风力发电机组气动特性分析与载荷计算
风力发电机整机性能评估与载荷计算的研究
三、研究展望
随着风力发电技术的不断发展，对风力发电机整机性能评估和载荷计算的研究 也将持续深入。未来研究可以下几个方面：
1、性能评估模型的优化：为了更准确、全面地评估风力发电机的性能，需要 进一步优化性能评估模型，考虑更多影响因素，提高评估精度。
2、载荷计算的精细化：针对不同地区、不同型号的风力发电机，开展更为精 细化的载荷计算，以适应不同环境下的运行需求。
3、维护保养优化：定期对风力发电机进行维护保养可以确保其正常运行，延 长使用寿命。优化维护保养方案可以提高维护效率，减少维护成本。
三、结论
风力发电机性能的优化对于提高风能利用率、降低能源成本、减少环境污染等 方面具有重要意义。通过叶片设计优化、控制系统优化和维护保养优化等措施， 可以实现风力发电机性能的全面提升，为可再生能源的发展提供更好的技术支 持。
1、风载计算
风载是风力发电机运行过程中所承受的主要载荷。风载计算主要是根据风速、 风向等气象数据，结合风力发电机的外形尺寸、迎风面积等参数，计算出风力 发电机所承受的风载。
2、疲劳载荷计算
疲劳载荷是由于风力发电机在运行过程中，反复承受风载、转速等因素引起的 交变应力而产生的。疲劳载荷计算主要是通过分析风力发电机的运行特性和结 构特性，结合疲劳试验数据，计算出风力发电机的疲劳载荷。
二、风力发电机性能优化的措施
1、叶片设计优化：叶片是风力发电机的重要组成部分，其设计对于风能利用 率和发电效率具有重要影响。优化叶片设计可以提高叶片的捕风能力，从而提 高风能利用率和发电效率。
2、控制系统优化：控制系统是风力发电机的关键部分，其性能直接影响风力 发电机的运行效率和稳定性。优化控制系统可以提高风力发电机的响应速度和 稳定性，减少能源损失。
风力发电机组的载荷特征及计算
还 有 适 用 于 海 上 风 力 发 电 机 组 的 标 准 和 规 范 ，如 ：
收 稿 日 期 ：２０１２－０１－０５； 修 回 日 期 ：２０１２－０１－１２ 作者简介：高俊云 （１９６５－），男，山西晋中人，教授级高级工程师，硕士，研究方向：机械动态测试与分 析、 机 械 故 障 诊 断 及 风 力 发 电 机 组 计 算
图 ３ ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 软 件 菜 单 模 块 和 计 算 模 块
（下 转 第 ２０８ 页 ）
· ２０８ ·
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１２年第３期
得到了广泛应用。该工艺通过涂覆金属表面来提高表 面的抗磨和耐蚀性。香海热电厂锅炉超音速电弧喷涂 ＳＣＺ３６涂层水冷壁管经 过 长 期 运 行，外 观 检 查 涂 层 完 好 ，未 见 裂 纹 、脱 落 和 磨 损 等 宏 观 缺 陷 。
参考文献： ［１］ 王学武．金属表面处理技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９． ［２］ 金国，徐滨 士，王 海 斗，等．电 热 爆 炸 喷 涂 ＷＣ／Ｃｏ涂 层 组
织 和 性 能 研 究 ［Ｊ］．金 属 热 处 理 ，２００６，３１（２）：２３－２６． ［３］ 刘东雨，熊建，候世香，等．电 热 爆 炸 喷 原 位 合 成 Ｆｅ－Ａｌ系
（２）认 证 ：确 保 载 荷 计 算 应 用 了 适 当 的 方 法 ；工 况 假定全面且符合标 准 要 求；结 果 真 实 可 靠。 载 荷 计 算
报告是风力发电机组认证必须提交和确认的文件。 风力发电机组作为一个复杂的系统，子系统之间相
风力机叶片设计及翼型气动性能分析
风力机叶片设计及翼型气动性能分析风力机叶片是风力发电机的核心部件之一，其设计和翼型选择对风力机的发电效率、噪音和寿命等都有着非常重要的影响。
本文将介绍风力机叶片的设计及翼型气动性能分析。
一、叶片设计原理风力机叶片的设计目的是将大气中的风能转换成旋转能，并将其通过转轴传递给发电机，从而产生电能。
因此，叶片的设计主要围绕以下几点展开：1. 创造足够的扭矩：风力机的转子需要达到一定的转速才能发电，而叶片的弯曲和扭矩对于旋转速度的影响至关重要。
设计中需要选择合适的曲线形状和长度来实现理想的扭矩和转速。
2. 保证叶片的强度和稳定性：因叶片在高速旋转状态下会受到巨大的惯性力和风力力矩的作用，因此其材料和结构要足够坚固和稳定，以避免可能的断裂等事故。
3. 提高叶片的气动效率：叶片的气动效率是指其转化风能的能力，通常可以通过优化翼型、减小阻力、降低风阻等方法来提高。
二、叶片设计步骤1. 选定叶片长度：叶片长度通常是根据风力机的规格和性能要求来确定的，也可以根据标准长度来选择。
2. 选择翼型：翼型是叶片的重要组成部分，其形状和性能决定了叶片的阻力和气动效率。
目前，常用的翼型有NACA0012、NACA4415等，根据实际需求来选择。
3. 确定叶片曲线：叶片的曲线是决定扭矩和转速的关键因素，可以通过实验或模拟方法得到合适的曲线形状。
4. 优化叶片的结构：结构设计主要涉及到叶片的强度和稳定性，通常需要进行材料选择、计算等工作以保证叶片的安全性和寿命。
