风机的风载荷的计算

第6章 结构荷载
本项目分析内容包括结构的强度和屈曲分析、单工况动力分析和动力耦合分析。

因此，结构分析荷载分为静荷载和动荷载。

静荷载包括风机运转荷载、风、浪、流和冰荷载；动荷载包括风机运转荷载、风、浪、流、冰和地震荷载。

6.1 强度与屈曲分析荷载 6.1.1 风机运行荷载
风力发电机组运行时，其叶片上的风荷载和风机偏航引起的荷载通过结构和传动机构作用在塔架顶端，因此，DnV 规范规定，海上风电机组基础结构设计应考虑风电机组的荷载。

这部分荷载包括：风轮上的静风压引起的荷载、湍流和尾流引起的荷载、风力发电机偏航引起的荷载和风力发电机组的重力荷载等。

中华人民共和国机械工业部标准（JB/T10300-2001）对风力发电机组的荷载计算做出了具体的规定： 6.1.1.1 正常运行荷载
1、风轮上的气动荷载 (1) 作用在风轮上的平均压力
作用在风轮扫掠面积A 上的平均压力H p 由下式计算：
2H FB 1
2
r p C V ρ=
（6.1.1） 式中：C FB =8/9；
ρ——空气密度； V r ——额定风速。

代入系数值并经量纲转换后得：
2
H 1800
r V p =（kN/m 2） （6.1.2）
式中：V r 的量纲为m/s 。

(2) 作用在塔架顶部的力为：
XH H F p A = （6.1.3）
(3) 湍流、风斜流和塔尾流的影响
利用气动力距风轮中心的偏心距e w 来考虑湍流以及风斜流和塔尾流的影响：
2
2w r
wR e V = （6.1.4） 式中：R ——风轮半径；
w ——任一方向风的极端风梯度，取w =0.25
m s
m
或风速梯度的1.5 倍（二值中取较小值）。

由于此偏心距而产生最大附加力矩为：
YH H w M p Ae = （6.1.5）
或
ZH H w M p Ae = （6.1.6）
(4) 扭矩XH M 由最大输出功率P e1 确定：
e1
XH P M ωη
=
（6.1.7）
式中：ω——风轮转动角速度；
η——发电机和增速器的总效率系数。

若无输出功率或总效率系数实际值时，则可假定单位风轮扫掠面积的输出功率为500W/m 2及总效率系数η=0.7。

将η=0.7 及P e1（kW ）代入得：
e1
XH 14
P M n
= （6.1.8） 式中：n ——风轮转速，r/min 。

6.1.1.2 风机偏航载荷
风机偏航运动时，由于陀螺效应，偏航运转将引起作用在塔架顶部的陀螺力，这就是偏航荷载，对于偏航运动的不同阶段，该荷载分为启动荷载和匀速转动荷载。

1、启转
当风机偏航时，偏航启动作用在塔架上的扭矩为：
ZT H w M p Ae = （6.1.9）
在偏转运动开始时，除扭矩外，还作用有塔架顶端的横向力：
YT M M F m e =Ω （6.1.10）
式中：M m ——发电机和风轮的总质量；
M e ——总质量的质心位置距塔架的距离； Ω
——偏航角加速度。

2、匀速偏转运动
如果装被动偏航系统的风力发电机组无合理加速时间数据可用，则可假定加速持续时间为1s 。

此外，要使用偏航系统的角速度。

对于装主动偏航系统的风力发电机组，角速度通常很小，可不考虑此载荷情况。

在这些情况下，将作用下述载荷：
2XT M M F Zm e =-Ω （6.1.11） YT B M ZI ω=-Ω （6.1.12）
式中：Z —— 叶片数量；
B I —— 叶片相对风轮轴的惯性矩；
Ω——偏航角速度。

6.1.2 风荷载
极限状态下的风荷载效应的静力计算如图6.1.1所示，图中显示的是风场中的一个计算单元。

在直角坐标系中，风向用与X 轴的夹角θ来表示。

风速如下式计算：
()0120cos sin P
Z Z v Vf i i H θθ⎛⎫
-=+ ⎪⎝⎭
（6.1.13）
()0120010.137ln 0.047ln cos sin a a Z Z T v V i i H T θθ⎡⎤
⎛⎫⎛⎫-=+-+⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣
⎦ （6.1.14）
图6.1.1 风场中计算单元示意图
()012000.5
0.22
001ln 10.41()ln cos sin 0.0573(10.15) ()0.06(10.043)a u a u Z Z T v V C I Z i i H T C V Z Z I Z V H θθ-⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫-=+-+⎢⎥⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣
⎦⎣⎦=+⎛⎫
-=+ ⎪
⎝⎭
（6.1.15） 其中：V —— 参考高度的平均风速；
Z 0—— 静水面位置；
H 0—— 从静水面到平均风速的距离； f —— 阵风系数； P —— 高度指数； T a /T a 0—— 周期比。

在方程（6.1.14），（6.1.15）中风的计算公式是根据 NORSOK Standard, Actions
and Action Effects, N-003,Rev.1,February 1999.
塔架上风荷载根据API 规范风力计算公式：
VV DC F a n ρ5.0= （6.1.16）
式中，
a C 为空气的拖曳力系数，根据雷诺数确定； ρ —— 空气密度1.23kg/m 3； D —— 塔架直径； H —— 塔架高度； V ——风速。