大家一起学标准之IEC61400-1(19)

这篇文章解读一下IEC61400-1第七章的十三个注释。结构设计作为标准比较重要的章节，对于更深入的学习理解整个标准非常重要，因此注释也要重点的学习理解。 “一般情况下，2 m/s 的风速离散步长可认为满足计算精度要求。但在功率曲线快速上升的风速区间内，2 m/s 的步长取值过大，无法保证计算精度，需要加密风速步长。”注释5解释了默认可以采用 2m/s 等间隔选取仿真风速；但在切入风速到额定风速之间的功率快速上升区间，载荷随风速变化剧烈，2m/s 步长精度不足，必须缩小风速间隔加密采样，避免遗漏极限载荷、保证载荷计算精度。在全风速范围内选取若干离散风速点做载荷仿真，从中筛选出产生最恶劣载荷的临界风速作为设计控制风速；风速步长决定离散采样的疏密程度，直接影响能否捕捉到载荷峰值。对于绝大多数风速区间，采用2 m/s的等间隔风速采样，载荷随风速变化平缓，不会漏掉极值载荷，计算精度可以满足认证要求。在功率曲线快速上升段，必须加密步长的区间，也就是切入风速 和额定风速区间。该区间机组处于变桨恒转速、升功率运行阶段，风速小幅提升就会带来叶轮推力、叶根弯矩、塔筒载荷的快速剧烈上涨；如果依然用 2m/s 大步长，很容易刚好跳过载荷峰值对应的临界风速，低估极限载荷，因此必须缩小风速间隔。 “若无相关实测统计数据或场址运行资料，下述事件可直接采用规范给定的年发生频次 和累计运行时长：超速故障停机：每年 10 次；偏航错位故障运行：每年累计 24 小时；桨距控制误差故障运行：每年累计 24 小时；电网掉电事件：每年 20 次。”注释7说明只有无机组长期运行历史数据、无场区故障统计报告时才能使用这套默认值；若厂家有风场实测运维数据、同机型长期故障统计，必须优先采用真实统计值，不能直接套用本条默认频次。注释 7 是一套无实测运维数据时的故障统计保守默认值，区分瞬时故障年发生次数、带故障持续运行年累计时长，专门用于 DLC2.4 故障疲劳工况的全生命周期疲劳损伤积分计算。 “低电压穿越工况一般由电网公司定义，指电网发生扰动或故障时，风电机组必须保持并网、不得脱网停机。要求机组具备低电压穿越能力的原因：若大量风机（尤其大型风电场）在电网故障时集体停机，会引发全网电网崩溃。”规范将低电压穿越工况归类为正常事件，分项安全系数取常规正常工况值。仿真必须按照电网标准给定的电压跌落幅值和故障持续时长复现电网扰动。区别于普通电网掉电脱网，低电压穿越要求风机在电压跌落过程中持续支撑电网，会产生发电机短时大电流、传动链冲击载荷，必须单独校核电气与结构载荷。这么做是由于大规模风场同步脱掉电网会造成有功功率缺口、电压持续失稳，因此强制风机具备故障暂态并网能力。 “若无同类型风机的历史启动运行统计数据，DLC3.1（正常启动疲劳工况）可采用以下默认年启动次数：切入风速Vin：每年 1000 次启动流程；额定风速Vr：每年 50 次启动流程；最大允许启动风速：每年 50 次启动流程。”仅在缺少场址实测启停记录、同机型运维统计数据时使用；有实测数据必须优先采用真实统计值。切入风速区间是风机启停最频繁的区间，低风速频繁启停是叶片、传动链疲劳损伤的主要贡献项，因此年次数最高（1000 次 / 年），额定风速、最大启动风速仅大风天少量出现，启动频次低，各取 50 次 / 年。专门用于 DLC3.1 全生命周期疲劳损伤积分计算，统计每年启动瞬态冲击带来的交变载荷循环总数。 “若无同类型风机停机历史实测统计数据，可对设计载荷工况 DLC 4.1采用以下年停机次数假设值：在切入风速Vin工况下，每年发生 1000 次停机流程；在额定风速Vr工况下，每年发生 50 次停机流程；在切出风速Vout工况下，每年发生 50 次停机流程。”