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1、新疆大学硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文新 疆 大 学论文题目（中文）：大型风力机叶根载荷特性及联接设计研究论文题目（英文）： Research of Load Charactristics of Blades Root and Connection Design of Large-scale Wind Turbine研究生姓名: 学科、专业: 机械制造及其自动化研究方向: CAD/CAM及先进制造技术导师姓名职称: 论文答辩日期年 月 日学位授予日期年 月 日62摘 要通过对空间离散点风的特性进行分析，利用风模拟器得到较为真实的三维风模型。通过参数建模方法获得1.5MW风力发电机的叶片模
2、型，对其加载轮毂高度风模型并计算载荷。考虑到风力机运行工况范围较广，选取典型风况进行载荷计算。总结分析了叶片各截面及叶根各方向的载荷分布及规律，以风场试验数据对比验证计算结果的准确性。由此得出叶根处承载较大，易发生叶根断裂失效，这与现场的统计数据是一致的。因此，对叶根处联接失效成因进行深入研究，并在此基础上，对原联接标准螺栓进行改进设计并利用有限元分析方法验证其可行性。主要包括：风文件的生成、风模型的建立、三维风的模拟，叶片载荷的计算及载荷分布研究，叶根载荷特性研究，以试验数据对比验证仿真结果的准确性；现场叶根联接断裂失效分析，设计小锥度螺纹，验证新型螺栓。根据三维风模拟理论。利用TurbSi
3、m对高度为80m/s，平均风速为11.5m/s的湍流风进行模拟，并生成风文件。对风力发电机的叶片进行了坐标系的确定，并对风力机叶片载荷的来源进行了分类，对风力机的主要载荷进行了确定。基于Blade软件，输入仿真风文件进行叶片载荷的仿真模拟计算，并对正常风况和极端风况输出载荷谱对叶片及叶根的载荷特性进行分析。对叶片强度试验方案作了简单的阐述，对各工况应变测试点布置及载荷的加载方法进行了说明，各工况试验数据与通过Bladed软件算得的理论值进行对比分析，以验证软件算得的准确性、可靠性。基于叶根载荷的复杂性，且叶根螺栓连接在实际运行过程中出现的严重失效，对1.5MW风力发电机叶根联接的螺栓的失效类型
4、进行分类，通过对叶片叶根螺栓作断裂螺栓特征分析及断口信息分析研究，在理解螺栓失效的原因的基础上，重新设计了一款小锥度新型的高强度螺栓，以达到降低螺纹啮合第一扣螺纹根部 的应力集中，提高叶根联接的可靠性。最后，将设计的新型螺栓与原有的螺栓进行有限元分析对比，验证新型螺栓的合理性、可靠性。 关键字：载荷、特性、叶根联接、高强度螺栓、小锥度螺纹AbstractThrough the analysis on the characteristics of the spatial discrete points wind, relativly real three-dimensional wind mod
5、el can be obtained. And 1.5MW wind turbine blade model can also be got with the method of the parametric modeling.Then,to load the hub height wind model to the blade model and calculate the load. Taking into account a wide range of wind turbine running conditions, the typical wind conditions are cho
6、sen.After summarizing and analyzing the load distribution law of each cross-section of the blade and each direction of the blade root, the accuracy of the calculation results are verified by the contrast way with the wind field test data. To result that blade root bears the larger load and prone to
