第四章 风力机载荷计算

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
风轮的性能计算
风能性能计算主要内容： 轴向推力 转矩 功率 推力系数 转矩系数 风能利用系数
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风轮的性能计算
以Wilson设计法为基础讨论风力机性能计算 最佳运行状态时
• 对每一给定的l值，利用下式可求得相应的 a、b值； bl 2 (1 a )(4a 1)
(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
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对于给定的风轮转速 ，来流风速 V1和 b角，可以算出离 旋转轴距离为的任何剖面的最大值 fn 。因此，叶尖和至旋 转轴距离为r的剖面之间作用的气动力弯矩的最大值为 由此算得阵风时的弯曲应力比平行于旋转轴的设计风速时 的正常运行弯曲应力大的多。
离心力引起的锥角效应
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变化迅速，风力机轴不能立即跟上风向的变化。因此，风轮 轴和风向之间的夹角可能达三、四十度甚至更大。设 b 是风 轮轴与真实风向之间的夹角，则至旋转轴距离为r，且以圆 周速度U运动的叶剖面的相对风速为
风的方向相对于旋转平面倾斜一个
垂直于叶剖面弦长作用的、单位长度的气动力为 式中C是弦长，Cn是对应于迎角的法向力 系数：
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叶片转轴 位于叶片各剖面的0.25-0.35翼弦处，与各剖面 的气动中心的连线尽量接近，以减少作用在转 轴上的转矩。 压力中心 升力作用线和弦线的交点 焦点 相对于该点俯仰力矩不随攻角发生改变。
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风轮叶片基本载荷 空气动力引起的载荷（记号a)
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。
风轮的性能计算
• 计算a和b的新值
• 比较比较新计算的a和b值与上一次的a和b值，如果 误差小于设定的误差值，则迭代终止；否则，再回 到第二步继续迭代。
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风轮的性能计算
计算风机性能 风轮半径r处叶素上的轴向推力、转矩和功率
轴向推力、转矩和功率
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联邦德国DFVLR公式
丹麦的RIS公式
Fra Baidu bibliotek
代入p,得
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1984年11月,丹麦RIS实验室风能专家彼得森推荐下述公式:
该公式未指明 Vs取值的大小. 总的来说,丹麦公式计算结果最大,是荷兰公式的1.6倍,联邦 德国公式的计算结果介于两者之间.
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如果叶片是下风向安装且固接在轮毂上，叶片与旋转轴的 夹角小于90度，则正常运行时的弯曲应力将明显减小，这 是由于此时气动力所产生的弯矩与离心力所产生的弯矩相 互抵消的缘故。
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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
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• 重力扭矩
离心力引起的载荷
• 单位长度离心力（翼剖面重心G） • 离心拉力 • 离心剪力
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• 离心力弯矩
• 离心力扭矩
合成载荷
• 单位长度载荷
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• 剪力和拉力（压力）
• 弯矩 • 扭矩
阵风引起的弯曲力 由于风速的增加和风向的变化，阵风在叶片中 产生弯曲应力增加。由于风力机的惯性和风向
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风轮的性能计算
计算风轮性能系数
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叶片的载荷分析
风轮叶片受力分析 空气动力使叶片承受弯曲和扭转力； 离心力使叶片承受拉伸、弯曲和扭转力； 重力使叶片承受拉压、弯曲和扭转力。 风力叶片受力简图
• 取风轮旋转轴为ox轴，方向与气流方向一致； • 取风轮叶片轴为oz轴； • 取风轮旋转平面为oy轴。
对于每一个给定的r和l值，用迭代的方法计算轴向 诱导因子a和周向诱导因子b,具体步骤如下： • 给出a和b一个初始值，不妨令a=0.3,b=0; • 计算入流角 和梢部损失系数F
• 计算迎角a -q ;
• 根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升阻力 系数；
• 计算法向力系数和切向力系数
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• 单位长度空气动力
• 空气动力剪力
• 空气动力弯矩 • 空气动力扭矩
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重力引起的载荷(r 和F0是折算密度和面积）
0
P：压力中心 C：扭转中心
• 单位长度重力（y是叶片旋转方位角,叶片转轴和水平面之间夹角） • 重力拉（压）力 • 重力剪力 • 重力弯矩
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