停机工况与正常启动工况一样，仅在缺少场址实测启停记录、同机型运维统计数据时使用；有实测数据必须优先采用真实统计值。停机次数与启动次数相同，该假设仅针对正常受控停机（控制系统有序分阶段停机），不包含故障紧急停机、电网失电保护停机等非计划停机；非计划停机循环次数需单独采用其他 DLC 工况与对应频次假设。 “由涡激振动产生的塔筒载荷相关设计指导文件可查阅 IEC 61400-6 标准（本标准发布时该标准尚在编制阶段，当时版本为 IEC CDV 61400-6:2017）。”气流绕过塔筒圆柱截面时，会在塔筒背风侧交替脱落旋涡；交替脱落的旋涡会对塔筒施加周期性横向交变力，引发塔筒横向持续振动，该现象即为涡激振动。涡激振动会大幅增大塔筒疲劳载荷，严重时会引发共振，造成塔筒焊缝、法兰疲劳开裂，是塔筒运维静置工况的核心风险。IEC 61400-6风电系列专项标准，专门针对塔筒、基础、海上支撑结构的载荷、强度、振动、疲劳设计，包含塔筒涡激振动完整计算方法、校核准则、减振措施要求。本标准 IEC 61400-1:2019 仅提出 “需校核涡激振动载荷” 的强制要求，但未给出具体计算方法、校核限值、减振设计细则；全部技术细则统一引用配套专项标准 IEC 61400-6。裸塔筒工况有两种合规处理方案：1）被动抑制方案（优先推荐）依据 IEC 61400-6 的涡激振动抑制要求，在塔筒外壁加装扰流装置，避开共振临界风速区间，消除涡激交变载荷，无需额外增加疲劳载荷工况；2）载荷校核方案若未采取减振措施，则必须按照 IEC 61400-6 给出的涡激载荷计算公式，新增专属疲劳载荷工况，对塔筒结构开展疲劳损伤验算，确保结构疲劳寿命满足 20 年设计要求。 “关于空间分辨率：网格相邻节点间的最大间距应小于湍流尺度参数Λ1的 25%，且不超过风轮直径的 15%；该间距指由四点围成的单个网格单元内节点间的对角线长度。若采用非均匀网格，可取风轮表面网格节点间距的平均值作为等效代表空间分辨率，且叶片叶尖区域网格间距通常应进一步缩小。”注释12注释的本段规范含湍流输入的气动弹性动力学仿真网格精度要求，注释针对仿真模型风轮叶片空间网格划分，限定空间分辨率下限，用于保证湍流、气动载荷计算精度，避免网格过粗导致载荷结果失真。Spatial resolution 空间分辨率：叶片气动仿真网格节点的疏密程度，由网格节点间距表征；网格越密、间距越小，空间分辨率越高，对湍流、叶片展向气动载荷捕捉越精准。Grid cell 网格单元：叶片气动仿真中，4 个节点围成的四边形计算单元；注释中约束的是单元对角线长度，而非单边边长。Non-uniform grid 非均匀网格：叶片根部、叶尖、前缘、尾缘等载荷梯度大区域加密网格，中部区域网格可适当放宽，整体节点间距不一致，是工程仿真常用网格策略。湍流尺度控制和整机几何尺寸控制是两条强制间距约束，二者要同时满足。湍流尺度控制是网格单元对角线 < 25%⋅Λ1,湍流涡团的特征尺寸由Λ1表征，网格必须足够细密，才能完整解析湍流涡团与叶片的相互作用；若网格间距超过 25% 湍流尺度，细小湍流涡会被平滑过滤，低估湍流交变载荷。整机几何尺寸控制是网格单元对角线<15%⋅D（风轮直径），从整机几何层面限制网格最大尺度，防止大直径风机叶片网格过于稀疏，保证叶片展向载荷分布的空间解析精度。 “另一种拆分方式：抗力分项安全系数γM可拆分为材料参数不确定性分项安全系数与抗力计算模型不确定性分项安全系数两部分，具体拆分规则见附录 K。”标准正文采用单一综合总系数γM，一次性覆盖全部材料、模型、几何、试验换算不确定性，直接代入公式R d =Rk /γM，计算简便，是风电行业通用做法。注释13是另一种拆分方案，将总抗力分项安全系数γM做乘积拆分，分解为两个独立分项系数，材料分项安全系数和模型分项安全系数。