第四章 风力机载荷计算
风力发电机整机性能评估与载荷计算的研究
三、研究展望
随着风力发电技术的不断发展，对风力发电机整机性能评估和载荷计算的研究 也将持续深入。未来研究可以下几个方面：
1、性能评估模型的优化：为了更准确、全面地评估风力发电机的性能，需要 进一步优化性能评估模型，考虑更多影响因素，提高评估精度。
2、载荷计算的精细化：针对不同地区、不同型号的风力发电机，开展更为精 细化的载荷计算，以适应不同环境下的运行需求。
3、维护保养优化：定期对风力发电机进行维护保养可以确保其正常运行，延 长使用寿命。优化维护保养方案可以提高维护效率，减少维护成本。
三、结论
风力发电机性能的优化对于提高风能利用率、降低能源成本、减少环境污染等 方面具有重要意义。通过叶片设计优化、控制系统优化和维护保养优化等措施， 可以实现风力发电机性能的全面提升，为可再生能源的发展提供更好的技术支 持。
1、风载计算
风载是风力发电机运行过程中所承受的主要载荷。风载计算主要是根据风速、 风向等气象数据，结合风力发电机的外形尺寸、迎风面积等参数，计算出风力 发电机所承受的风载。
2、疲劳载荷计算
疲劳载荷是由于风力发电机在运行过程中，反复承受风载、转速等因素引起的 交变应力而产生的。疲劳载荷计算主要是通过分析风力发电机的运行特性和结 构特性，结合疲劳试验数据，计算出风力发电机的疲劳载荷。
二、风力发电机性能优化的措施
1、叶片设计优化：叶片是风力发电机的重要组成部分，其设计对于风能利用 率和发电效率具有重要影响。优化叶片设计可以提高叶片的捕风能力，从而提 高风能利用率和发电效率。
2、控制系统优化：控制系统是风力发电机的关键部分，其性能直接影响风力 发电机的运行效率和稳定性。优化控制系统可以提高风力发电机的响应速度和 稳定性，减少能源损失。
风力发电基础第四章
• 风能利用率低 • 起动风速高 • 机组品种少，产品质量差 • 增速结构复杂
14
4.2垂直轴风力发电机原理分析
• 垂直轴风力机的工作原理
– 阻力型风力机的工作原理
• 风产生的驱动力F
15
– 升力型风力机的工作原理
16
• Darrieus Φ型风轮典型结构
17
• 上、下叶片连接及部分轴承装配
– 不能精确地计算流场细节，因而无法准确地预报风机叶片 的非定常特性和瞬时载荷。
28
– 涡方法
• Wilson提出的Vortex Sheet模型
29
• 0
• D.vandenberghe和E.Dick于1987年提出另一种自由 涡模型
• 2001年，阿根廷的Ponta和Jacovkis提出了FEVDTM 模型
18
• 垂直轴风力发电机的叶片翼型
– 传统风力机翼型
• 传统风力机叶片翼型一般沿用航空翼型。最常用同 时也是最具代表性的传统风力机翼型是NACA系列翼 型
• NACA系列翼型是二十世纪三十年代末四十年代初由 美国国家宇航局(缩写NASA)前身国家航空咨询委员 会(缩写NACA)提出的。
• NACA 系列翼型由基本厚AB： :度最最翼大大弯型相度和对相中对弯位弧度置的线的百迭十倍倍加数而值成
31
• 垂直轴风机叶轮气动性能模型
32
4.3 垂直轴风力发电机组的设计 与实验
• 垂直轴风电机组设计
– 整机的气动布局设计 – 动力学设计 – 总体布局设计 – 总体结构设计 – 可靠性与安全设计 – 各零部件与系统的方案选择
33
• 风轮设计
– 扫掠面积
P
风力机防冰热载荷计算
ｕ ｅ ｏ ｓ ｍｕ ａ ｅ ｔ ｅ ａ ｔ ｉ ｉ ｇ ｈ ａ ｏ ｄ Ｔｈ ｙ ｏ ｄ — ｖ ｒ ｇ ｄ Ｎ ａ ｉｒ Ｓ ｏ ｅ ｑ ａ ｉ ｎ ｒ ｏ ｖ ｄ ｔ ｓ ｄ ｔ ｉ ｌ ｔ ｈ ｎ ｉ ｃｎ ｅ ｔｌ ａ ． — ｅ Ｒｅ ｎ ｌ ｓ ａ ｅ ａ ｅ ｖ ｅ — ｔ ｋ ｓ ｅ ｕ ｔ ｓ ａ ｅ ｓ ｌ ｅ ｏ ｏ
基金项 目： 国家 重 点 基 础研 究 发 展 计 划 （ 九七 三 ” 划 ）２ ０Ｃ ７ ４ ０ ） 助项 目 ； “ 计 （０ ７ Ｂ １ ６ ０ 资 国家 自然 科 学 基 金 （０ ７ １ ６ 资助 １ ９ ２０ ）
项 目 ； 苏 高 校 优 势 学 科 建 设 工 程资 助 项 目。 江
对称 ， 外形 不 规则 的冰 层 时 ， 风力 机 会 产生 剧 烈 振 动 ， 种 振 动 可 能 导 致 相 当多 的 冰层 脱 离 叶 片 表 这
比以及扭 转力矩 减 小 ， 终导 致风 力机 产生功 率损 最
面 ， 冰层 对 称脱 落 ， 振动 幅度会 减 小 ， 若 则 但是 若 冰
中图 分 类 号 ： ｌ ． Ｖ２ ５ ５ 文献标识码： Ａ 文 章 编 号 ：０ ５２ １ （０ １ ０ —７ １０ １ ０—６ ５ ２ １ ） ５０ ０— ６
Ｃａ ｃ ｌ ｔｏ ｆ Ｗ ｉ ｒ ｉ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｎｄ Ｔｕ ｂ ｎｅ Ａｎｔ－ ｃ ｎｇ Ｈｅ ｔ Ｌｏ ｄ ｉｉ ｉ ａ ａ
防冰 热栽 荷 大 小 ， 影 响 了溢 流 范 围 ， 工作 温度 仅 影 响 防 冰 热 载 荷 ， 滴 平 均 容 积 直 径 仅 影 响 溢流 范 围 。 也 而 水
关 键 词 ： 冰 热 载荷 ； 防 溢流 水 流 量 计 算 ； 力 ； 切 力 ； ｓｉｇｒ模 型 压 剪 Ｍｅｓ ｅ ｎ
风力机组气动特性分析与载荷计算-1
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2风轮气动载荷............................................... 错误!未定义书签。
2.1动量理论.................................................................................................. 错误!未定义书签。