7、fracture failure. They are consistent with the wind field statistics. So, based on the deepen study of connection failure causes,to improve the design of the original connection standard bolt,and verify its feasibility by using the tool of finite element. Mainly include: generating the wind file and
8、 the wind model; simulating the three-dimensional wind; calculating the blade load and analizing load distribution;summrizing the blade root load characteristics and verifing the accuracy of its simulation results; analizing the causes of blade root connection fracture failure, design;designing smal
9、l taper thread; verifing the new bolts.According to the theory of three-dimensional wind simulation, Using turbSim to the height of 80m / S, the average wind speed is11.5m / s turbulent wind simulation, and the generation of wind profile. For wind turbine blades were coordinates determination, and t
10、he wind turbine blade load sources were classified, for wind turbine main load were determined. Based on Blade software, Input file simulation wind blade load simulation calculation, And the normal wind conditions and extreme wind conditions the output load spectrum on the blade and blade root load
11、characteristic analysis.On the static strength test schemes were explained, on the condition of strain measuring point layout and load are described, The test data with the Bladed software through the calculated theoretical values are compared and analyzed, to verify that the software s accuracy, re
12、liability.Based on the complexity of leaf root load, root and leaf bolt connection in the actual operation of the process failed, On the 1.5MW wind power generator leaf connecting bolt failure classification, The blade root bolt fracture Characteristic Analysis and information analysis and research,
13、 In the understanding of the causes of the failure of foundation bolt, Mention to design a small taper type high strength bolt, in order to reduce the threaded engagement of the first thread root stress concentration, improve the reliability of the coupling leaf root.Last, the design model of bolt a
