李飛飛 嚴 晗 張 巖 孟園園/沈陽華創(chuàng)風能有限公司

水平軸風力發(fā)電機主要載荷的確定方法

李飛飛 嚴 晗 張 巖 孟園園/沈陽華創(chuàng)風能有限公司

風力發(fā)電機運行在十分復(fù)雜的環(huán)境下，所承受的載荷情況也很繁雜，主要包括空氣動力載荷、重力載荷和慣性載荷。為了保證風力機在設(shè)計壽命內(nèi)得以正常運行，必須對風力機主要載荷進行計算。進行載荷計算是水平軸風力機設(shè)計中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)性工作，也是風力機設(shè)計和分析工作的前提。因此，本文對水平軸風力發(fā)電機主要載荷的確定方法做了具體分析。

水平軸；風力發(fā)電機；載荷；確定方法

一、風力機的負載來源

（一）重力

重力是施加在葉片上的一個重要力，尤其對于大型風力發(fā)電機組來說，機艙重量對塔架設(shè)計和機組安裝非常重要。

（二）氣動力

氣動力是負載的主要來源，與功率產(chǎn)生有關(guān)，在風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮為大風和引起疲勞損壞的氣動負載。大風時葉片靜止，此時阻力是主要考慮因素。葉片旋轉(zhuǎn)運行時，升力是主要考慮因素。

（三）慣性載荷

慣性荷載主要包括離心力和陀螺力。由于部件運動時產(chǎn)生的力，葉片旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生離心力。葉片旋轉(zhuǎn)時，進行偏航會產(chǎn)生陀螺力，在偏航速率高時，陀螺力會很大。

（四）控制系統(tǒng)的運行載荷

風力發(fā)電機組在運行時，由控制產(chǎn)生的載荷，如剎車、偏航、變距、脫網(wǎng)動作等，都會引起機組結(jié)構(gòu)和部件上的負載變化。

二、水平軸風力發(fā)電機主要載荷的確定方法

（一）風力機葉輪的基本載荷

風力機依靠葉輪將風中的動能轉(zhuǎn)化為機械能，葉輪是風力機最主要的承載部件。葉輪主要承受著三種力，即重力、離心力和空氣動力。

1.空氣動力載荷。

葉輪上的空氣動力是風發(fā)電機最關(guān)鍵的動力來源，同時也是各零部件載荷的主要來源。因此，想要計算風力發(fā)電機上的載荷，就必須提前計算出作用在葉片上的空氣動力。計算作用在葉片翼型上的空氣動力的主要理論依據(jù)是葉素理論。

在葉片坐標系中，根據(jù)葉素理論，葉片上每單位長度的輪廓斷面的空氣動力為：

而在葉根坐標系中，作用在葉片單位長度的空氣動力載荷為：

其中，ρ為空氣密度，W為垂直來流風速，C為弦長，Cl為剖面翼型升力系數(shù)，Cd為阻力系數(shù)，α為攻角。

空氣動力彎矩為：

空氣動力扭矩為：

其中，R為葉輪半徑，r為葉根距葉輪中心的距離，P為翼型壓力中心，C為扭轉(zhuǎn)中心，并假設(shè)使安裝角減小的方向為Mx-ba的正方向。

2.重力載荷。

葉片在轉(zhuǎn)動過程中，始終要承受重力作用，重力在各坐標軸的分力，隨著葉片旋轉(zhuǎn)方位角的不同而不同，并且由于軸傾角的存在，還需要計算重力在葉輪旋轉(zhuǎn)面上的分力。

在葉片坐標系中，葉片上每單位長度上的輪廓斷面的重力在各坐標軸的分力為：

在葉根坐標系中，重力載荷計算重力拉力為：

重力剪力為：

重力彎矩為：

重力扭矩為：

其中，m為葉片單位長度的質(zhì)量，ω為葉片旋轉(zhuǎn)角速度，β為葉片安裝角，G為重心。

而且，因為軸傾角δ一般為4°左右，相對較小，為計算簡便，可以選擇忽略重力在垂直于葉輪旋轉(zhuǎn)平面的分力。

3.慣性載荷。

葉片上的慣性載荷包括離心力和陀螺力。由于風輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用在葉片上的離心力總是沿葉片向外的。當作用在葉片上的揮舞方向彎矩使柔性葉片偏離風輪旋轉(zhuǎn)平面時，葉片上的離心力在揮舞方向產(chǎn)生的彎矩，可以減小葉片的偏離，這就是離心力剛化葉片效應(yīng)。

其中，er為葉根坐標系和輪轂坐標系原點的間距。

（二）風力發(fā)電機塔架的主要載荷

塔架主要承受作用在葉輪的空氣動力、離心力，機艙和葉輪的重力，由于葉輪偏心、風速分布不均勻，而引起的俯仰力矩，以及偏航時產(chǎn)生的陀螺力矩等?？諝鈩恿Ξa(chǎn)生的軸向推力為：

由于葉輪中心和塔架中心存在水平間距和垂直間距，因此作用在葉輪上的空氣動力和離心力使塔架產(chǎn)生偏航力矩和俯仰力矩為：

由于風速存在垂直梯度而使塔架產(chǎn)生的俯仰力矩為：

由葉輪的重量造成的俯仰力矩為：

其中，en水平間距，ek垂直間距，V1為塔架頂部，V2為底部的風速。

當葉輪發(fā)生偏航運動時，會產(chǎn)生陀螺力矩，這是塔架偏航力矩的主要組成部分，陀螺力矩有三個旋轉(zhuǎn)分量。

其一，在葉輪軸上的力矩為：

其二，作用在葉片上的陀螺力矩為：

其三，作用在偏航軸上的力矩與作用在葉片上的陀螺力矩相等。

（三）風力發(fā)電機構(gòu)件載荷的確定

為了確定風力發(fā)電機構(gòu)件的載荷，將風力發(fā)電機承受的主要載荷分別向各坐標系的X、Y、Z軸疊加，具體如表1所示。

表1 風力發(fā)電機主要載荷在各坐標系的疊加

根據(jù)疊加結(jié)果分析，可以確定風力發(fā)電機構(gòu)件的載荷，從而為風力發(fā)電機及構(gòu)件的設(shè)計、分析奠定堅實的基礎(chǔ)。首先，利用葉片坐標系，能夠精確的計算出葉片各剖面的受力情況，從而為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計和動態(tài)特性、氣動性能的分析奠定基礎(chǔ)。其次，葉根坐標該坐標系的計算結(jié)果，不僅可以用于分析葉根與延長節(jié)連接部分的受力情況，還能夠用于輪轂、延長節(jié)的設(shè)計計算。再次，根據(jù)輪轂坐標系的疊加結(jié)果，能夠計算輪轂所受的載荷，從而用于傳動系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)的設(shè)計計算。最后，塔架坐標系的疊加結(jié)果，能夠計算塔架、底座的載荷，還可以用于分析塔架結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性等。

三、結(jié)語

綜上所述，由于水平軸風力發(fā)電機在實際運行過程中，所承受的載荷十分復(fù)雜，不僅要考慮風力發(fā)電機的荷載和主要構(gòu)件的荷載，還要充分考慮其運行狀態(tài)的變化、溫度的變化、環(huán)境的變化，以及地震等自然因素對風力發(fā)電機的影響。風力發(fā)電機所承受的主要載荷的確定，對于設(shè)計、校正和分析風力發(fā)電機起著非常重要的作用。所以，必須加強對水平軸風力發(fā)電機主要荷載的計算和確定。

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