2.1.1不考虑风轮后尾流旋转 .................................................................. 错误!未定义书签。
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2.2叶素理论.................................................................................................. 错误!未定义书签。
2.3动量──叶素理论.................................................................................. 错误!未定义书签。
2.4叶片梢部损失和根部损失修正 .............................................................. 错误!未定义书签。
2.5塔影效果.................................................................................................. 错误!未定义书签。
2.6偏斜气流修正.......................................................................................... 错误!未定义书签。
风力发电机组气动特性分析与载荷计算
风力发电机组气动特性分析与载荷计算目录1 前言 (2)2 风轮气动载荷 (2)2.1 动量理论 (2)2.1.1 不考虑风轮后尾流旋转 (2)2.1.2 考虑风轮后尾流旋转 (3)2.2 叶素理论 (4)2.3 动量叶素理论 (4)2.4 叶片梢部损失和根部损失修正 (6)2.5 塔影效果 (6)2.6 偏斜气流修正 (6)2.7 风剪切 (6)3 风轮气动载荷分析73.1 周期性气动负载............................................... 错误！未定义书签。
4.1 载荷情况DLC1.3 (10)4.2 载荷情况DLC1.5 (10)4.3 载荷情况DLC1.6 (10)4.4 载荷情况DLC1.7 (11)4.5 载荷情况DLC1.8 (11)4.6 载荷情况DLC6.1 (11)1前言风力发电机是靠风轮吸取风能的，将气流动能转为机械能，再转化为电能输送电网，风力机气动力学计算是风力机设计中的一项重要工作。
特别是对于大、中型风机，其意义更为重大。
风力机处于自然大气环境中，大气紊流、风剪切、风向的变化(侧偏风)和塔影效应等，这些现象使叶片受到非常复杂气动载荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。
对一台大型风力发电机组来说，除风轮叶片产生机组的气动载荷外，机舱和支撑风轮和机舱的塔筒也产生气动载荷，这些都对机组的载荷产生影响。
2风轮气动载荷目前计算风力发电机的气动载荷有动量一叶素理论、CFD等方法。
动量一叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。
动量一叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。
第四章 风荷载剖析
三、风速或风压的换算
基本风压是按照规定的标准条件得到的，在分析当地风速资料时， 往往会遇到实测风速的高度、时距、重现期不符合标准条件的情况，因 而必须将非标准条件下实测风速资料换算为标准条件下的风速资料，再 进行分析。
（一）不同高度换算
当实测风速高度不是10m标准高度时
V Vz
式中 V——标准条件10m高度处时距为10分钟的平均风速（m/s）；Vz—
飓风
14.0
— 摧毁极大 海浪滔天
118-133 64-71
32.7-36.9
134-149 72-80
37.0-41.4
150-166 81-89
41.5-46.1
167-183 90-99
46.2-50.9
184-201 100-108
51.0-56.0
202-220 109-118
56.1-61.2
基本风速按以下规定的条件定义：
(1)风速高度：风速随高度而变化，离地表越近摩擦力越大， 因而风速越小。《荷载规范》对房屋建筑取为距地面10m为标准 高度；《公路桥规》对桥梁工程取为距地面20m为标准高度。
(2)地形地貌:同一高度处的风速与地貌粗糙程度有关，地面粗 糙程度高，风能消耗多、风速则低。测定风速处的地貌要求 空旷平坦，应远离城市，城市中心地区房屋密集对风的阻碍 及摩擦均大。
后来又在原分级的基础上，增加了风速界限，将蒲福风力等 级由12级台风扩充到17级，增加为18个等级（0～17级）。
风力 等级
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
表4.1 蒲福风力等级表
名称
静风 软风
海面状况浪高/m 一般 最高
风载荷计算
查看表8.2.1
查看表8.3.1
1.32108
164.317
Hz
A-1.28；B-1；C-0.54；D-0.26
钢结构-0.01；有填充墙的钢结构0.02；钢结构混凝土-0.05
3
1
结构计算
0.01
1.28675
m
1
17
0.98836
体型和质量延高
度均匀变化
参考附录G
0.87173
m
3.536
2.71828
0.91
0.218
查表8.4.5-1
查表8.4.5-1
直接填数，数据为已知或查表
表格公式计算
最终值
g
I10
脉动风荷载的共振分量因子
R
χ1
结构第1阶自振频率
地面粗糙度修正系数
f1
kw
结构阻尼比
ζ1
脉动风荷载的背景分量因子
Bz
结构第1振型系数
建筑总高度
φ1(z)
