风力发电原理第六章

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如果风轮安装在塔架的下风位臵，在塔架的下风侧，速 度减小比较明显，风轮叶片在每旋转一周都必然经过塔架的 阴影区域。
综上所述，即使是在上风安装的风轮，塔架的空气动力 学的影响也必须考虑。由于目前几乎所有风力机塔架均为圆 形截面，所以仅需考虑圆柱体周围的流场即可。
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§6-2
载荷来源
一、均匀稳定空气流的载荷
假设空气流均匀稳定地流经风轮扫掠面，那么水平轴 风轮叶片承受着稳定的气动力。垂直轴风轮则不同， Darrieus风轮或类似结构风轮在均匀流场中承受着随时间 发生改变的载荷。 水平轴风轮叶片上的风载荷，在很大程度上由从叶片 根部到叶尖的有效风速的变化来决定。此外，风轮叶片的 结构形状也影响着风载荷在叶片上的分布。
随机载荷：由湍流风引起的气动载荷。
瞬变载荷：由于阵风、起停机和变桨距等操作、冲击载荷 等引起的载荷。 共振激励载荷：与结构动态特性有关的载荷。
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下图用两个坐标图来表明风轮所受的载荷
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在叶片局部断面所在的旋转坐标轴系统中，作用于风轮 叶片的力和力矩被分解为沿弦向和拍向两个分量。在机翼弦长 方向，获得弦向分量；在垂直于弦长方向，为拍向分量。在风 轮旋转平面内，作用于风轮的力被分解为旋转面的切向力和垂 直于旋转平面的推力分量。这个二维系统表达了以载荷的形式 作用于风轮上的全部受力和力矩。 P45-7 能源动力与机械工程学院
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在圆柱形塔架前，风速由于受到塔架的阻碍作用，而逐 渐降低。其中几乎在1倍塔柱直径时风速开始降速，而在0.5 倍塔柱直径时风速发生明显降低的现象。因此，只要设计风 轮叶片和塔架的间隙保持在一个塔架直径的距离，就可以将 塔柱对风轮载荷的影响减到最小；否则，如果风轮转速在塔 架的自振频率范围内，那么塔坝效应有可能激起塔架振动。
第六章
风力机载荷和结构应力
风力机在运行的过程中承受着多种应力和载荷。载荷 是设备结构设计的依据，其分析计算在设计过程非常关键 。载荷分析不准确，可能导致结构强度设计问题，过于保 守则造成风电机组的总体设计成本增加。 载荷设计时应考虑以下条件: 首先，保证部件能够承受极限载荷，必须能够承受可 能遇到的最大风速。 其次，保证风力机20～30年的使用寿命。然而，极限 载荷产生的应力相对容易估计，而疲劳寿命问题则是相对 较为困难。 第三，注意部件的刚度，这与其振动和临界变形有很 大关系。如果风力机所有部件的刚度参数能够很好地满足 ，那么风力机的振动性能就能够很好地控制。因而，刚度 也是决定部件尺寸的主要参数之一。
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将百年中的最大阵风作为风力机的最大静载荷， 此时叶片迎风且静止，叶片安装角达90°。设CD为叶 片垂直于风向的阻力系数。作用在[r，r+dr]叶素上的 力为
1 2 dF C Dtu dr 2
计算和经验表明，某些大型风力机，在风轮迎风 静止状态下，叶片经得起60m／s左右的大风。
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下图所示给出了理想的阵风形状，用于计算风力机载荷。
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定义阵风系数为阵风持续时间的函数，如左图示。它 们也决定于平均风速水平。平均风速越高，期望阵风系数 越低。
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二、垂直剪切风和横风
只要风不对称地吹扫风轮，就产生不稳定的、循环变 化载荷。受地表粗糙度的影响，风速随高度增加而增加， 不可避免地造成风的不均匀性。为此，风轮在每旋转一圈 中，叶片在上部的旋转部位，比离地面近的部位承受的风 载荷更高。由于横风风向的快速变化，也引起了风轮的循 环变化的载荷。 垂直剪切风和横风导致在叶片上循环地增加和降低气 动载荷。与稳定而均匀风产生的基本载荷相比，产生了极 大的变化。
空气密度

Af
塔架投影面积 空气动力系数，圆形封闭塔架取0.7 桁架塔架取1.4

鉴于计算桁架构件的实际投影面积比较麻烦，工作量也比较大，通 常可用塔架轮廓包围面积的30％计算(不能低于此值)。
