风力发电机载荷特性

风力机载荷
风力机载荷情况
风力机载荷是风力机设计和风力机认证时的重要依据，用于对风力机进行静强度和疲劳强度分析。

目前，国际上有很多规范、标准对风力机载荷做了详细的规定。

其中应用最广的是IEC61400-1标准。

1.载荷分类
作用在风力机上的载荷主要包括：
（1）空气动力载荷；
（2）重力载荷；
（3）惯性载荷，包括离心力和科氏力等；
（4）操纵载荷；
（5）其他载荷，如结冰载荷
根据载荷的性质，在风力机上的载荷可分为静载荷、定常载荷、周期载荷、瞬态载荷、脉冲载荷、随机载荷和谐振载荷等。

2.载荷情况
由不同的外部条件与风力机工作状态组合而成，主要包括：①正常外部条件与风力机正常工作状态组合；②正常外部条件与风力机故障工作状态组合；③极端外部条件与风力机正常工作状态组合。

根据IEC61400-1标准的规定，载荷情况如表5-1所列。

表5—1载荷情况
3.安全系数
风力机设计时，需要提供的是设计载荷F d ，它和实际载荷F r 的关系是：d f r F r F =， 式中r f ——载荷局部安全系数 见表5-2所示：
表5—2 载荷局部安全系数
风力载荷计算 风力机载荷特性 1.叶片上的载荷 （1）空气动力载荷
作用在叶片上的包括摆振方向的剪力Q yb 和弯矩M xb 、挥舞方向的剪力Q xb 和弯矩M yb
以及变桨距时，与变桨距力矩平衡的叶片俯仰力矩M zb 。

叶片上的空气动力载荷可根据2.2节中的动量——叶素理论计算，计算时先求出轴向诱导因子a 和周向诱导因子b ，再求得叶素上的气流速度三角形以及作用在叶素上的法向力dF n 和切向力dF t （前图 2—1），然后通过积分求出作用在叶片上的空气动力载荷Q xb ，Q yb ，M xb 和M yb 。

图2-1叶素上的气流速度三角形和空气动力分量
0R
2xb 0n r 1Q V cC dr 2ρ=ò
0R
2yb 0t r 1Q V cC dr 2ρ=ò
R
2yb 0n r 1M V cC rdr 2ρ=ò
R
2yb 0t r 1M V cC rdr 2ρ=ò
式中R ——风轮半径； r 0——轮毂半径。

一般翼型空气动力数据都是相对于翼型1/4弦线位置，因此，其俯仰力矩可表示为
22zb 0m 1
dM V c C dr 2
ρ=
式中C m ——翼型俯仰力矩系数。

（2）重力载荷
作用在叶片上的重力载荷对叶片产生摆振方向的弯矩，它随着叶片方位角的变化呈现周期的变化，是叶片的主要疲劳载荷。

叶片上每个叶素有一个集中质量m i ，则由它产生的重力矩M xg 为
R
xg i 0
M m r g rdr =
ò
（）
（3）惯性载荷
叶片上的惯性载荷包括离心力和科氏力。

①离心力
由于风轮旋转而产生的作用在叶片上的离心力总是沿叶片向外的。

当由于作用在叶片上的挥舞方向弯矩使柔性叶片偏离风轮旋转平面时，叶片上的离心力在挥舞方向产生的弯矩可以减小叶片的偏离，称之为离心力刚化叶片效应。

在叶片上由离心力产生的挥舞弯矩M yc 可表示为
R
2yc i i 0
M Δl m Ωrdr =
ò
2
式中i Δl ——第i 段叶素偏离风轮旋转平面的距离。

②科氏力
当风轮旋转并同时作偏航运动时，叶片上产生垂直于风轮旋转平面上的科氏力载荷。

设风轮顺时针旋转速度为Ω（rad/s ），偏航顺时针旋转速度为Λ（rad/s ），则由科氏力产生的叶片挥舞弯矩M yk 可表示为
R
2yk i b 0
M 2ΩΛcos m r dr 2ΩΛcos I ψψ==ò2
式中I b ——叶片相对于叶根的惯性矩； ψ——叶片方位角。

