更真实刻画大型风机载荷的新方法

一种新的建模方法正在帮助研究人员更贴近现实地描述大型风力涡轮机所承受的载荷。团队开发出更精确的风速波动数学模型，能够更好地捕捉突发的局部阵风。这类局部载荷被认为是导致材料提前疲劳的关键因素，尤其对体型不断增大的风机影响显著。

巨型风机面临的湍流挑战

随着风力涡轮机尺寸持续增大，其部件承受的应力——即由阵风和各种湍流引起的“载荷”——也随之上升。来自奥尔登堡大学的研究人员，与开姆尼茨机械与设备制造研究所（ICM）以及风机制造商 Nordex 合作，在这些载荷的建模方面取得了重要进展。

在期刊《风能科学》发表的三篇论文中，包括湍流专家、ForWind 风能研究中心的 Joachim Peinke 教授在内的团队提出了一种新概念，可比现有标准模型更准确地模拟作用在转子上的机械力。Peinke 表示：“通过这种方法，我们提出了一种潜在的载荷估算工具，可用于风机的规划和设计。”

尺寸放大带来的疲劳风险

当今海上风机的转子扫掠面积巨大，其直径可超过 200 米。在满负荷运行时，这类风机的发电功率可达 20 兆瓦，足以为约 20 万人提供电力。尺寸增大带来的一个直接后果是，风机及其部件在风力波动下不断发生弯曲变形。这些反复变形会引起材料疲劳，最终可能导致裂纹甚至断裂。

Nordex 的合著者 Jörg Schwarte 指出：“迄今为止，为了简化计算，制造商通常假设阵风均匀作用在整个转子面积上。”

对于较小风机，这一近似尚可接受，但在大型风机中，湍流风况对疲劳磨损的影响显得更加突出。此次合作研究的核心结论之一是：集中作用在局部区域的突发阵风，是驱动材料疲劳的关键因素。要让风机更好地适应这类载荷，制造商需要对作用在转子上的风力及其波动有更精确的数学描述。

“风压中心”：刻画局部阵风的新指标

在三篇论文中，研究团队提出了一种用于描述局部阵风效应的新指标。他们开发出一套方法，可基于当前风况（专家称之为“风场”）计算作用在转子叶片上的力，并用一个简单参数来表征这种载荷——“风压中心”。

Peinke 解释说：“如果风流分布均匀，风压中心就位于转子扫掠面积的几何中心。”

然而，当阵风只影响转子面积的一部分时，风压中心会偏离中心位置。这会导致该区域的叶片弯曲更为剧烈，同时在风机传动链中产生额外扭矩。

利用历史与现代数据重建风场

为构建这一新的载荷概念，团队综合利用了现代风机的测量数据，以及源自 20 世纪 80 年代末石勒苏益格-荷尔斯泰因 GROWIAN 项目的一系列测量塔风数据。奥尔登堡大学的 Jan Friedrich 博士基于这些数据重建了作用在转子面积上的风场。在此基础上，研究人员开展了气动弹性模拟，同时计算风流演化以及作用在风机不同部位的弯矩。

通过复杂的流动模拟，团队证明，“风压中心”这一概念能够准确反映风机在实际运行中承受的载荷情况。奥尔登堡大学博士生、其中一篇论文的第一作者 Marcel Bock 指出：“即便借助大学的高性能计算集群，对大型风机进行高分辨率模拟，也只能详细计算几分钟的运行过程。”

从高成本模拟到可行的长期预测

在第三篇论文中，由 Peinke 教授和博士生 Daniela Moreno 牵头的团队为风压中心建立了随机模型，大幅简化了计算复杂度。这一模型有望让制造商能够进行长时间尺度（长达数年）的载荷模拟，而不再完全依赖昂贵的高精度流体模拟。

ICM 的 Carsten Schubert 博士补充道：“当风压中心移向转子叶片外缘时，叶片弯曲尤其严重。”团队指出，目前风机控制系统难以及时识别这类极端事件，因此也无法有效采取缓解措施。借助新的研究成果，这一局面有望得到改善。

降低设计不确定性与运维成本

奥尔登堡的风能研究员 Matthias Wächter 博士表示，这些发现还可能推动风机设计方法的改进：“制造商通常会估算风机在约 20 年寿命周期内所有预期的材料变形，并据此确定材料和部件的强度。”

然而，这一过程存在大量不确定性，主要源于对风况的计算精度不足。Nordex 的合著者 Gritt Pokriefke 指出：“降低这些不确定性将是重大利好，因为部件过早失效是风能领域的重要成本来源。”

目前，在易北河上的 WiValdi 研究风电场正在开展新的高精度风测量项目，ForWind 也参与其中。这些最新数据有望进一步验证和完善风压中心模型，为未来更可靠、更经济的巨型风机设计提供基础。