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四、阵风
当功率输出和能量产出受平均风速的长期变化而决定 时，风力机上非循环的载荷波动将由短期的风速波动、风 扰动和阵风来决定。 在载荷计算中，通常采用湍流谱模型，其假设风速在 轴向为一维湍流波动。在风力机载荷假设中，假设理想化 的阵风形式，用来作为结构设计一定发生概率的载荷。相 关的信息包括发生概率、时间长度和空间范围。 这些离散阵风在载荷计算中的重要性主要在于确定极 限载荷。
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三、风力机塔架影响
在许多情况下，因风轮和塔架之间的距离太小，而导 致塔架周围的空气动力学流场会影响叶片的运行。 当以传统的上风式安装风轮时，塔架周围的流场对风 轮的影响最小。上风位臵的风轮仅受到塔架前的延迟气流 的影响，这就是所谓的塔坝效应。塔坝效应对老式风车及 风车房产生重要的影响，但对现在风力机组的影响相对较 小。
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下风式风轮的电力输出是表明塔影影响力的指标。 在极端条件下，测量得出的电力损失是平均输出的30%40%，如图示。
塔影对风力机噪声产生重要影响。目前风力机采用 上风式结构，因此而产生的噪声完全消失。
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塔架的主要载荷
对于静态，我们论述与塔架强度计算有关的两种载荷，作用到风轮上最 大的气动推力和塔架本身所承受的最大风压。 为了确保在台风或暴风袭击时，塔架仍不会倾倒，在强度计算时，不 管是变距调节还是失速控制的风力机，风轮的气动推力和塔架所受的风压 均要按暴风工况考虑。 风轮上最大的气动推力
F Ct V
1 2
2 s
A B
b
丹麦风电专家彼得森推荐
F
t
风轮气动推力
Ab
风轮扫掠面积 桨叶数 空气动力系数，当系统 自振频率〉2HZ时取1
C 推力系数1.6
B

Vs
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暴风风速
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塔架所受的风压
2 F1 V s Af 2
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按结构设计要求分类：
最大极限载荷：风电机组可能承受的最大载荷，需要 根据载荷的波动情况，考虑相应的安全系数。 疲劳载荷：风电机组构件的寿命设计要考虑的主要因 素，与构件所承受交变循环载荷的循环次数对应。
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按载荷时变特征分类：
平稳载荷：指均匀风速、叶片的离心力、作用在塔架上的 风电机组重量引起的载荷，包括静载荷。 循环载荷：指由于风剪切、偏航系统的误差以及误操作、 重力等引起的周期性载荷。
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左图为叶片切线方向的载荷分布，其载荷导致叶片产 生了切向的弯曲应力；右图为拍向的风载荷分布，反映了 轴向推力导致叶片在拍向的弯曲应力。从两图可以看出， 由于叶片的扭曲，从起动风速到切出风速，叶片载荷分布 轮廓明显不同。
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在切向分布，随着风速的提高，叶片切向承受的风载 荷增大，且为均匀分布；但在切出风速24m／s时，叶片根 部承受的载荷最大，且从叶根向叶尖移动，载荷逐渐在减 小。
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风力机载荷类型
风力机所处的环境不同，其载荷也有所不同，图示了 风力机组所承受的各种载荷。
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按载荷源分类
空气动力载荷：由于空气流动及其与风电机组动、静部件 相互作用所产生的载荷，是风电机组主要的外部载荷之 一，取决于作用于风轮的风况条件、风电机组气动特性 、结构特性和运行条件等因素。 重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转及地震引起的静 态和动态载荷。 操作载荷：在风电机组运行和控制过程中产生的载荷， 如发电机负荷控制、偏航、变桨距以及机械刹车过程产 生的载荷。 其他载荷：尾流载荷、冲击载荷和覆冰载荷等。
