摘要
我国南北地区气候差异显著，空气密度差异也较大，风电机组在应用于我国不同地区风电场时，往往忽视了空气密度的影响，导致风电叶片在某些风电场过早发生了疲劳损坏，所以研究空气密度对风电叶片疲劳寿命影响具有重要意义。 首先本文以某2MW大型风电叶片为研究对象，分别对我国新疆、西藏、黑龙江、海南、浙江、山西及湖南七个地方的风电场进行气候调研。调研结果显示黑龙江空气密度变化幅度最大，年变化幅度达17.7％，不同地区之间差值最大的为黑龙江和西藏，黑龙江空气密度是西藏的1.74倍。分别分析空气密度对风电机组发电功率及推力系数的影响，发现发电功率和推力系数均与空气密度呈正相关。 然后基于GH-Bladed软件模拟真实风况，分别计算叶片在标准空气密度和实际空气密度下的载荷，然后将额定风速下不同空气密度下的叶片载荷数据进行对比。结果表明:随着空气密度增加，风电叶片所受载荷逐渐增大，而且振摆方向的载荷增加最为明显，其中空气密度由0.71kg/m3增大到1.27kg/m3时，2MW叶片振摆方向上的力平均增加33.865kN。 其次基于Profili软件处理叶片翼型数据、Solidworks软件建立叶片气动外壳模型、AnsysAcp模块设计叶片铺层结构，建立了2MW叶片三维实体模型。然后根据GL标准，对叶片进行应力应变分析和静强度校核，结果表明:2MW叶片所受应力会随空气密度增大而增大;叶片不会因为应力过大而失效，叶尖处的最大形变为1.4m，小于叶片与塔架之间距离的50％，符合GL标准的要求。 最后基于nCode软件建立了疲劳分析流程，通过计算得到各风速条件下叶片的损伤，用风速对应的有效时长和Miner累计损伤理论计算得到叶片的寿命。分别计算不同空气密度下叶片的疲劳寿命，对比损伤云图及寿命。结果表明:2MW叶片疲劳寿命与空气密度呈负相关，空气密度越大，叶片疲劳寿命越小，其中空气密度为1.27kg/m3时叶片寿命为18.20年，0.71kg/m3时叶片寿命为32.05年。
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