5. 模拟叶片气动特性：叶片的气动特性可以通过流场模拟、试验等方式来获取，可以根据实际需求来对叶片进行调整以达到理想的效果。
三、翼型气动性能分析翼型气动性能是指翼型在气流中运动时产生的力和力矩，其中，升力和阻力是翼型气动力的主要组成部分。
通过分析翼型气动性能，可以选择最优化的翼型来设计叶片。
1. 升力和阻力翼型的升力和阻力是由翼型形状、气流速度、攻角等因素共同决定的。
实际上，翼型的气动性能曲线通常都是非线性的，其升力和阻力特性会随着攻角的变化而不断变化。
风力机组气动特性分析与载荷计算-1
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2.1动量理论.................................................................................................. 错误!未定义书签。
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2.1.2考虑风轮后尾流旋转...................................................................... 错误!未定义书签。
2.2叶素理论.................................................................................................. 错误!未定义书签。
2.3动量──叶素理论.................................................................................. 错误!未定义书签。
2.4叶片梢部损失和根部损失修正 .............................................................. 错误!未定义书签。
2.5塔影效果.................................................................................................. 错误!未定义书签。
2.6偏斜气流修正.......................................................................................... 错误!未定义书签。
风力发电机组风荷载分析及优化设计
风力发电机组风荷载分析及优化设计一、引言风力发电是目前可再生能源中占据相当重要位置的一种，风力发电机组也是其重要组成部分之一。
与其它工程系统相比，风力发电机组主要面临的挑战之一就是大风荷载下的稳定性能。
本文将从风荷载分析及优化设计方面探讨如何提升风力发电机组的稳定性能。
二、风荷载分析1. 风荷载形式在风力发电机组中，风荷载主要是指风及其产生的风力作用在风轮及其支撑系统上所形成的荷载。
根据气象学研究，风力可以分为三种形式：切向风、径向风和上升气流。
其中最主要的当属切向风，即来自于风速分量沿风轮叶片切线方向的力。
2. 风荷载计算风荷载的计算一般可以采用下列方法：（1）椭圆轨迹法：将风力作用点看成一个运动点，其受到的风荷载所形成的作用线经过研究后发现是椭圆形的，最大荷载所在位置即为椭圆的焦点之一。
（2）风口逆推法：通过揭示叶片在不同风速下的变形规律和受力行为，得到了叶片结构变形和受力响应的特性参数，然后结合气象物理及气动特性等，经过逆推出风速下叶片受力情况，进而计算出整机的风荷载。
（3）场合适法：利用CAD软件建立计算模型，通过模拟流场中流动场、压力场等参数，综合考虑叶片的材料、形状、缆索布置、叶根安装等影响因素对风力发电机组的激励能力进行模拟计算。
3. 风荷载分析结果及优化设计通过以上方法得出的风荷载分析结果可以用于进行稳定性分析，并通过优化设计降低风荷载带来的影响。
优化设计中主要包括以下几个方面：（1）优化叶片结构由于叶片是风能转换核心部分，因此叶片的结构及其质量直接影响到发电机组的稳定性。
叶片的优化设计可以包括减轻质量、改变叶形和优化叶片布局等方面。
（2）优化筒杆和传动系统筒杆和传动系统也是风力发电机组中非常重要的部分，优化设计主要包括减小振动、降低噪声、提高精度等方面。
（3）优化弹性支撑系统由于受到风荷载影响，风力发电机组的整体振动会加剧，导致叶片与塔筒之间的摩擦和磨损加剧，从而降低系统的使用寿命。
风力发电机组叶片的气动性能分析
风力发电机组叶片的气动性能分析近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的迅速发展，风力发电成为了重要的清洁能源之一。
而风力发电机组的叶片作为其中的关键组成部分，其气动性能的分析对于提高发电效率具有重要意义。
本文将重点探讨风力发电机组叶片的气动性能分析，并深入研究其原理和影响因素。
一、气动性能分析的原理风力发电机组叶片的气动性能分析是通过计算机辅助工程（CAE）软件来模拟和预测叶片在风场中的响应。
其中，主要采用的方法是数值模拟和风洞试验。