材料分项安全系数，仅考虑材料本身离散、试样与实体构件差异、几何尺寸偏差；模型分项安全系数，仅考虑抗力计算公式、承载力评估方法、换算系数带来的模型误差。拆分后分别取值，再相乘得到总γM，适用于精细化科研、第三方深度校核、新材料 / 新型结构验证场景。 “附录 K 给出了材料分项安全系数校准的完整指导准则。”标准正文仅允许替换默认γf、γM，但未给出校准操作方法；全部校准流程、判定准则、计算模型统一由附录K规定，注释 14 明确校准工作必须遵循附录K的指导，不可自行制定校准方法。仅同时满足以下条件，才允许启动附录 K 的系数校准：有完整书面论证文件，证明标准原始γf、γM取值过于保守；校准完成后，整机、各构件的目标安全可靠度不得低于本标准规定的最低安全水平；全套校准计算书、统计数据、论证文件需完整归档，用于型式认证、第三方审核。 “能够显著降低总荷载效应的预紧力荷载、自重荷载，归类为有利荷载。当工况中同时存在有利荷载与不利荷载时，设计校核公式 (32) 调整为：”标准正文的表格 3 将荷载分项系数γf分为两大类，不利荷载 Unfavourable loads和有利荷载 Favourable loads。不利荷载：会增大结构内力、加剧结构损伤，分常规工况 N（γf=1.35）、异常工况 A（γf=1.1）；有利荷载：抵消、减小整体荷载效应，全工况统一取γf=0.9；注释15专门界定什么荷载属于有利荷载，并给出同时存在两类荷载时的极限状态校核通用公式。不利荷载：风载荷、阵风、气动推力、制动冲击等，单独作用会让塔筒或叶片的机舱弯矩、剪力变大，设计时放大荷载（系数＞1）；有利荷载：自重、螺栓预紧力、重力，可抵消部分风产生的弯曲或 剪切内力，设计时折减荷载（系数＜1，取 0.9）。 “另一种取值方案：可采用贝叶斯方法确定材料强度特征参数，取 95% 分位值，具体方法见附录 K 与 ISO 2394 标准。材料强度特征值应选取 95% 分位数（置信度 75%）；对于具备成熟代表性试样检测流程的材料，也可采用材质证书标注强度值作为特征值。”正文基准规则：材料特征值取95% 存活率分位数，配套γM=1.2的抗力分项系数，是整机设计通用默认方案。注释 16 补充两种合规获取该 95% 分位数的技术路径，贝叶斯统计法和材质证书法定值。贝叶斯统计法适用场景：新型复合材料、特种合金、小批量试制部件，有效试验样本数量不足，无法用传统频率统计计算分位数。材质证书法定值适用场景：普通结构钢、标准铝合金、批量玻纤复合材料，厂商拥有长期标准化抽检流程、完整出厂质保体系。 “欧洲规范 EN 1993-1-6:2007（Eurocode 3 第 6 部分）中基于薄膜理论的壳体屈曲参数计算公式，适用于径厚比D/t<300的钢制塔筒；该公式自带系统保守偏差，因此塔筒整体屈曲校核时，抗力分项安全系数γM可降低至 1.1。”标准默认要求：塔筒整体屈曲统一取γM=1.2；仅同时满足塔筒为钢制圆筒径厚比D/t < 300和屈曲临界荷载完全采用 EN1993-1-6 薄膜理论公式计算，可将屈曲分项系数降至 1.1：欧洲规范自带保守偏移，已经内置安全储备，因此 IEC 61400-1 允许下调γM，避免双重过度保守造成塔筒壁厚冗余、成本上升。 “本文中疲劳强度定义为，对应指定循环破坏次数的应力幅。”常规力学疲劳强度定义不统一，有的指代极限应力、有的指代应力幅值；注释 18 明确本标准全文疲劳计算统一采用应力幅作为疲劳强度指标，所有 S-N 曲线、疲劳分项系数取值均基于应力幅，避免不同设计人员取值口径不一致。统一风电行注释18业疲劳计算核心参数定义，全球风机载荷仿真、疲劳校核、第三方认证均以应力幅作为疲劳强度唯一基准，消除术语分歧带来的疲劳寿命计算偏差。来源：智慧强学斋