疲劳载荷在波动中的影响及安全因子需求

疲劳载荷也是波动的载荷，因此在进行塔架设计之前必须确保进行足够数量的仿真。在Thomsen（1998）的报告中，以一台1.5MW失速控制风力机的筒形塔架作为例子，在表7-6中给出了它的疲劳载荷。该表采用指数m为3的Wöhler曲线进行计算，该值典型地用于钢，等效循环数为600，湍流强度设定为15%。

表7-6给出等效载荷的变化以名义风速为函数，这个表是基于对每一个风速进行大量仿真完成的。载荷估计值的变化系数及名义值被包括其中，用μ和COV表示。尽管估算时已经采用了大量的仿真，本例中变化系数似乎还是大了一些（大于10%）。这显示出进行足够数量仿真的重要性。建议所用的仿真数量不能少于5个，见丹麦能源协会（2000）相关研究。但是，在很多情况下，5个仿真是不够的。

表7-6中给出的等效载荷，必须采用在不同风速下恰当的运行时间进行修正（根据名义风速的分布进行调整，得到寿命期的等效载荷）。名义风速假定遵守威布尔分布，尺寸因子A=10m/s，而形状因子k=2.0。这样20年寿命期的寿命疲劳等效载荷由表7-7给出，按10⁷等效载荷循环计算。注意寿命期疲劳载荷的不确定度仍然很大，变化系数达6%。这要求疲劳载荷安全因子不能等于1.0。

表7-6 10min仿真塔架弯曲的等效载荷（一）

损伤等效载荷对风速和湍流强度的依存度如图7-11所示，图的上半部分示出了10min仿真期的等效载荷是风速的函数，对三种水平的湍流强度进行了分析。从图中可以清楚地看到疲劳损伤随风速和湍流强度的增加而增加，但损伤的不确定性也随着风速和湍流的增加而增加。图7-11中的误差带以疲劳载荷平均值加/减一个标准偏差表示。

图7-11的下半部分给出了寿命损伤及寿命等效载荷作为特定场址设计湍流强度的函数。图形显示当紊流强度从10%增加到20%时，寿命等效载荷从大约6000kNm增加到14000kNm。由于Wöhler疲劳曲线的非线性疲劳损伤也相应地增加8倍。

表7-7 10min仿真塔架弯曲的等效载荷（二）(www.xing528.com)

对500kW失速控制风力机的分析给出了不同载荷工况对疲劳损伤的相对贡献，见Thomsen等人的报告（1997）。研究结果见表7-8，从中可以看出，疲劳贡献的主要部分似乎来源于“正常功率输出”载荷组合。载荷组合包括失效或偏差都几乎不影响疲劳损伤，载荷组合主要按DS472规定进行。

图7-11 10min等效载荷与风速的敏感性（上图）和寿命期等效疲劳载荷与湍流强度（下图）（误差带加/减估计值的一个标准偏差）

表7-8来自不同载荷组合对总疲劳损伤的相对贡献（500kW风力机，塔架承受弯距，载荷工况按DS472规定）