数值模拟方法基于流体力学和数学模型，通过模拟风场中的流体流动，计算叶片表面的压力分布、力矩和阻力等参数，以评估叶片的性能。
而风洞试验则是通过实验室环境中的风流模拟真实的风场，通过测量叶片表面压力分布和受力情况，来推导叶片的性能参数。
二、气动性能影响因素分析风力发电机组叶片的气动性能受多种因素的影响，以下将分别介绍其主要影响因素：1. 叶片形状：叶片的外形和轮廓对气动性能有着重要影响。
一般来说，采用更长、更窄的叶片可以提高效率，但是也会增加叶片的结构复杂度和重量。
同时，叶片的翼型横截面的选择也会对性能产生显著影响。
2. 叶片材料：叶片的材料选择直接关系到其强度和重量。
常见的叶片材料包括复合材料、纤维增强塑料等。
合适的材料选择可以在保证叶片强度的同时减轻重量，提高风能利用率。
3. 叶片倾角：叶片倾角对叶片的气动性能也有关键影响。
适当调整叶片倾角可以改变叶片的攻角，实现更好的气动特性，并提高发电效率。
4. 风场条件：风的速度、方向和湍流强度等也是影响叶片气动性能的重要因素。
不同的风场条件需要针对性地进行叶片设计，以获得最佳的气动性能。
三、气动性能分析技术应用风力发电机组叶片的气动性能分析技术广泛应用于叶片设计、优化和性能评估等方面。
1. 叶片设计和优化：基于气动性能分析的数值模拟方法，可以对叶片进行自动化设计和优化，以满足预定的要求和目标。
通过模拟和优化，可以寻找最佳的叶片形状、翼型和倾角等，实现更高效率的风能转化。
风电机组气动载荷研究
职教 与成教
风 电棚 组 号 动载 荷 硼 究
辽 宁金 融职 业 学院信 息技 术 系 梁立哲
［ 摘 要］ 风电机 组的气动栽荷计算极其 复杂， 涉及 电器、 结构及 气动等多个方面 ， 而且这 几个方面的耦 合作用会使 问题更加 复杂。 为了仿真研究机组的气动载荷特性 ， 文联合应 用 Ｔ ｒ ｉ Ａ ｒ ｙ 及 Ｆ Ｓ 本 ｕｂ ｍ， ｅ Ｄ ｎ Ｓ ｏ Ａ Ｔ软件 ， 综合考虑 电器、 结构及气动等三个方面及 其耦
件 关 系 如 图 ２ 。
Ａ ｙ 咖 ｎ
ＦＩ Ａ ８
ＦＳ Ａ Ｔ一个优秀的仿真研究风电机组结构动力学特性的软件 。 该软 件基于 Ｋ ｎ 方程 及假设模态， ａｅ 建立了柔性机组结构振动的非线性动力 学控制方程组 ， 该方程组不仅含参数激励项及外激励项 ， 还包含 了二次 及三次非线性项 ， 面地体现 了柔性机组 的动力状况与其物理特性及 全 运动边界的关系 ，为其复杂动力行为 的研究及动态设计提供 了完备的 动力学模型日 Ｆ Ｓ 采用模态分析的方法 ， 。 ＡＴ 减少模态方程系数矩阵的大 小， 提高计算速度 。 由于风力发 电机 组的气动载荷计算非常复 杂，其 计算 在 Ａ ｒＤ ｎ ｅｏ ｙ 下进行 ，为了对风力发 电机组进行动力学分析 ，需要将计算的载荷从 Ａ ｒＤ ｎ中导入到 Ｆ Ｓ ，同时 Ｆ Ｓ 计算结 构动力学特性数据 又要导 ｅ ｙ ｏ ＡＴ ＡＴ 人到 Ａ ｒ ｙ ｅ Ｄ ｎ中，重新计 算载荷 ，这是一个耦合过程 ， 过 Ｆ Ｓ ｏ 通 Ａ Ｔ与 Ａ ｒ ｙ 联合仿真来实现 。Ａ ｒ ｙ 根据 Ｔ ｒＳ ｅＤｎ ｏ ｅ Ｄｎ ｏ ｕｂｉ ｍ生成的风速文件及风 速相关性文件计算机组的气动载荷 ， 实现整机动态仿 真。 联合仿真的软
水平轴风力机的两种气动荷载计算方法比较
水平轴风力机的两种气动荷载计算方法比较随着世界能源需求持续增长，再加上环境保护意识加强，风力发电作为一种清洁、可再生的能源方式，逐渐得到了越来越多的重视。
水平轴风力机是目前利用风能发电的主要设备之一，其叶片是承受着风载荷的主要结构元件，因此对于水平轴风力机的气动荷载计算方法研究，对提高其运行效率和安全性都至关重要。
本文将对水平轴风力机的两种气动荷载计算方法进行比较和分析。
一、水平轴风力机的气动荷载水平轴风力机是由塔架和叶轮机组两部分组成的。
其中，叶轮机组由叶片、轮毂和主轴等部件组成，而叶片是气动荷载的主要承载结构，其载荷主要可以分为正向和侧向两个方向。
正向载荷主要来自来流方向的气流，也就是沿着叶片前缘流动的风流，而侧向载荷则是来自被强制偏转的气流，主要由自由气流和波浪引起。
二、叶片属性和叶片单元在气动荷载计算中，要先确定叶片的属性参数和叶片单元。
叶片的属性参数主要包括叶片长度、弯曲程度、叶根直径、叶片厚度、气流角、平均气流速度和特征尺寸等等。
叶片单元就是指将叶片上的有限个点连成一条线段的过程。
三、基于势流理论的气动荷载计算方法基于势流理论的气动荷载计算方法是目前比较常用的一种方法。
根据流体力学原理，当气流通过叶片时，会产生执行力和力矩，这些力的强度和方向取决于气流的流动状况、叶片的形状、叶片的相对方向和其他一些因素。
根据这些理论，就可以通过建立叶片和气流之间模型来计算气动荷载。
四、基于CFD的气动荷载计算方法CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）是一种利用数值方法求解流体运动和热力学过程的技术。
基于CFD 的气动荷载计算方法借助了计算机的计算能力，可以模拟大规模、高精度的流场和叶片的运动状态，从而更准确地计算气动荷载。
五、两种计算方法的比较1. 精度方面：基于势流理论的方法精度相对较差，CFD计算方法的精度更高。
