疲劳问题及其对风力发电机组寿命的影响分析

1985年德国Teutoburger Wald的Bielsteinwei桅杆在风速不大的时候突然发生倒塌，事故的起因是纤绳节点平板外振动引起节点板的疲劳损伤，在寒冷条件下引起节点板的冷脆断裂而导致结构的破坏。类似的疲劳事故还有英国的Waltham桅杆结构在周期性载荷下螺栓破坏引起结构倒塌。大量桅杆倒塌事故研究报告表明，绝大多数结构破坏时的风速很低，说明由于载荷过大引起的失效并不多，多数是由于疲劳损伤引起结构失效。

垂直轴风力机作为桅杆—转子复杂结构系统，其结构的疲劳寿命和稳定性分析在其结构设计中非常关键。《风力发电机组设计要求》（JB/T 10300—2001）中明确规定对于风力发电机组必须进行疲劳和损伤容限分析。由此可见，风力机设计中疲劳特性计算分析非常重要。

垂直轴风力机疲劳问题主要可分为叶片的疲劳问题和其他零部件的疲劳问题两类。

1.叶片的疲劳问题(www.xing528.com)

叶片是捕捉能量的主要零部件，一般用铝合金材料或玻璃钢制成，其制造成本占到整个风力机设备的20%～30%。叶片结构的强度和稳定性直接影响整体机组的效率，设计可靠的叶片是保证风力机组正常稳健运行的重要因素。由于作用在叶片上的载荷具有交变性和随机性，因而其振动的发生是必然的；同时，随机载荷引起风力机结构和控制系统的响应，作用在叶片上的气动力和力矩发生变化，使风力机产生疲劳破坏。研究表明，风力机叶片的使用寿命主要取决于疲劳寿命。因此，对叶片的疲劳分析受到普遍重视，国内外很多学者对此也做了深入研究并取得了较大的进展，技术已趋于成熟。

2.其他零部件的疲劳问题

垂直轴风力机组中其他零部件包括主轴、刹车装置、塔架及底座等。由于风力机组中零部件的几何尺寸较大，形状也比较复杂，因此其制造过程一般采用铸造或焊接形式。在铸造和焊接过程中，零部件会不可避免产生砂眼等一些降低疲劳强度的缺陷，随着单机功率的不断增大，其几何尺寸也会增大，零部件中包含的影响其疲劳强度的缺陷也就越多。