脉动风荷载水平方向系数
ρx
H
脉动风荷载竖直方向系数
ρz
结构迎风面宽度
自然常数
系数
系数
B
e
k
a1
公式
基本公式
ω=βzμsμzω0
单位
值
kN/m2 0.67594
名称
符号
基本公式
风载荷标准值
高度z处风振系数
风荷载体型系数
风压高度变化系数
基本风压
地面粗糙度
地面粗糙度
地面粗糙度
地面粗糙度
风压高度变化系数
ω
βz
μs
μz
ω0
对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数
风载荷的推算
风荷载推算风载荷应指垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，在标准状态下(气压为1013 hPa, 温度为15°C), 空气重度r=0.01225 [kN/m ³]。
重力加速度g=9.8[m/s²]时，有公式：wp=v²/1600[kN/m²]将所处环境的最大风速v（m/s）代入公式，可得到标准状态下垂直于风向的每平方米面积所受到的风的压力wp，计算迎风面积，从而推算所受风载荷。
风速与等级划分关系如下：等级及名称风速（米/秒）0 无风小于1 0-----0.21 软风0.3---1.52 轻风1.6---3.33 微风3.4---5.44 和风5.5---7.95 清劲风8.0---10.76 强风10.8---13.87 疾风13.9---17.18 大风17.2---20.79 烈风20.8---24.410 狂风24.5---28.411 暴风28.5---32.612 飓风大于32.617级飓风80 （2009-10-18北太平洋东部海岸的飓风“里克”中心）参考“天气在线”网站飓风的中心是没有风的，它是一个低气压带。
飓风等级一级.最高持续风速 33–42 m/s 74–95 mph 64–82 kt 119–153 km/h 风暴潮 4–5 ft 1.2–1.5 m 中心最低气压 28.94 inHg 980 mbar 潜在伤害对建筑物没有实际伤害，但对未固定的房车、灌木和树会造成伤害。
一些海岸会遭到洪水，小码头会受损。
典型飓风飓风艾格尼丝–飓风丹尼–飓风加斯顿–飓风奥菲莉娅二级.最高持续风速 43–49 m/s 96–110 mph 83–95 kt 154–177 km/h 风暴潮 6–8 ft 1.8–2.4 m 中心最低气压 28.50–28.91 inH g 965–979 mbar 潜在伤害部分房顶材质、门和窗受损，植被可能受损。
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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
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
(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
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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4
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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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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联邦德国DFVLR公式
丹麦的能源学院 20
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.
5
风轮的性能计算
计算风轮性能系数
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6
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。
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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1
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)
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21
• 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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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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• 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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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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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)