2. 计算速度：基于势流理论的方法计算速度快，CFD计算方法计算速度较慢。
风电 载荷 计算
风电载荷计算
风电载荷计算是指对风力发电机组在不同工作状态下所受到的风载荷进行分析和计算。
风电系统在工作过程中会受到来自风的水平和竖向载荷，这些载荷可能对组件和结构产生一定的影响。
风电载荷计算主要包括以下几个方面：
1. 风能资源评估：通过对风场进行测量和分析，确定不同位置和高度上的风速和风向分布情况，作为风电载荷计算的基础数据。
2. 风机负荷计算：根据风能资源评估结果，结合风机的设计参数和性能曲线，计算风机在不同风速下的受力情况，包括扭矩、转速、风轴力等。
3. 风塔负荷计算：风塔作为风机的支撑结构，承受着风机本体以及叶轮的重力和振动力。
风塔负荷计算应考虑到这些力的影响，以确保风塔的稳定性和安全性。
4. 叶片负荷计算：叶片是风机系统中最容易受到风载荷影响的部件，其受力情况直接影响到叶片的强度和可靠性。
叶片负荷计算需要考虑到风速、风向、叶片角度等因素，并结合叶片的结构特性进行分析。
5. 基础负荷计算：风机的基础承受着风机本体和风塔的重力，同时还要抵抗风场对风塔的推力。
基础负荷计算应该考虑到这
些力的影响，以确保基础的稳固和安全。
总之，风电载荷计算是风力发电系统设计的重要环节，通过合理的计算和分析可以评估风电系统的受力情况，为系统的设计和运行提供可靠的依据。
风力机风轮非定常气动载荷计算
风力机风轮非定常气动载荷计算1.引言随着清洁能源技术的发展，风能作为一种可再生、清洁的能源被广泛应用于电力生产领域。
而风力机作为转化风能为电能的设备，其稳定性和可靠性对于电力系统的稳定运行具有重要作用。
然而，风力机受到非定常风速和风向的影响，导致风轮非定常载荷，影响其稳定性和可靠性。
因此，研究非定常气动载荷计算方法对于风力机运行的控制和优化具有重要意义。
2. 非定常气动载荷特点2.1 风力机非定常风场特点风力机非定常载荷来源于风场的非定常性和风轮本身的非定常性。
其中，风场的非定常性是由于风速和风向的变化导致的，而风轮本身的非定常性则是由于风轮运动状态的变化引起的。
风速变化包括风向变化、风速周期性变化、突然风暴等。
这些变化导致风力机受到的非定常载荷具有以下特点：（1）涡旋生成：当风速和风向发生变化时，会在风轮背风侧产生涡旋，引起非定常载荷变化。
（2）波动载荷：风速周期性变化会引起非定常载荷的周期性变化。
（3）外加载荷：风暴风等突然变化的风速和风向变化会引起较大的外加载荷。
2.2 风力机非定常气动载荷特点风力机非定常气动载荷是指风轮运动状态变化引起的载荷变化。
风轮运动状态的变化包括旋转角速度的变化、叶片变形等。
而这些变化会导致风轮的气动载荷发生变化，具有以下特点：（1）非定常气动力：当风轮旋转时，气动力也随着变化。
这种气动力具有特殊的非定常特性，例如相位滞后、自激振荡等。
（2）非定常扭矩：风轮非定常气动力的变化会引起扭矩的变化，这种非定常扭矩会对风力机的稳定性和可靠性产生影响。
（3）振动载荷：风轮非定常气动载荷的变化会引起风轮的振动，这种振动载荷会对风力机的结构强度和寿命产生影响。
3. 非定常气动载荷计算方法为了控制和优化风力机的运行，需要对其受到的非定常气动载荷进行计算和分析。
目前，非定常气动载荷的计算方法包括解析方法、半经验方法和试验方法。
3.1 解析方法解析方法是一种基于物理原理和数学模型的计算方法，可以计算出理论上的非定常气动载荷。
风力发电装置的气动特性分析与优化
风力发电装置的气动特性分析与优化风力发电是利用风能将其转化为电能的一种可再生能源。
随着环境意识的增强和对传统能源的依赖减少，风力发电正成为越来越受关注的领域。
而风力发电装置的气动特性分析与优化是保证风力发电效率的关键。
首先，让我们来了解一下风力发电装置的基本原理。
风力发电装置由风轮、轴承、齿轮箱、发电机和塔架组成。
当风吹过风轮时，风轮叶片会转动，带动发电机的转子转动，进而产生电能。
而风力发电装置的气动特性对其转动效率具有重要影响。
在风力发电装置的气动特性中，叶片的设计和 aerodynamics(空气动力学)非常重要。
叶片的长度、形状和材料都会影响空气对其施加的力。
比如，较长的叶片可以捕捉更多的风能，但同时也会增加风阻。
因此，在设计阶段就需要权衡叶片长度和形状，以实现最佳气动性能。
另外一个重要的气动特性是阻力的控制。
在高速风的情况下，叶片所受的阻力会显著增加，从而降低风力发电装置的效率。
因此，降低叶片的阻力是提高风力发电效率的关键。
一种常见的优化方法是采用空气动力学计算模型，通过对不同形状和结构的叶片进行模拟和比较，找到最佳的参数组合。
此外，风力发电装置的气动特性还与风的速度和方向息息相关。
风速越大，风力发电装置所能捕获的风能就越多，从而提高发电效果。
因此，在设计风力发电装置时，需要考虑适当的位置和气象因素，以达到最佳效果。
然而，要充分了解风力发电装置的气动特性并进行优化，并不是一件容易的事。
它涉及到复杂的风场建模、CFD(计算流体力学)模拟、实验验证等多个方面。
必须采用多学科的方法来解决这些问题，包括工程力学、流体力学、数值模拟等。
为了更好地分析和优化风力发电装置的气动特性，有几个关键的研究方向值得关注。
