风力发电原理第六章分析

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。
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
dF
1 2
CDtu2dr
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
§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。