风力发电原理第六章分析
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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。
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。
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。
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。
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 。
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。上风位置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 。
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。
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。
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。
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
dF
1 2
CDtu2dr
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。
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。
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。
按载荷时变特征分类：
平稳载荷：指均匀风速、叶片的离心力、作源自文库在塔架上的 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。 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。
下图用两个坐标图来表明风轮所受的载荷
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。
§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。
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。
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。
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。
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。
风力发电原理第六章分析
§6-1 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。
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。
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。
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。
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。
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 。
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。上风位置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 。
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。
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。
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。
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
dF
1 2
CDtu2dr
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。
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。
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。
按载荷时变特征分类：
平稳载荷：指均匀风速、叶片的离心力、作源自文库在塔架上的 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。 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。
下图用两个坐标图来表明风轮所受的载荷
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。
§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。
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。
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。
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。
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。
风力发电原理第六章分析
§6-1 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。
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。