首先是风力发电装置的叶片材料和结构研究，以降低阻力和提高转动效率。
其次是风场建模和风力预测的研究，以提高风力发电的可靠性和可预测性。
最后是气动特性测试与验证，确保模拟结果的准确性和可靠性。
总之，风力发电装置的气动特性分析与优化是提高风力发电效率和可靠性的关键。
风力发电机组叶片模型气动载荷研究
风力发电机组叶片模型气动载荷研究以国家自然科学基金资助项目《风力发电机风轮系列化的实验与研究》[批准号:59776033]为资助,针对我国兆瓦级风力发电机组风轮叶片存在问题,进行了兆瓦级风力发电机组风轮叶片基础实验研究。
研究是采用车载法对1MW、1.5MW、2MW风力发电机组叶片模型的气动载荷特性、发电机及发电机组功率输出特性进行实验研究,并将1.5MW实验结果与ANSYS程序的风力机叶片气动载荷分析结果进行对比分析,分析研究叶片气动载荷对叶片设计的影响,初步建立兆瓦级风力发电机系列化机组的关键参数的理论设计。
课题组前期对风力发电机组进行大量基础工作,设计制造了200kW的大型风力发电机组叶片,并在沈阳试运行,效果良好。
在此研究基础上,设计了1MW、1.5MW、2MW风力发电机组新型专用叶片,并制造加工1MW、1.5MW、2MW实验叶片模型。
采用车载法和应变片测试技术,根据国标GB/T 10760.2—89规定,3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s、13m/s、15m/s、17m/s、19m/s九种风速对装有叶片模型的风力机功率输出特性、风力机叶片模型的气动载荷特性参数进行了测试,对实验结果进行了理论分析研究。
三种叶片模型均采用100W的风力发电系统,测试截面选择6个截面。
以1.5MW叶片模型截面位置布置尺寸为准,1MW、2MW叶片模型截面位置尺寸按照相似比例确定。
实验研究结果表明:在风力机设计中,桨距角是一个重要参数,其对风力机气动特性有较大影响。
在1.5MW叶片模型的实验中,设计风速12m/s和桨距角为30°时,风力机输出功率78.6W。
对1MW、2MW叶片模型风力机的起动性能试验发现,起动风速分别为5.4m/s、3.5 m/s。
显然, 2MW叶片模型风力机起动性能较好。
对于静载试验,在使用载荷时,1.5MW叶片模型各截面变形位移较小,叶片刚度较大;在设计载荷时,叶片截面位移仍随着风轮半径增大呈线性增加趋势,但截面位移增长速度较快,表明叶片刚度下降显著。
基于叶素动量理论的风力机气动性能计算分析
Analysis of Aerodynamic Performance for Wind Turbine Based on Blade Element Momentum Theory
Dai Shuoming1, Tian De1*, Deng Ying1, Liu Si1, Wang Ningbo2
1922年，Glauert建立了经典的叶素动量理论[2]，并应用到了叶片设计和气动性能计算中。本文基于 叶素动量理论，考虑了叶尖损失和轮毂损失修正、攻角修正、推力系数修正和风剪切修正，对经典 的叶素动量理论进行改进,通过软件Matlab编程进行气动性能特性计算，其结果可以为风力机的气动 设计研究和评估工作提供参考。
叶片总的气动损失系数为：
F Ft Fh
（13）
考虑叶尖和轮毂损失修正系数后，式（9）和式（10）修正为：
Cn a Bc 1 a 8r F sin 2
Ct b Bc 1 b 8r F sin cos
（14） （15）
2.2 攻角修正
叶片有一定的厚度和宽度，尤其是在叶根处的厚度和宽度较大，使得气流方向发生较大变化。 在翼型的前缘和后缘部分，气流周向速度增加，同时翼型的厚度减小了气流通过的截面积，气流轴 向速度增加。叶片厚度和宽度对攻角改变有影响[6]，攻角改变量为：
vh h vR HR Nhomakorabea
（21）
式中 h 为所研究叶素在惯性坐标系下的高度；H R 为参考高度；v h 为在高度为 h 处的风速；vR 为 在参考高度 H R 处的参考风速； 为经验风剪切指数。
3 气动载荷计算过程
（1）计算前数据初始化，包括叶片及截面参数，气动数据，风力机基本参数等； （2）读取截面，对参数 a 、 b 初始化，可以取 a b 0 ； （3）考虑风剪切速度修正，计算攻角和入流角及攻角修正计算； （4）截面翼型气动数据插值与读取，计算截面叶素升力系数和阻力系数； （5）计算叶尖损失和轮毂损失修正、推力系数 CT 修正； （6）迭代计算，得到 a 、 b 新值，若其变化小于设定误差值，迭代终止，否则返回步骤（2） ； （7）通过 a 、 b 求的各个截面上的 dT 、 dM 、 dP ；由 a 、 b 在叶片展向上的分布，可以通过 积分求得总的推力，扭矩、功率及其相关系数。
《风力机理论与设计》第4章 风力机的载荷分析
强弱用速度诱导因子来表示，如图4.3所示。
图4.3旋转条件下速度合成
• 4.3.2空气动力载荷 • 风力机叶片的载荷情况复杂，在对其载荷分析过程中，往
往需要建立合适的坐标系以便开展分析计算工作。
图4.4叶素受力分析以及叶片坐标系
• 4.3.4重力载荷
• 重力方向垂直指向地面，其大小与叶片材料的密度属性有 关系。下面以T标识重力载荷。