14、nd the original bolt finite element analysis and comparison, validation of the rationality, reliability of bolt.Keywords: Load, Charactristics, Connection of Blades root； High-strength bolt； Little tapered thread目 录摘 要IAbstractII目 录IV1绪论11.1课题来源11.2研究背景11.2.1国外风电技术研究及发展现状21.2.2国内风电发展现状31.3叶片载荷计算41.4
15、叶根联接研究现状及存在问题41.5技术路线及主要内容61.5.1技术路线61.5.2主要内容72 风特性与风模型的建立82.1 风的模拟171882.1.1空间某一点的风的模拟82.1.2三维风模拟的理论102.2湍流风模拟器132.3仿真风模型142.4本章小结163叶片载荷计算及分布研究173.1叶片坐标系的确定173.2叶片载荷分类及主要载荷确定173.3风力发电机叶片载荷的计算193.3.1 GH Bladed软件介绍33193.3.2影响叶片载荷的风模型及工况203.4风力发电机叶片建模213.5加载风工况223.6模拟输出载荷谱分析233.6.1正常工况下载荷谱分析233.6.2极
16、端风况下载荷谱分析253.7本章小结274.叶根载荷特性研究294.1试验方案294.2各工况应变测试点布置及载荷的加载294.2.1各工况应变测试点布置294.2.2各工况载荷的加载314.3各工况试验数据与理论值进行对比分析324.3.1结果及理论数据对比324.3.2试验实测应变曲线与仿真应变曲线比较分析334.4 对比分析结论374.5本章小结385 叶根联接失效及新型螺栓设计395.1高强度螺栓联接失效类型及特征分析395.1.1高强度螺栓的脆性断裂失效405.1.2高强度螺栓的延滞破坏失效415.1.3 高强度螺栓的腐蚀失效425.1.4 高强度螺栓的疲劳失效425.1.5高强度螺
17、栓的变形与脱扣435.2 叶根螺栓联接断裂失效统计分析445.3 高强度螺栓断口形貌分析455.4 新型高强度螺栓螺纹形式475.4.1小锥度螺纹结构设计475.4.2新型的高强度螺纹与标准内螺纹的配合485.5 新型高强度螺栓联接有限元分析及疲劳计算495.5.1 有限元模型的建立与计算495.6 螺栓疲劳强度计算与校核515.6.1按照最小应力保持不变计算疲劳强度515.6.2按照应力幅计算疲劳强度525.6.4 用疲劳损伤累积假说计算疲劳强度535.7本章小结536总结与展望546.1总结546.2展望54参 考 文 献55在校期间发表论文58致 谢59学位论文独创性声明60学位论文知识
18、产权权属声明601绪论1.1课题来源本课题来源于国家自然科学基金项目：兆瓦级风能发电机组叶片的动态特性研究与寿命预测，项目编号：51065026；自治区自然科学基金项目：兆瓦级风力发电机叶片状态退化及失效机理研究。1.2研究背景随着风能在新兴能源产业发展中所处的重要地位和作用日渐突显，风力发电机也日趋向大型化发展。风能是一种无污染的可再生能源，根据世界气象的组织的统计报告，我们可以清楚的知道世界总风能大约有3X1017KW，而能够被开发的风能为2X1010KW，可见开发、利用风能资源，代替石油，煤炭等不可再生能是非常有效的手段。1风力发电电机还有建造周期短，运行维护成本低，占地少，现场的维护人
19、员少，风电的建筑占地只有电厂土地的7%的土地，而且其他的场地可以供其他的产业使用，如太阳能发电等。综上所述，发展风力发电是明智之举，发展好风电将为人类创造更好的生活环境，为人类留下更多的资源。在过去的5年间，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快能源的地位。2005年以来，全球风电累计装机容量年平均增长率为27.3%，新增装机容量年平均增长率为36.1%。22010年全球装机容量达196630MW，新装机容量37642MW，比去年同期增长23.6%。2010年新增装机容量相当于430TWh年发电量，占全球总发电量2.5%，总量超过世界第六大经济体英国 3 。装机容量如图1