（4）操纵载荷
作用在风力机上的操纵载荷是由于风力机操纵时，对其部件施加的附加载荷，并由该载荷引起风力机部件加速度响应而诱导产生的惯性载荷。

叶片上的操纵载荷主要是在气动刹车或变桨距时产生的。

2.轮毂上的载荷
作用在轮毂（风轮）上的载荷包括转矩、轴向力、偏航力矩和俯仰力矩。

一般，大型风力发电机组轮毂都是安置在整流罩内，因此，作用在轮毂上的载荷主要是由叶片的载荷传递到轮毂上。

作用在轮毂（风轮）上的转矩是风轮轴功率的来源，它由叶片摆振力矩M xb 合成产生，与叶片挥舞力矩一样随叶片的方位角变化，如图5-1所示。

失速型风力机和变速恒频型风力机风轮转矩随风速变化情况不同：在高风速区，失速型风力机靠叶片失速来控制转矩增加；而变速恒频风力机靠变化叶片桨距角来控制转矩，使得其转矩变化比失速型风力机更
平坦，如图5-2所示。

图5-1 风轮转矩随叶片方位角的变化
图5-2 风轮转矩随风速的变化情况
（a）300KW失速型风力机；（b）1500KW便速恒频型风力机
作用在轮毂（风轮）上的轴向力（推力）主要由叶片挥舞方向剪力F xb合成产生。

由于风剪切效应和塔影效应等影响，风轮轴向力（推力）随叶片方位角变化，如图5-3所示。

失速型风力机和变速恒频型风力机风轮推力随风速增大而增大；而变速恒频风力机则由于叶片桨距角的变化，使风轮推力随风速增大而减小，如图5-4所示。

图5-3 风轮轴向力随叶片方位角的变化
图5-4 风轮轴向力随风速的变化情况
（a）300KW失速型风力机；（b）1500KW变速恒频型风力机。

作用在轮毂（风轮）上的偏航力矩和俯仰力矩是由于风力机运行时风轮叶片不对称，叶片在不同方位角时受到不均匀的载荷以及风轮偏航运动和风轮倾角等影响而产生的。

图5-5给出了作用在轮毂（风轮）上的偏航力矩随叶片方位角的变化情况。

图5-5 风轮偏航力矩随叶片方位角的变化
3.主轴上的载荷
作用在主轴上的载荷主要是由于轮毂上的载荷传递的。

它包括转矩和两个方向（水平方向和垂直方向）的弯矩。

主轴上的转矩与轮毂上的转矩相等；主轴上的水平方向弯矩与轮毂（风轮）上的偏航力矩相等；主轴上的垂直方向弯矩与轮毂（风轮）上的俯仰力矩与风轮系统的重力矩合成产生。

除上述载荷外，还有在机械刹车时作用在主轴上的摩擦力和因发电机并网和掉网时作用在主轴上的冲击载荷。

图5-6给出了某风力机在停机过程中作用在主轴上的转矩的时间历程曲线，由图可知，在停机过程中对主轴作用一个脉冲载荷。

图5-6 风力机停机过程中的载荷时间历程曲线
4.机舱上的载荷
机舱上的载荷包括作用在机舱罩上的载荷和作用在机舱底座上的载荷。

作用在机舱罩上的载荷主要是空气动力载荷，作用在机舱底座上的载荷除了由风轮系统传递的载荷外，还包
括机舱内传动系统传递的载荷。

5.偏航系统上的载荷
偏航系统上的载荷主要是从机舱传递的载荷，除重力外，还包括偏航力矩、俯仰力矩、轴向力与侧向力。

另外，风力机作偏航运动时，在偏航系统中还会产生操纵载荷。

6.塔架上的载荷
作用在塔架上的载荷包括扭矩和两个方向（轴向和侧向）的弯矩以及塔顶上的重力载荷。

塔架上的载荷除了由偏航系统和系统传递的载荷外，还包括直接作用在塔架上的空气动力载荷和塔架自身的重力载荷。

需要指出的是上面所述的风力机载荷计算方法是没有采用风力机气动弹性模型，当考虑风力机气动弹性时，由于风力机的一些部件，如叶片、塔架会产生动力响应，从而产生交变载荷。

目前已有一些专门的软件，如FLEX4在进行风力机气动弹性稳定性分析同时可以预测风力机载荷。