• 4.3.4.1 单位长度重力 • 4.3.4.2 重力所产生拉（压）力 • 4.3.4.3 重力剪力 • 4.3.4.4 重力弯矩 • 4.3.4.5 重力扭矩
4.4作用在整个风力机上的力
• 4.4.1 轴向推力 • 4.4.2 俯仰力矩
4.5载荷情况
• 4.5.1基于IEC的载荷情况分析 • • 4.5.1.1 根据IEC 61400-1[2]标准，分析载荷情况 • 4.5.1.2 根据JB/T 10194-2000标准，分析载荷情况
• 4.3.3离心力载荷
• 离心力是叶片旋转时产生的一种质量力，它的方向是从旋 转轴向外，而同时又垂直于旋转轴。离心力可以分解成纵 向分力和横向分力。
• 4.3.3.1 单位长度离心力 • 4.3.3.2 离心拉力 • 4.3.3.3 离心剪力 • 4.3.3.4 离心力弯矩 • 4.3.3.5 离心力转矩 • 4.3.3.6 除此之外，还有其他因素对离心力载荷产生影响
• 垂直轴风力机是所有风力机的先驱，其风轮围绕一个垂直 轴旋转。垂直轴风力机主要优点是可以接受来自任何方向 的风，因而当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装 置，使它们的结构设计简化。垂直轴风力机的另一个优点 是齿轮箱和发电机可以安装在地面上，这对于机器维修和 维护变得简单而便利。但垂直轴风力发电机的效率一般较 低。
风力发电机组气动效应模拟与分析方法研究
风力发电机组气动效应模拟与分析方法研究在风力发电领域，气动效应模拟与分析方法的研究对于提高风力发电机组的性能和效率至关重要。
本文将从数值模拟和实验研究两个方面，深入探讨风力发电机组气动效应的模拟与分析方法。
一、数值模拟方法1. 流场建模：首先需要对风力发电机组的气动效应进行建模，采用计算流体力学（CFD）方法进行流场模拟。
通过数值模拟，可以准确地预测风力发电机组在不同运行状态下的气动特性。
2. 边界条件设置：在进行数值模拟时，需要合理设置模拟的边界条件，包括入流速度、出流边界条件、物体表面边界条件等。
这些边界条件的选择将直接影响模拟结果的准确性。
3. 网格划分：为了提高数值模拟的准确性和效率，需要对计算区域进行合适的网格划分。
细化处在气动效应分析中关键区域的网格，可以更准确地捕捉流场细节。
二、实验研究方法1. 风洞实验：通过在风洞中对风力发电机组进行实验研究，可以获取真实的风力作用下的气动效应数据。
实验结果可以用来验证数值模拟的准确性和可靠性。
2. 传感器检测：在实验过程中，需要设置各种传感器来检测风力发电机组的气动参数，如气流速度、压力分布、升力和阻力等。
通过收集这些数据，可以全面了解气动效应对风力发电机组性能的影响。
3. 数据处理与分析：在实验结束后，需要对采集到的数据进行处理和分析，以得出风力发电机组在不同气动效应下的性能状况。
通过比对数值模拟和实验结果，可以不断改进模拟与分析方法，提高预测精度。
结论风力发电机组的气动效应对其性能和效率有着重要影响，因此气动效应的模拟与分析方法的研究至关重要。
数值模拟和实验研究是两种相辅相成的方法，在实际应用中应结合两者，不断优化和改进模拟与分析方法，为风力发电行业的发展做出贡献。
第四章 风力机载荷计算
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如果图中的角选得好，合力矩可为零，此时叶片只承受拉 应力。 设T是风轮轴向推力，B是叶片数，P是作用于每一个叶片 的离心力，则
风轮的旋转效应
当风轮绕塔架中心轴偏转时，正在旋转着的风轮桨叶除产 生气动力外，还产生离心力及旋转惯性力。两个旋转运动 的叠加作用在桨叶中产生了附加力矩。设 为风轮旋转角
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速度，1 为风轮偏转角速度，I为桨叶相对于旋转轴的惯性 矩，则在桨叶根部处的附加总力矩为
(1 a) 1 • 计算来流角 arctan (1 b) l • 计算梢部损失系数F 2 B Rr f F arccos(e ) f 2 R sin • 计算风力机性能。
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1 3a b 4a 1
风轮的性能计算
不在最佳运行状态时
该力矩应叠加到由气动力和重力等所产生的弯矩中去。
几种供强度校核用的外载荷计算法 苏联法捷耶夫的暴风雨工况校核 或
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也可写成：
在强度校核时，在单个叶片的分布采用三角（如图）。由此， 可以算得各剖面弯矩分布等外载。
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荷兰ECN公式
ECN公式以及下面的联邦德国DFVLR公式，丹麦的 RIS公式，Fs 在叶片上分布都采用三角形分布，Fs 是作 用在叶片 上的最大载荷并作为强度校核用。该载荷不但 考虑了暴风工况，还考虑了动态疲劳等因素，但所得的 计算结果各公式差别较大，这反映了各公式的来源（实 验结果）的差别。下面列出ECN公式。