20、-1所示：图1-1装机容量统计1.2.1国外风电技术研究及发展现状目前，德国、西班牙和意大利三国的风电机组的装机容量约占到欧洲总量的65%。近年来，在欧洲大力发展风电产业的国家还有法国、英国、葡萄牙、丹麦、荷兰、奥地利、瑞典、爱尔兰。欧洲之外，发展风电的主要国家有美国、中国、印度、加拿大和日本。迄今为止，世界上已有82个国家在积极开发和应用风能资源。风电在未来20年内将是世界上发展最快的能源。海上风力资源条件优于陆地，陆地适于安装风电机组的场址有限，以及在陆地安装风电机组对景观造成影响，产生的噪音可能影响周围的居民。将风电场从陆地向近海发展在欧洲已经成为一种新的趋势。有人把风电的发展规划为3步
21、曲，陆上风电技术（当前技术）一近海风电技术（正研发技术）一海上风电技术（未来发展方向）。4 2010年北美的装机容量有显著下降，美国年度装机容量首度不及中国；多数西欧国家风能发展处于饱和阶段，但风能产业在东欧国家得到显著发展；非洲风能发展主要集中在北非。2009年风电设备制造企业排名前五的企业为丹麦VESTAS、美国GE WIND、中国华锐、德国ENERCON、中国金风，占据了国内外49.8%市场份额。7丹麦VESTAS已在全球65个国家和地区安装了4万多台风机，截至2009年末，丹麦VESTAS全球总装机容量超过3.8万兆瓦。丹麦VESTAS的风机遍布中国13个省区，并依托天津生产基地，携2
22、兆瓦，3兆瓦风机进军中国海上风电市场。美国GE WIND是世界主要的风力发电机供应商之一，于2002年进入风电业务领域，截至2009年底，装机总量排名全球第四。美国GE WIND风电产品装机容量在1.5兆瓦到3.6兆瓦之间，都具有变速变桨距运行的特征，配置独特的电子控制装置，不仅能够用于陆上风电场，还能用于海上风电场。目前在中国的销售份额已达到20%。7在全球排名前列的风机制造商中，德国的企业不容忽视，他们以其精良的制造技术在世界市场上占有一席之地，德国的ENERCON是目前德国最后的风机制造企业，市场主要在德国本土，占市场份额60%。至今未涉足海上风电市场。丹麦RASIO实验室主要致力于风能
23、领域中的风力发电气象学，空气动力学模型，优化和降低成本，风力发电能源系统，新的概念，部件和材料及海上风力发电的研究与开发。当前国外风电市场上的主力机型是1.5MW, 2009年全世界新装机组的单机平均功率为1.6兆瓦。2009年全世界兆瓦级的风电机组当年装机容量占到了总装机容量的91.4%，单机容量逐步增大已成为国际风电市场发展的必然趋势。81.2.2国内风电发展现状从2003年以来，我国风电装机容量年均增长率达到70%以上。到2009年底，全国风电建设总容量为2268万千瓦，已并网运行容量为1767万千瓦，总吊装容量达到2412万千瓦。中国2010年风力发电新增装机超过2000万千瓦，截至2
24、010年底，累计装机容量超过4500万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。52010年中国风电的主要大事：风电实现并网发电量较大增长，国网辖区风电并网装机达到2826万千瓦；海上风电项目开始起航，东海大桥风电场风电机组全部并网发电；单机容量不断增大，华锐5兆瓦风电机组正式出产等。中国风能产业正在以全球最高的发展速度创造着辉煌。52010年国家能源委员会成立，把能源发展战略决策纳入国务院层面进行考量，国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定，使风力发电的整体创新能力和产业发展达到世界领先水平；可再生能源法（修正案）于2010年4月1日开始实施，使风力发电在产业指导与技术支持、推广与应用、政策与
25、经济激励的具体操作上有法可依，风电从此步入理性发展阶段。但是，像所有高速发展种的行业一样，2010年，前进中的风能产业也遇到了大大小小的问题，由于高速发展和基础不牢造成的问题。2010年10月12日，华锐风电科技集团股份有限公司正式宣布，由其自主研发、并拥有全球自主知识产权的5兆瓦风电机组正式出产，这是我国首台5兆瓦风电机组。与此同时，6兆瓦风电机组的研发工作发展顺利，将于2011年上半年出产。中国的风机设备产能迅速增长，其产业集中度进一步提高。如今国内制造商已经占据中国供应市场的超过85%，并开始出口海外。尽管中国已经有一套比较健全的风机制造供应链，包括几乎所有主要部件的制造生产基础设施，但
