微小型风力发电笔记剖析.doc

微小型风力发电机桨叶损坏原因及计算方法的分析7万多台，机组容量多为 50瓦、100瓦，用于解决电网外边远农牧区家庭照明、看电视等用电，使用效果基本良 好，受到广大农牧民的欢迎。在以往实际使用中发现，现有各种小型机组尚存在质量不 过硬、可靠性不高的问题，主要是风轮的零部件易发生故障和损坏，不能保证长期连续 安全运行。 根据 对 内 蒙电管局应用试点范围内安装的475台风机历时三年的考察，累计发生了 风轮部件损坏事故45次，发生损坏的台数占该类风机安装总台数的9,6%。这45次事故， 全是风轮桨叶或其联结构件的损坏，其中，桨柄折断34次，占总次数的76%,风轮迥转 盘断裂11次，占24%。运行三年中，在停机状况下最高经受29米/秒大风，所有风机无 损坏，证明这些机组的静态载荷计算正确，能满足抗大风张度的要求。事故都是在运行 状态下发生。 二 、损 坏 原 因 我们 所 考 察的风机，都是通过正式技术鉴定定型和产品鉴定，由批准的定点生产厂 家生产制造的，已成为商品性风机成批投放市场，其重耍工作部件仍普遍发生损坏，尤 其是桨叶大量折断，是一个值得枢视的问题。分析机件损坏的原因，主要有五个方面的 问题: 1、 材 质 不合标准。在桨柄和迥转盘折断处，常发现有气孔或裂隙，说明厂家对材 料的选用要求不严，尤其近年钢材紧缺，采用了一些不合标准的钢材，材质检验工作也 不严细。 2、 工 艺 水平低。据了解， 一般厂家制造风1JlO1 工装尚不完备，工艺较落后，桨叶 成型工艺多为手工操作，因而质量很不稳定。 3、 结 构 缺陷。现有风机采用的几种限速机构，限速功能都不够理想，运行一段时 期就往往发生卡住或不能复位而失去限速作用，造成超速ll- }车”而损坏。 4、 风 轮 动态载荷计算和桨叶强度设计有缺陷。 5、 管 理 维护不善，大风时没有人工刹车停转，或者高速时猛力刹车经常受到很大 的惯性动量冲击而损坏。 三、现行风轮设计计算方法的缺陷及改进意见 风机 均 为 水平轴风机，对其动态载荷和桨叶强度设计，都是采用传统的计算方法， 即考虑风轮气动力矩、风的正压力、桨叶旋转时的离心力和自重力四项基本荷载，按最 大的组合荷载和最危险截面校核构件的应力强度。载荷计算公式为: 气动力矩M二 p nR V 2 田 正压力(P=13 pnR V 2 离心力S= Qg Ri 0) 式中:P— 空气质量密度(千克一秒2/米‘) R— 风 轮 半 径(米) V— 风 速 (米/秒) 。— 风 轮 旋 转角速度(弧度/秒) B— 实 际 正压 力与理论正压力之比，风轮静止时B二1 Q— 桨 叶 的 重量(千克) g- 屯 力 加 速度 Ri — 桨 叶 的 转动惯址半径(米) 以桨柄根部最小截面处的内应力校核其安全强度，各种载荷产生的内应力计算公式 为: PYm W t S + Q aSQ，n .币犷一 M一w 1一n Sm 1 ap=n ’ 式中: n- 桨叶个数， W - 桨 柄 抗 弯截面摸数(厘米。)，直径为d的园形截面W= Y 一 正 压力P合力点距桨柄根部校核截面的距离(r米); 劣 F— 校 核 截 面 面 积 ( 厘米:)。 上述 传 统 计算方法有许多缺陷:一是将诸载荷视为二维平面力系，是按静平衡结构 力学方法处理的。实际上，桨叶旋转时的载荷是三维空间力系，而且是频繁交变载荷， 以平面静定结构力学方法处理不符合实际，二是有的风机在计弃中载荷组合考虑不全 面，没有典正选取级大的组合位;三是忽视了桨叶受力后的形变应力，四是没有计及桨 叶的振动以及由此产生的材料弹性疲劳，五是没有考虑可能发生的风轮失控超速和高速 时人工猛力刹车所产生的意外受力，或老是对此估计不足。 笔者 认 为 ，快速风轮桨叶的动态特性，与直升飞机的旋翼最为类似。以现代气动弹 性力学理论设计计算直升机翼巳有较完善的方法(见有关专业教科书)，能取得较满意结 采。设计大型水平轴风轮，最好也参照直升机翼的方法。对于几十瓦几千瓦的微型小型 风机，没有必要进行繁琐的精确计算，仍可采用传统的简易方法，但应作一些改进。具 体建议是: 1、 计 算 桨叶根柄动态载荷要考虑两种情况，一是桨叶在水平位置时，二是桨叶垂 直向下时。第一种情形，桨叶根柄最危险截面的应力计算取四种载荷组合:在风轮旋转 平面为，气动力矩Ma、自重力产生的力矩MG,离心力S;在垂直方向为，风的正压力 产生的力矩Mp,第二种情形，也取P9种载荷组合，除取Ma, Mp, S之外，应将风轮的 陀螺力矩Mr计入，取代自重力矩MG(陀螺力矩Mr二2J (Ai U), J为桨叶对风轮旋转轴的 转动惯量,0为风轮旋转的角速度，。;为绕塔架轴线的转向角速角。)最后取两种载 荷组合的大者作为设计值。 以往 一 般 设计都不计陀螺力矩，因而只按桨叶在水平位