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风力发电机组气动特性分析与载荷计算目录1 前言 (2)2 风轮气动载荷 (2)2.1 动量理论 (2)2.1.1 不考虑风轮后尾流旋转 (2)2.1.2 考虑风轮后尾流旋转 (3)2.2 叶素理论 (4)2.3 动量叶素理论 (4)2.4 叶片梢部损失和根部损失修正 (6)2.5 塔影效果 (6)2.6 偏斜气流修正 (6)2.7 风剪切 (6)3 风轮气动载荷分析73.1 周期性气动负载............................................... 错误！未定义书签。
4.1 载荷情况DLC1.3 (10)4.2 载荷情况DLC1.5 (10)4.3 载荷情况DLC1.6 (10)4.4 载荷情况DLC1.7 (11)4.5 载荷情况DLC1.8 (11)4.6 载荷情况DLC6.1 (11)1前言风力发电机是靠风轮吸取风能的，将气流动能转为机械能，再转化为电能输送电网，风力机气动力学计算是风力机设计中的一项重要工作。
特别是对于大、中型风机，其意义更为重大。
风力机处于自然大气环境中，大气紊流、风剪切、风向的变化(侧偏风)和塔影效应等，这些现象使叶片受到非常复杂气动载荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。
对一台大型风力发电机组来说，除风轮叶片产生机组的气动载荷外，机舱和支撑风轮和机舱的塔筒也产生气动载荷，这些都对机组的载荷产生影响。
2风轮气动载荷目前计算风力发电机的气动载荷有动量一叶素理论、CFD等方法。
动量一叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。
动量一叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。
CFD数值计算不需要对数学模型作近似处理，直接对流体运动进行数值模拟，从物理意义上说，数值求解N・S方程的CFD方法应该是最全面准确计算风力机气动特性的方法。
但是，由于极大的计算工作量，数值计算的稳定性等原因，目前CFD求解N・S方程方法还远不能作为风力机气动设计和研究的日常工具。
作为解决工程问题的工具还不太实际。
为此在计算中应用动量一叶素理论方法来计算机组的气动载荷。
2.1动量理论动量理论是经典的风力机空气动力学理论。
风轮的作用是将风的动能转换成机械能，但是它究竟能够吸收多大的风的动能就是动量理论回答的问题。
下面分不考虑风轮后尾流旋转和考虑风轮后尾流旋转两种情况应用动量理论。
2.1.1不考虑风轮后尾流旋转首先，假设一种简单的理想情况：(1 )风轮没有偏航角、倾斜角和锥度角，可简化成一个平面桨盘；(2 )风轮叶片旋转时不受到摩擦阻力；(3 )风轮流动模型可简化成一个单元流管；(4) 风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即p.= p2；(5) 作用在风轮上的推力是均匀的；(6) 不考虑风轮后的尾流旋转。
将一维动量方程用于风轮流管，可得到作用在风轮上的轴向力为T = mM - V2) 式中m为流过风轮的空气流量m = PAV TT于是T =?AVr U而作用在风轮上的轴向力又可写成T 二A p” p_由伯努利方程可得,，2/2 + pi =W T2/2 + P*(1 )(2(3 )(4(5 、PV22/2 + p2二叫引2十卩.根据假设'p.= P2, ( 5)式和(6)式相减可得(13)(13)式表示，如果风轮全部吸收风的能量，即 能这样，所以a 〔v 1/2。
根据能量方程，风轮吸收的能量(即风轮轴功率P = mM 2/2 — V 22/2 ) = PAV T 2； /2 -V 22/2) 将(9)式、【10)式代入(14)式，可得P = 2认乂纭门■印2当dP/da A 0时‘ P 出现极值‘则dP da =2 r AV/1-4ai 3a ：= 0 ( 16)a = 1和ai=1/3是(16)式的根。
又因为ai< 1/2，故只考虑a = 1/3的情况d 2P da 2=2 ?AVi 36ai -4( 17)当ai=1/3时，d 2P/daf:: : 0，P 取极大值，由于P 的连续性，因此极大值就是最大值Pmax 二丨 ° - RAVl 3 [(18)27 <2 丿相应地，功率系数G 为最大值Cpmax =P max/ (P AV I 3/2)=1®27 疟 0.593(19)这个值被称为贝兹极限，它表明在理想情况下，风轮最大能吸收593%的风的动能。
2.1.2考虑风轮后尾流旋转实际上，风轮尾流是旋转的，这时如果风轮处气流的角速度和风轮角速度相比是个小量的话， 一维动量方程仍然可用，而且假设Pl = “。
风轮作用盘假设是由许多以风轮轴线为对称轴的小圆环p + ・p — = P WF ・V2212 由(3)式、64)式和(7)式可得(7) VT= (M+V2y2(8)(8 )式表明：通过风轮的风速是风轮前的风速和风轮后的尾流速度的平均值。