在整个叶片长度上对载荷进行积分，便可得出整个叶片 的载荷和力矩。切向载荷提供了风轮旋转力矩，推力载荷分 布提供了整个风轮推力，如图示。这两个参数本质上决定了 整个风力机的静态载荷水平。
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在变桨距控制风轮中，风轮力矩和推力增加到某一值 后下降，使得风轮控制系统将捕获的风能控制在额定功率附 近。因此，在额定功率点风轮推力是最大的，然后下降。 在没有变桨距控制的风轮中，靠气动失速来限制功率 输出，因此风轮在到达额定功率后，推力继续增加，或者保 持在一个恒定的水平。正因为如此，无变桨控制的风轮承受 着更高的空气动力载荷。
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流动介质的内摩擦和表面摩擦导致柱体后产生了气流分 离域，即所谓的尾流域。圆柱体后的尾流域的湍流面积逐 渐增大，平均风速在逐渐降低。另一个典型特征是，圆形 柱体后在两边以定义的频率交替出现旋涡，即卡门涡街。 P45-21 依靠流体雷诺数，可以得到3个特征区域。 能源动力与机械工程学院
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3．跨临界区域 在超临界雷诺数上，为跨临界区域，在这里尾流区域 又变得较宽。在跨临界区域，阻力系数又上升到0.5。卡 门涡街再一次周期性地产生，但是较微弱。
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从大型风力机塔架周围流体的简单估计显示，当塔架 直径为几米，风速为5-25m/s时，雷诺数太高，所以始终存 在湍流。在这一区域，尾流中的最大风速减小值可以从下 面的公式得出，即 max 1 1 CD w
当叶片经过塔架尾流时，风速减小是一个重要因素。 减小的风速导致有效空气动力学攻角减小。这两点都导致 风轮叶片的升力突然减小。影响着空气动力载荷和力矩产 生。这意味着瞬间的塔影效应起到了作用，即如攻角暂时 的梯度变化对气动力和力矩产生重要的影响。
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因塔架尾流引起的扰动持续时间很长，足够使风轮 叶片产生一个阻尼效应。因此，塔架尾流也是一个气动 弹性问题，即叶片的动态响应。图为给出塔架尾流对下 风风轮的弯曲应力和力矩输出的影响。
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在拍向方向，随着风速的增加，叶片整体的载荷在增大， 且叶尖比叶片根部承受着更大的载荷。但当风速为切出风速时 ，叶片根部拍向承受着最大风载荷，叶尖载荷几乎最小。 扭角是在额定风速经优化得到的，因而只有在额定风速下 的气动载荷才接近于理论最佳值。在其他风速，特别是较额定 风速更高的风速，会在接近于轮毂的部分产生气流分离，这导 致气动载荷发生巨大改变。 P45-11 能源动力与机械工程学院
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下图反映了由于剪切风风轮廓和沿风向变化的不对 称气流轮廓，而引起的叶片根部的弯曲应力。
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在风轮旋转中，叶片空气动力学载荷的变化也代表了 风轮整体载荷的变化。对于非铰链连接的两叶片风轮，变桨 和偏航中的交变应力，造成偏航传动部件中相当大的疲劳载 荷。基于此原因，大型两叶片风力机通常设计有摇摆轮毂， 可或多或少补偿了这些变化的载荷。 阵风导致风速在短时间内增加和风向的显著改变。但 由于风力机的惯性和对风向调节的滞后，风速增加后，而风 轮来不及作出快速增加转速的反应，短时间内叶片表面气流 相对速度很高；由于风轮轴不可能立即和已改变的风向一致 ，所以会发生对风偏差30°～40°，甚至更多，结果使叶片 承受的弯曲力矩增大。事实上攻角变化比气流相对速度增大 ，而引起更大的应力。
1、亚临界域 当雷诺数低于(3～4)×105，即风速为低速流动。边界层 仍然处于层流。在柱体断面最宽点前发生流体分离。流动尾 迹相对宽而清晰，周期地产生卡门涡街。在这些条件下，圆 柱体的空气阻力系数相对高，接近于1.0。
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2．超临界和过渡区域 在雷诺数为3×105～5×106流速下，被称为超临界雷 诺数，柱体表面的边界层流体从层流变成了湍流。这一作 用极大地影响着尾流的形状。高能量的湍流边界层导致流 体柱体周围在持续流动，尾流域变窄。周期性的卡门涡街 几乎全部消失，阻力系数降到了0.25～0.35。因为受边界 层影响，因而表面粗糙度会影响流场湍流的产生点。