26、是中国某些关键零部件还依赖进口，同时中国也缺乏完善的辅助服务体系，例如认证机构、基础研发。2010年北美的装机容量有显著下降，美国年度装机容量首度不及中国；多数西欧国家风能发展处于饱和阶段，但风能产业在东欧国家得到显著发展；非洲风能发展主要集中在北非。2009年风电设备制造企业排名前五的企业为丹麦VESTAS、美国GE WIND、中国华锐、德国ENERCON、中国金风，占据了国内外49.8%市场份额。61.3叶片载荷计算目前,世界最长的复合材料风力机叶片是丹麦LM公司生产的，其长度已达615m，单片重约18t，从而对叶片结构的强度、刚度、重量等的设计提出了更高的要求。风力机叶片的结构分析作为风
27、力机叶片结构设计的技术基础之一，开始在大功率风力机叶片结构的校核与优化设计中发挥着El益重要的作用。9风力机叶片的载荷分布也不规则，求取复合材料风力机叶片结构的解析解非常困难，所以有限元法开始在风力机叶片结构分析中广泛应用。风力机运行环境中湍流、阵风、偏航气流以及塔影效应等恶劣运行风况，使叶片承受变化很快的波动载荷或持续时间较短的极限载荷。波动载荷、极限载荷往往是叶片，甚至风电机组整机破坏的直接原因。风轮叶片的受力情况是非常的复杂的，一般可以分为风压力和离心力。风压力会使叶片产生剪应力；离心力会使叶片产生拉应力。8 1.4叶根联接研究现状及存在问题风力发电机组由叶片、轮毂、主轴、机舱和塔筒等组
28、成，为了加工和运输方便，塔筒一般由3到4段圆柱筒或者锥形桶通过法兰联接而成。因此，风力发电机组各大部件的联接都是用了高强度螺栓进行联接的。螺栓联接受力非常的复杂，是风力发电机机组各部件联接中最容易失效的地方。随着机组的大型化，叶片更长更柔，采用根部打孔安装，叶片与轮毂或者变桨轴承的螺栓联接成为承受交变载荷最复杂的，工况最恶劣的联接部位。现场统计数据显示，由于叶根联接螺栓断裂导致叶片事故的情况相当严重。为提高风力发电机组运行的稳定性，重点考虑螺栓联接部分，极力提高联接的有效性和持久性对整个机组和使用寿命有重要意义。9叶根螺栓联接及螺栓疲劳断裂如图1-2、1-3所示： 图1-2叶根螺栓联接 图1-
29、3 叶根螺栓断裂单就螺栓联接技术而言是一门成熟的技术，但对应用于风力发电机组这一典型的疲劳机的螺栓联接分析研究目前还比较少。同济大学马人乐等9人对塔筒反向平衡法兰的螺栓联接进行了有限元分析，该分析考虑了弯矩载荷对螺栓的影响，高强度螺栓施工使用的是液压张拉器张拉反向平衡法兰的螺栓，螺栓预紧力施加比较准确，螺栓承载设计的可靠性较高。重庆大学何玉林等10人对风力发电机组轮毂和叶片轴承连联接螺栓进行了有限元分析，该分析仅在较少工况下对螺栓、轮毂和轴承所受应力进行了分析。李军等人11对风力机塔筒法兰螺栓连接组，在机组启动、正常运行和极端湍流风等三种工况下进行了接触有限元分析，并且得到了每个高强度螺栓的最
30、大应力值。一般情况下，螺栓的强度是由受拉螺栓联接的强度决定的，螺栓的强度主要包括了静强度和疲劳强度。为了保证螺栓联接既不会在最大载荷下发生静强度断裂，也不会在循环载荷下发生疲劳破坏，就必须对螺栓联接进行静强度和疲劳强度校核。郑永利等人12在考虑材料、结构、螺纹类型、尺寸参数、制造和装配工艺等影响螺栓强度的因素下，研究了材料、结构及螺纹部分满足要求的情况下，螺栓光杆部分的直径大小对螺栓强度的影响.12而针对风力发电机组上使用的高强度螺栓，对螺栓结构进行深入研究的目前更少。但对螺栓联接中，如何提高疲劳强度的研究，尤其是研究改善螺纹牙载荷分布不均，降低螺纹牙根部应力集中是提高螺纹联接疲劳强度的一个重
31、要内容，国内外学者对此做了大量的研究。为了解决螺纹牙上的载荷分布不均问题，提高螺栓联接疲劳强度主要通过以下方法13：变径螺纹副，把螺纹牙根到中径的距离进行改变，以确保各个螺纹牙受力基本趋于一致，对螺母结构进行改动优化，譬如采用悬置螺母、内斜螺母和环槽螺母等，以减小螺栓旋合段本来受力比较大的几圈螺纹牙的受力面。以上的这些措施虽然在一定程度上改善了螺纹的受力状态，但是并没有完全解决螺纹载荷分布不均的问题。文献14通过改变外螺纹齿根到齿中径的距离，开发了一种等载特种螺纹结构，文献15通过对螺母螺纹牙单侧面进行切削，确保螺母的螺距不再相等，进而使得每圈螺纹受力趋于相等或者近似相等。这两种方法虽然能够实