设定轴向诱导因子a A Ua Vi ， 山为风轮处的轴向诱导速度，则VT = V 1 1a.(9)V2 =vi 1 '2aij(10)(9)式和(10)式代入(3)式得T=4&, (1・aj ・叫引2缶=17 (RAV: 2) =4ai轴向诱导因子&又可写成E 卩=1 一 y V2 2Ui(1 -aj(11)(12)V 2=0时，a 有一个最大值1/2，但实际情况不可 P)等于风轮前后气流动能之差(14)(15)(内半径r ‘外半径r + dr )构成。
这时dT =dm (Vi -V2) dm 「V TC IA 「V T 2 rdr 假设(门)式仍然成立，则有Vi-V 2=2aM将(21)式、(22)式与(9)式代入(20)式可得dT Fr" a H 1 -ajdr 作用在整个风轮上的轴向力为 T = dT =4 二”2 2 (1 ・ajrdr L 0由动量矩方程，作用在该圆环上的转矩为dM 二 dm (utr)式中Ut u r ，为风轮叶片r 处的周向诱导速度，••为风轮叶片r 处的周向诱导角速度。
设定周向诱导因子a?二-/21，“为风轮转动角速度。
将Ut 二2日如，(20)式及(9)式代入(25)式可得3dM = 4 r:V(1-ajaz ,— r因此风轮轴功率为2 R3P 二 dP 二 i 】dM 二 4 二：一 V ( ° a 2(1「ajr dr设定风轮叶尖速比，二，AnTR 2，贝UP = ?AV/42. R 4 ^(l-ajrdr风能利用系数为2- 4R3Cp =8 A 2/R 4 < L a2(1—a )r 3dr2.2叶素理论叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互 之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，求得作用在风轮上的 力和力矩。
从动量理论可知，当考虑风轮尾流旋转后'风轮处轴向速度Va 二乂( 1 -aj ，周向速度M 二「r(1 32)，实际流经风轮处的气流速度是W 二Va • Vt 。
对每个叶素来说，：是迎角，：是入流角，■'是扭转角arctg[(1 -3)乂.(1 a 2)「」r] (30) ■・■■■'(31)Cy 和阻力系数Cx 。
由于(32)(33)(34)(35)(36) (37)dM(20)(21)(22)(23)(26)(2刀(28)(29)求出：•后，查翼型手册得到作用在叶素上的升力系数dFn 二 dYcos 「dX sin 「 dFt = dY sin 孑-dX cos 「 则法向力系数Cn 和切向力系数Ct 分别为Cn 二 Cycos Cxsin Ct = Cy sin ・CxCos作用在每个叶片上的叶素的轴向力为d 〒二 cdr 「W 22Cn式中c 为该叶素的弦长。
因此对整个风轮面来说dT = NbCdr 颇[/2 G2.3动量一一叶素理论为了计算风力机性能，必须计算风轮旋转面中的轴向诱导因子 用到动量一一叶素理论。
由动量理论可得dT =4 二 r 「乂勺！(1 ・ ajdrdM = 4 r： r 3”(1 ・ ajaz Adr 由叶素理论可得dT 二 NbCdr *W 2 2 GdM = Nbcrdr 制 2/2 G由(38)式和(41)式可得4 二广2耳(l ・ajdr 二 NbCdr 、VW2GdM = Nbcrdr:W 2 2 C t(38)a,和周向诱导因子a 2，这就需要(39) (40) (41) (42) (43)彳(5)W 2Vi 2C n式中r-NbC 2 二 r(45)由于 sin 二“ -a)Vi W, W 2.Vi 2 二(1 -aj 2 sin 2「，代入(44)式ajl - aj = ; ： r 4 (1 一 aj 2 sin 2 r C n(46) 整理得a!. (1-aj = ; r C n 4sin 2(47)同理，由(40)式和(42)式4 兀 r PVj(1 aJazOdr 一 Nbcrdr PWA ，2 Ct(48) 整理得a 2(1-ai)・；.4 GW Vi W 7 (49)由于 sin -(I —aOVi.W, cos =(1 a2)r r.. W , WVi=(1—a)sin 「, Wi] r = (1・a2). cos 「，代入(49)式并整理得a 2/(1+a2)= oCt/(4 si n A cos 申)(50)这样，通过迭代方法可以求岀轴向诱导因子 句和周向诱导因子32 :第一步：假设ai ^a 2初值； 第二步：计算入流角， =arctg[(1 -ajyW • a 2).n ]；第三步：计算攻角〉，•二；第四步：计算升力系数Cy 和阻力系数Cx :第五步：计算法向力系数Cn 和切向力系数CtCn=C y cos Cxsin Ct = cy sin - Cx cos第六步：计算新的內、a2值a1. (1 -aj =n Cn.. 4sin 2: a2 ・(1 a2)- ； 「Ct ・(4sin cos )第七步：比较新的ai 、a?值和原来的q 、a?值，如果误差小于设定误差值， 则认为求出ai > a 2值，停止迭代；否则用新的 ai 、a?值代替原来的ai 、比值，回到第二步继续迭代。
当风轮叶片部分进入湍流状态时，一维动量方程不再适用，C T = 4ai(A ai)，这时需要用经验公式对动 量叶素理论进行修正。