风力发电原理第六章分析

一、风力机分级
目前，风力机按照设计风况条件分为4级。分级是按照风 速和湍流参数进行划分的。有关风的数据包括年平均风速、极 限风速10min的平均值、参考风速、在15m／s风速下的特征 湍流密度。
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。
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
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。
五、重力和惯性载荷
重力载荷 在风力机中，风轮叶片重量对叶片本身和下游部件均非
常重要。 在旋转一周中，风轮叶片重量沿叶片长度交替产生张力
和压力，从而交替产生大的弯曲力矩。重力载荷的重要性 从叶尖到叶根增加，即与空气动力学载荷影响的方向相反 。假设风轮旋转速度是20-50r/min，其使用寿命是20-30 年，循环载荷特别是叶片弦轴周围的循环弯曲力矩，在使 用周期中发生107 ~次10循8 环。许多仅在1000h运行时间后， 就达到106循环载荷。基于这一循环次数，刚架必须加固到 允许的强度。
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。
下图所示给出了理想的阵风形状，用于计算风力机载荷。
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。
图示了风湍流对风力机单位动态载荷的效果。最初，风轮 叶片的弯曲变形计算仅考虑了由剪切风塔架影响和类似参数 引起的循环扰动影响，但忽略了湍流。从图中可以看出，若 包括湍流谱，变形值几乎翻倍。
F 风轮气动推力
A b 风轮扫掠面积
C
推力系数1.6
t
B 桨叶数
V s 暴风风速
空气动力系数，当系统
自振频率〉2HZ时取1
塔架所受的风压
F12Vs2Af
空气密度
塔架投影面积
Af 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)。
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
FC t 1 2 V s2 A bB 丹麦风电专家彼得森推荐
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。
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。
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。
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。 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。
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。
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。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu式得出，即
max w
1
1CD
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。
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。
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。
§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。
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。
旋转着的风轮做调向转动时，会产生陀螺力及陀螺效应。 尽管每一叶片只是3叶片风轮的一部分，但各个叶片都要分 别承受风力的整个陀螺效应。3叶片风轮的陀螺效应平衡性 比双叶片的好，而多叶片风轮与3叶片的类似。
§6-3 设计载荷假设
设计采用的载荷假设必然高于实际运行中的载荷。 对风电机组的性能和结构整体而言，风况是最基本的外 部条件。由于作用在风电机组的外部载荷主要是由风况条 件决定的，从载荷设计和风电机组安全角度考虑，一般需 要描述风电机组的两种风况条件： 描述正常发电期间频繁出现的所谓正常风况； 描述1年或50年一遇的所谓极端风况。
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。
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
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。
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。
如果风轮安装在塔架的下风位置，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。
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。依靠流体 雷诺数，可以得到3个特征区域。
结合风湍流，重力是影响风轮叶片疲劳强度的关键因素 。风轮越大，重力的影响力也越大。
离心载荷 旋转过程中由于离心力而产生的载荷。在风轮中，离心
力因转速较低而相对不重要。
回转载荷
当旋转的风轮随风向偏航时，会产生回转载荷。当变桨 力矩在风轮轴上时，一个大的偏航率导致大的回转力矩。然 而，偏航率通常较低，实际相应应力较轻。偏航速率必须足 够低，这样回转力矩才不会起到重要作用。
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。
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 。
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
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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。