定桨距风电机组叶根加长改造评估

杨劲 谢伟 张伟 王寿福 杨松圣

我国风能资源丰富，陆上风电主要分布于“三北”（东北、华北、西北）地区、东南沿海地区以及内陆局部地区，其中，“三北”地区风能储量占全国陆上风能储量的79%。随着全球变暖，两极与赤道的温差缩小，全球风速都在变小。有研究指出近50年来除青藏高原及其东部和东南地区年平均风速不存在显著线性变化外，我国大部分地区年平均风速呈明显的减小趋势。加上叶片老化，国内存量约万台的定桨距风电机组大部分处于欠发状态。出于经济考虑，运营商希望通过技术手段，对原叶片进行技术改造以提升其发电性能。

目前，较为成熟的技术改造方法有叶片加长和加装增功组件两种。相当一部分研究表明，叶片加长能够有效地提升叶片的发电性能。例如，山西某风电场数台进行了叶片加长技术改造的机组，发电量增幅达到5%以上。然而，叶片加长也会带来整机载荷的增加。鉴于目前关于叶片加长对整机载荷及安全性影响的研究相对较少，本文对某风电场750kW定槳距风电机组进行叶根加长技术改造，并从整机角度分析技改机组的载荷、强度和发电性能，从而评估该方法的可行性，也为叶根加长方案的实施提供理论依据。

理论基础

风电机组的发电性能主要通过年发电量进行评估。年发电量取决于风电机组的输出功率与风电场的风速分布。

一、输出功率

从接收风能的风轮端到输出电能的电机端，中间要经过空气动力、传动链、电机的转化，最终电机端实际的输出功率可表示为：

叶根加长方案设计与评估

一、叶根加长节设计

结合当地风电场的环境、整机参数，对750kW定桨距风电机组进行叶根加长技术改造。叶根加长节的设计步骤如图1所示。

根据发电量增益需求和设计载荷的限制，使用Bladed进行载荷计算与动态年发电量评估，同时结合整机各部件的强度校核，不断计算迭代，获得最佳的叶片长度。最终确定加长节长度为650mm，叶片由24m增加到24.65mo加长节采用圆筒形式并通过长螺栓固定，如图2所示。

其中原机组型号为原50-750，技改机组型号为改51.3-750。技改机组的整机参数如表1所示。

根据上述参数设置Bladed整机模型，并将技改后的叶片模型输入到Bladed中。以GL2010标准为依据，计算该模型的极限、疲劳等工况，并根据计算结果对整机的功率、载荷、强度进行评估。

二、计算结果评估

（一）整机载荷与强度分析

由于叶片加装叶根加长节，导致了整机载荷的增加。通过统计各个工况下的载荷计算结果，获得技改机组各个部件的关键载荷，并与原机组的设计载荷进行对比，结果如表2所示。

叶根Mxy主要用于轮毂强度分析：旋转轮毂和固定轮毂的M=K、Myz主要用于主轴、机架、主轴承座和各位置连接螺栓等部件的强度分析：塔架顶部的Mxy主要用于偏航系统和塔顶法兰的强度分析。由表2对比结果可知，技改机组所有关键载荷均小于原设计载荷，因此技改机组的整机强度满足正常运行要求。但轮毂Mx载荷与原设计载荷十分接近，额外增加叶根加长节长度可能造成轮毂载荷超限，进而导致轮毂与主轴连接螺栓强度不足。

（二）叶根加长节与连接螺栓强度校核

1.叶根加长节强度校核

叶根加长节两端分别与桨叶和轮毂相连，如图3所示，加长节坐标系与叶根坐标系一致。叶根加长节采用内外筒结构形式，如图4所示，该结构使用Q345E钢板加工而成，屈服强度为335MPa。

叶根加长节与轮毂连接处（以下简称加长节底部）的载荷计算如下式所示：

加长节采用Q345E钢板加工而成，屈服强度为335MPa;安全系数采用1.1，则许用应力为304.5MPa。因此，叶根加长节最大应力小于许用应力，满足强度要求。

2.连接螺栓强度校核

叶根加长节连接螺栓强度校核采用工程算法，假设工作载荷全部由螺栓承受，计算公式如下：

本次技改所采用的连接螺栓为M30，细杆直径为27mm，扭矩为1350，扭矩系数为0.12～0.14。根据上述公式，可得到螺栓截面应力σbolt为874.86MPa，小于螺栓许用截面应力940MPa，满足强度要求。

（三）气动性能评估

通过Bladed计算仿真得出原50-750与改51.3-750机组的静态功率曲线，如图5所示。可以看出，经过叶片加长，改51.3-750机组在各个风速段功率值都高于原50-750机组。尤其在15m/s之后的风速段，原50-750机组功率始终处于650～670kW，最大为669kW。而改5 1.3-750机组在15m/s之后的功率为730～745kW，最大功率为745kW。

对于机组年发电量的评估不仅需要考虑功率，还需将风电场的平均风速和风频分布考虑在内。经考察，两机组的理论年期望功率，如图6所示。

从图中可以看出，两机组年期望功率曲线与瑞利分布基本一致。虽然如图5所示，在10～12m/s风速区间内两机组的功率差距并不明显，但考虑风频分布后，在该风速区间内，改51.3-750机组期望功率要明显高于原50-750机组。计算得到改51.3-750机组年期望功率为232.73kW，比原50-750机组的219.84kW高出5.86%。

基于数据完整性与风速相近评估原则，选取2013年作为技改前的代表年用于运行数据对比分析，量化评估技改后（2018年）增功情况。考虑到风速和实际发电时间不同对发电量存在影响，对风速和发电时间进行归一化。其中，风速归一化指的是将技改和未技改机组在技改前后两个时间段均按照一个特定的平均风速计算其发电量;发电时间归一化则是指将技改机组和未技改机组在技改前后均按照统一的发电时间求得发电量。基于风速、发电时间归一化后的发电量对比如表3所示。

以未技改组数据为基准，技改前技改组的发电量是未技改组的98.32%;技改后技改组的发电量是未技改组的104.38%。以技改前数据为基准，技改后未技改组的发电量是技改前的96.30%;技改后技改组的发电量是技改前的102.24%。综合考虑两组样本初始差异，假定两组样本结构性能相同，可得技改机组发电量提升6.16%。

结论

本文针对某风电场750kW机组叶根加长改造展开研究。通过载荷计算、部件强度校核和发电性能增益评估，对加长节进行优化迭代，最终将加长节定为650mm。在载荷与部件强度满足设计要求的前提下，发电性能得到了较大的提升，计算结果如下所述：

（1）根据Bladed计算结果，技改机组所有部件的关键载荷均低于原设计载荷。其中轮毂Mx弯矩载荷已经达至0原设计载荷的94.4%，叶根加长节长度接近上限，额外的加长会造成轮毂与主轴连接螺栓强度不足。

（2）叶根加长节采用Q345E钢板，许用应力为304.5MPa，叶根加长节在极限载荷下的最大应力为59.6MPa，小于许用应力304.5MPa。加长节连接螺栓最大应力为874.86MPa，小于螺栓的许用应力940MPa。叶根加长节及连接螺栓强度均满足强度要求。

（3）通过理论功率曲线对比可知，技改机组的理论功率较原机组有较大的提升，在风速大于15m/s时尤为明显。从期望功率的对比可知技改机组功率提升的较大风速段为10～12m/s。通过对实测年发电量数据进行归一化处理，得出技改机组年发电量提升为6.16%。