32、现螺纹牙的均匀受力，但是由于对螺纹的结构形状进行了一些改动，一定程度上减弱了螺纹牙的强度，对螺栓联接强度会有一定的影响。文献16在分析螺纹联接弹性变形的基础上，对一种新的螺纹配合方式进行了深入的研究，将微锥内螺纹与同标准外螺纹进行螺纹联接。从计算结果可以发现微锥内螺纹与标准外螺纹的配合确实大大地改善轴向力在旋合各圈螺纹牙间的分布，很好的降低螺纹根部应力，进而提高螺栓联接的联接强度，提高了高强度螺栓连接的可靠性。1.5技术路线及主要内容1.5.1技术路线为了能很好的实现工作内容，本研究中采用CAD/CAE结合技术，将ProE（三维建模软件）、GH Bladed(风机性能和负载的设计软件)、ANS
33、YS（有限元分析软件）等结合起来进行协同仿真，研究技术路线如图1-4所示。图1-4 技术路线1.5.2主要内容本文通过对风特性的分析及对自然风的有效模拟，得到较为真实的风模型风文件。将此风文件加载到1.5MW风力机叶片模型上可得到一系列载荷数据，经处理得到各截面及各个方向上的载荷曲线及数据列表。然后，将软件计算得到的叶片载荷与风场实际得到的试验数据进行对比分析，确保叶片载荷数据的真实和准确。结合风力机在实际运行的过程中叶根联接失效比较严重这一现状，对原有联接螺栓重新设计改进，以降低叶根螺栓发生断裂失效的几率，提高联接的可靠性，改善叶根联接的运行状况。要达到上述目的，须完成的主要工作有：1. 基
34、于自然风特性，由空间某一离散点及多个相关点的风模拟，得到理论上较为合理的描述三维风的相关函数。借助TurbSim风模拟器，对风特性明显的湍流风进行模拟。其作法是通过逆傅里叶变换(IFFT)将频域中的风特性转换成时域中的时间序列值。最后，生成动力仿真所需的全域背景风文件或轮毂高度风文件。2.基于TurbSim中的Kaimal模型对参考高度为80m,平均风速为11.5m/s，湍流因子为0.16的湍流风进行时间历程仿真，得到90s内的风向变化及三个方向上的风速变化曲线，并对仿真结果加以分析；3. 根据技术要确定叶片的基本参数，并用相关软件对叶片载荷计算与载荷分布进行研究。4. 将理论计算得到的数据与
35、风场试验测得的数据进行对比分析，验证理论计算的数据的合理性。5. 基于叶根载荷的复杂性，且叶根螺栓连接在实际运行过程中出现的失效，对1.5MW风力发电机叶根联接的螺栓的失效类型进行分类，通过对叶片叶根螺栓作断裂螺栓特征分析及断口信息分析研究，在理解螺栓失效的原因的基础上，提重新设计了一款小锥度新型的高强度螺栓，以达到降低螺纹啮合第一扣螺纹根部的应力集中，提高叶根联接的可靠性。并将设计的新型螺栓与原有的螺栓进行有限元分析对比，验证新型螺栓的优越性。2 风特性与风模型的建立2.1 风的模拟1718如果要想更好的计算出风力发电机组结构上的准确的载荷时间历程，那么正确地输入随时间和空间变化的风场是非常
36、有必要的，此类变化主要包含了湍流、风剪切力及塔架对来风所产生的影响。2.1.1空间某一点的风的模拟一般的风速仪会使用采样频率 对某一点的风速进行测量， 是指两个采样值之间的时间差，而这里输出的是一系列数字,所对应的时间分别是。总时间为。其中，采样频率为。这样一来时间历程表达如图2-1所示：图2-1 空间某一点离散采样风速的时间历程想要准确的描述风速的波动，选取三个离散点是必须的，图2-1所示能分辨的最高频率为，而能分辨的最低频率为。若假设所选的信号是具有周期性的，那么可以使用离散傅里叶变换时间历程分解成： （2-1）其中系数为： (2-2) （2-3） (2-4) (2-5)将（2-1)代入方
37、差的代数式，可以得到： (2-6)其中功率谱密度函数的方差为： （2-7）式中：是频率，离散化积分式(2-7)，给定频率位于和之间，得到： (2-8)比较方程(2-7)和方程(2-8)，可以看出功率谱密度函数可以计算为： (2-9)对于已测得的时间历程，都可以通过方程(2-3)、方程(2-4)和方程(2-9)来确定功率谱密度和傅里叶系数函数。这种就是离散傅里叶变换。1920通过功率谱密度函数，构建出来的时间历程这一种方法称之为逆离散傅里叶变换。针对大气边界层，现阶段主要有近似测得的功率谱密度函数不同的解析式，比如DS472标准中的Kaimal谱： (2-10)其中：，是指湍流强度;是指频率，单
38、位为;是指内平均风速；是指长度标尺，当时，（是距离地面高度），而当时，。逆离散傅里叶变换应按照如式2-11和2-12进行傅里叶变换，以得到所描述的功率谱密度函数：21 (2-11)其中方程(2-11)可以写为 (2-12)式中：是频率的相位角。根据方程(2-10)，由代入方程(2-12)，则可得到准确而且满足所描述的功率谱密度函数的傅里叶变换： ， (2-13)其中相位角没有反映在功率谱密度函数中，所以，可以通过随机数发生器产生一个0和之间的一个数值进行仿真模拟。通过方程(2-13)，就能极其简单地计算准确且所与描述的功率谱密度函数一致的离散时间历程。应当注意的是方程(2-11)中功率谱密度函
