倾斜度测量纳入风机技术监督项目，定期进行检查。
　　适当的调整风机除塔筒外其他部分叶片和机舱的重心位置，即调整公式中e的大小和正负号，对于减小运行时的塔筒变形量是有帮助的。
　　当公式中的Ge远小于时，
　　当对于一确定的风机，空气密度变化不大时，式中为一常数取为，则：，即风力对于塔筒造成的变形量与速度的平方成正比，众所周知，这样的二次函数当v增大时，f的变化是越来越大，所以当风速骤然变大时，在很短的时间使风机顺桨停运非常重要。近几年，因风速骤变、变桨系统缺陷、刹车制动失控所导致的风力发电机组倒塔事故占据着较大的比例，因此变桨系统、刹车系统的技术改良、质量控制应引起各风机制造厂家、风电公司的高度重视。
　　参考文献
　　[1]鸿文主编.材料力学.3版.高等教育出版社.
　　[2]苏绍禹编著.风力发电机设计与维护运行.中国电力出版社.作者简介：白杰，助理工程师，主要从事风电运营管理和技术创新.

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