【摘 要】
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风机塔筒和叶片结构需要抵抗重现期为50年的荷载极值,设计时应考虑极端风速下的停机状态和非极端风速下的运行状态。停机状态风机荷载极值可采用建筑结构荷载极值方法进行估计,运行状态风机荷载极值受到气动性能和控制策略影响,其估计方法应予以特别研究。日本规范基于2MW左右小型风机荷载特性研究,提出运行风机荷载极值计算经验公式,具有物理意义明确和计算快捷的优点,但应用于日益普及的5-10MW大型风机时估计精度
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风机塔筒和叶片结构需要抵抗重现期为50年的荷载极值,设计时应考虑极端风速下的停机状态和非极端风速下的运行状态。停机状态风机荷载极值可采用建筑结构荷载极值方法进行估计,运行状态风机荷载极值受到气动性能和控制策略影响,其估计方法应予以特别研究。日本规范基于2MW左右小型风机荷载特性研究,提出运行风机荷载极值计算经验公式,具有物理意义明确和计算快捷的优点,但应用于日益普及的5-10MW大型风机时估计精度不佳。针对该问题,可利用统计外推方法聚合基于数值模拟获取的风机荷载短期极值分布,得到运行风机荷载的长期极值;将风机荷载形成机理和传递路径分析结合估计的长期极值,建立精度高、适用性广的运行风机荷载极值计算经验公式。其中荷载极值统计外推的准确性易受极值样本选取方法、极值分布拟合函数、极值样本风速间距和时程数量等因素的影响,需要对上述因素进行研究以降低运行风机荷载极值统计外推的不确定性,得到高精度荷载极值,进而建立运行风机荷载极值计算经验公式。本文基于FAST模拟得到NREL-5MW风机1年时长的荷载时程,对影响统计外推估计精度和鲁棒性的因素进行系统研究,给出准确的运行风机荷载极值数据,结合风机荷载形成机理及传递路径分析,提出运行风机塔筒荷载极值计算经验公式,并通过DTU-10MW风机荷载极值计算结果对比实现精度验证。主要工作如下:（1）将统计外推方法估计的运行风机塔筒荷载极值与1年时长的模拟结果对比,探究风速间距、低风速、样本时程数量、数据选取方法、极值拟合分布函数等因素对估计结果精度和鲁棒性的影响,获得求解风机塔筒荷载极值统计外推方法。结果表明:取风速间距2m/s并忽略额定风速以下荷载样本的影响可保证精度且提高计算效率,单风速60个10min荷载样本时程可保证统计外推具有较低的不确定性,使用BMM或POT（2.0）数据选取方法搭配3P Weibull函数可保证估计结果的精确性和鲁棒性。（2）采用统计外推方法对运行风机叶根平面内、平面外荷载极值估计精度进行研究。结果表明:忽略9m/s以下风速进行数值模拟,单风速40个10min样本时程数量可以保证精度且减少模拟数量;BMM数据选取方法搭配Lognormal函数拟合数据能够准确估计叶片平面内弯矩极值;采用POT（1.4）搭配Normal函数或POT（2.0）搭配Lognormal函数估计的叶片平面外弯矩极值具有高精度和鲁棒性。（3）分析风机荷载形成机理和传递路径,考虑风作用在风轮上推力、塔筒与机舱阻力、机舱和风轮重力的荷载均值和脉动值,推导出包含峰值因子、综合因子、外推因子的风机塔筒荷载极值计算经验公式,并基于NREL-5MW风机模拟时程和统计外推结果确定上述参数取值。将NREL-5MW、DTU-10MW风机塔底荷载极值的经验公式计算结果与统计外推结果进行对比,结果表明该运行风机塔筒荷载极值计算经验公式具有95%以上的估计精度。
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