39、数，因为这些函数所假定的和之间的任何频率都已经出现过，但是正如前面已经阐述的，对离散时间历程来说，只有和之间的频率才可能出现。综上所述，将功率谱密度函数标准化为： (2-14)如果标准偏差为1，湍流强度为。标准偏差，湍流强度，那么可以很快的求得： (2-15)或者： (2-16)2.1.2三维风模拟的理论为了更为准确的模拟空间中两点或者更多点位置的风速时间历程，就必需考虑到这些时间历程的相关性。当然这里说的相关不光与这两点之间的物理距离有关，而且还要考虑与这两点的频率相关。时间历程的高频部分是小型涡导致的，对空间的影响相对较小。同理，低频部分则与大型涡相关，涵盖了流动的更大的部分。因此，相关函
40、数必须将点和点之间的距离和频率都要考虑到。22标准已经为我们给出了一种可能的选择： (2-17)文献10中提供的方法能产生所描述的功率谱密度函数和相关函数的三维风，下面仅仅给出算法。第一步，构建矩阵： (2-17)其中：和分别是在点点和的功率谱密度函数。非对角线上的项是互功率谱的幅值。若空间上点的数目为，则为一个矩阵。23第二步，通过下述循环可以计算出出下半三角矩阵： (2-18)其中以作索引的每一点以及每一离散频率，可以求出位于和之间的随机数，来表示方程(2-14)中的相位。变化范围为和之间，这里指的是时间历程中离散点的数量(，)。其中虚部的长度相当与等于空间点数的向量，我们可以计算为： (
41、2-19)和可以变换为与相位： (2-20)最后，在诸点，处的时间历程则可以计算为： ， (2-21)运用方程(2.21)和准确的功率谱密度、相关函数，对每一个速度分量，可以独立计算出所有点的时间历程。因此，无法保证能获得正确地互相关。为保证空间各点相关性，Mann,J.提出了基于线性化的纳维斯托斯克方程。24这里建立如图2.2所排列的一系列点的时间历程，以便进行风力发电机组结构的气弹计算。图2-2风力机风速时间历程点的分布一般通过空间内插方法就可以求得扫略网格叶片上的速度。叶片上的某一个点所体现出来的风的时间历程和固定在空间的某一点的时间历程是不相同的。旋转叶片上的某一个点的时间历程一般称为
42、旋转采样；而对于叶片上以固定不变的速度旋转的情形，相关文献已经直接进行计算进行过阐述。25模拟的时间历程主要由所描述的功率谱密度函数和相关函数及相位的随机数。因此，这里针对每一种工况至少进行三种不同的时间历程的计算，而对于每一时间历程都运用气弹程序验证，以确保在不同的历程中取得不确定性的概念。2.2湍流风模拟器在进行风力发电机叶片载荷仿真计算时，必须调用符合实际情况的风文件。目前，产生风文件的模拟器主要有TurbSim 、Bladed26等软件，当然还有通过Matlab/Simulink编写形成风文件的仿真程序。本文选择TurbSim软件生成模拟风的文件。TurbSim是一个随机的、全域的、湍
43、流风模拟器，TurbSim基于统计模型，而不是基于物理模型，它通过数值方式仿真固定在空间中的矩形网格里某一个点X、Y、Z三个方向的风速时间序列值。TurbSim程序的输出文件还可作为基于AeroDyn27程序的风力发电机组动力学仿真软件，如FAST28、YawDyn29，可操作性非常的强大。TurbSim先在频域中定义速度分量谱及空间连续性，然后通过逆傅里叶变换(IFFT)生成时间序列值。在仿真计算的基础理论中这一种时间序列值假设过程为平稳过程。而针对仿真非平稳分量，TurbSim则通过在其生成的时间序列值中添加可选择的拟序结构以及由频域转换到时域来实现，最后，生成AeroDyn可以读取的全域
44、的背景风文件或轮毂高度风文件，其仿真原理如图2-3所示：图2-3 TurbSim仿真原理图其中，细黑线显示的代表内部变量及过程，粗蓝线显示则表示由输入文件参数影响的过程；TurbSim的仿真流程图如图2-4所示：图2-4 TurbSim仿真流程图2.3仿真风模型本文基于TurbSim中的Kaimal模型对参考高度为80m,平均风速为11.5m /s，湍流因子为0.16的风速进行时间关系仿真，得到仿真结果如图2-5、图2-6、图2-7、图2-8、图2-9所示。Kaimal模型可以指定自频谱密度和空间交叉相关特性来生成风速与时间关系曲线图。30目前，产生湍流风模型中主要是通过Von Karman模型和Kaimal模型来完成，虽然两个模型的交叉频谱密度函数和自频谱的形式有一些不同，但是这两款模型被普遍认为是真实大气湍流的最完好的表达。图