参数化载荷谱优化

参数化载荷谱不仅在计算感兴趣的极限载荷，而且在计算如抗疲劳失效设计所需整个载荷分布时都是十分有用的。参数化载荷谱被简化，理想化成用几个特征参数表示的载荷分布。

其中一个有用的参数化载荷谱在DS472中已有表示。这个载荷谱是用来计算叶片载荷的，它基于特征气动线载荷p₀。p₀可以通过下式计算：

式中 ρ——空气密度；

c——叶片在距离r=2/3R处的特征弦长；

C_L——距离r=2/3R处的升力系数；

W——合成风速；

n_r——风轮转动频率；

R——风轮半径；

V₀——轮毂高度额定失速风速。

V₀定义成如下两个风速中较小的一个：

1）风力机达到额定功率P_nom时的额定10min平均风速V_nom；

2）气流平行于风轮轴线，当失速恰好扩展到整个叶片时的10min平均风速。

沿叶片的载荷分布表示成三角形线性载荷，它的值在轮毂中心为0，在距离轮毂中心R的叶尖处为p₀，这样线性载荷在距离轮毂r处的值可以通过下式计算：

叶根处的合成弯矩为

对于疲劳计算，一般情况下载荷通过一些平均载荷表示，在这些平均载荷上叠加一些循环交变载荷。循环交变载荷在以后考虑。循环交变载荷的载荷范围F_Δ通过概率分布表示。此概率分布这样表示，即F_Δ（N）是在风力机的设计寿命内超过N次的载荷范围。

循环交变载荷由由于重力载荷产生的确定性部分，以及由于气动载荷产生的随机部分组成。确定性载荷如叶根处摆动方向的循环交变弯矩，循环交变确定性载荷是叶片绕轮毂旋转的结果。相应的载荷范围分布包括定幅值载荷范围，其数量等于设计寿命内风轮运行总周数N_R。确定性载荷的定幅值载荷范围典型地是叶片单位长度质量m和重力加速度g的函数。

循环交变随机载荷如叶根处挥舞方向的循环交变力矩，它是由于风产生的气流力作用在叶片上的结果。相应的载荷范围分布用一般的标准分布来表示，其无量纲范围值F^*_Δ乘上一个取决于载荷类型和方向的设计常数给出了常用的载荷范围F_Δ。

根据规范DS472，随机载荷分布所采用的一般性标准载荷分布通过下面的表达式来表示：

F^*_Δ（N）=β（lgN_F-lgN）+0.18

上式的附加条件为F^*_Δ（N）≤2k_β，β=0.11k_β（I_T+0.1）（A+4.4）。

根据规范DS472相应的公式，I_T为轮毂高度的特征湍流强度，见3.1.2和3.1.3节。注意，一般性标准载荷范围分布只适用于风轮直径小于25m的风力机，运用到大直径风轮时可能会导致过于保守的结果。(www.xing528.com)

一般情况下，对于单个叶片k_β=1，但是对于计算来自所有3只叶片风轮上的压力时k_β=2.5，从而有

上式为对应于特征载荷频率为n_C，在风力机设计寿命T_L内的载荷范围数量。A和k分别是10min平均风速U₁₀长期威布尔分布的尺度参数和形状参数，见2.2节。V_min和V_max分别为风力机运行的切入和切出风速，参见3.1.1节。

对于确定性载荷的组合，可以假设随时间谐波变化，假定在t=0时叶片处在垂直位置，可以运用下面的公式计算：

式中 p——叶片线载荷；

——平均线载荷；

p_ΔC，p_ΔS——载荷范围的余弦分量和正弦分量。

对于确定性载荷范围与随机性载荷范围的组合，建议直接将来自两个分布的载荷范围值进行叠加。这样最大的确定性载荷范围值与最大的随机性载荷范围值相加，第二大的确定性载荷范围值与第二大随机性载荷范围值相加，依此类推，直到两个分布的所有载荷范围值全部叠加，构成合成分布。图4-21给出了叶片摆动方向上线载荷的确定性载荷范围与随机性载荷范围组合的例子。

表4-7给出了叶片线载荷的确定性载荷与随机性载荷分量的表达式。所用的特征频率n_C也通过风轮频率n_R表示。

表4-7 风轮叶片上的线载荷

风轮载荷可以表示为确定性平均载荷和带随机范围的谐波变化载荷之和，即

图4-21 标准化分布

图4-22 放大因子k_R与频率比率n₀/nR

式中 t——时间；

n_C——频率。

表4-8给出了风轮载荷确定性载荷分量与随机性载荷分量的表达式。这些表达式基于叶片线载荷p₀、额定转矩M_nom、风轮质量M，而标准化载荷范围分布按照上面所讲以F^*_Δ（N）给出。一些表达式中包含了修正因子k_R，它考虑了放大效应，是共振频率n₀和风轮频率n_R比值的函数。图4-22给出了修正因子k_R。共振频率n₀是有关振动的最低的共振频率，也就是弯曲中的塔架记为n_TOWER，而处于停机状态的整个非对称的风轮振动记为n_ROTOR，此时其中一只叶片的振动和其他两只叶片的振动是反相的。

表4-8 风轮载荷