风力发电机载荷特性

1、风力机载荷风力机载荷情况风力机载荷是风力机设计和风力机认证时的重要依据，用于对风力机进行静强度和疲劳 强度分析。目前，国际上有很多规范、标准对风力机载荷做了详细的规定。其中应用最广的 是 IEC61400-1 标准。载荷分类作用在风力机上的载荷主要包括：（1）空气动力载荷；（2）重力载荷；（3）惯性载荷，包括离心力和科氏力等；（4）操纵载荷；（5）其他载荷，如结冰载荷根据载荷的性质，在风力机上的载荷可分为静载荷、定常载荷、周期载荷、瞬态载荷、 脉冲载荷、随机载荷和谐振载荷等。载荷情况由不同的外部条件与风力机工作状态组合而成，主要包括：正常外部条件与风力机 正常工作状态组合；正常外部条件与风力机

2、故障工作状态组合；极端外部条件与风力机 正常工作状态组合。根据IEC61400-1标准的规定，载荷情况如表5-1所列。表51载荷情况_ （塑幌方机工作状态X 保其他条件 分析安风力机工作状态载荷情扼X宕其他条件B.场输、安装.维护和峰理 -S.I由制遣商规定UT-若未规定应使用 财注：矗中N.4T和* “分别指正常，非正常，通翰、安装和疲劳等局部安全系数； 和分剧为切入风逢、额定隘速.切眼风速.轮毂高度lOmin 平均风速和参考风朝；孔和么分别为1年一遇和50年遇粮端风速普以 F 分别指树眼载荷分析和疲劳裁荷分析i WTM、FW、制VP、LjOC、EWS、EDG,E&；： KWht翱别为叫10

3、- 1州定的各种以谢模型+箕中NFM指正常都嶙风模 型，ECD指报端持续陈风井伴随方面变化指正常风速剖面横蟹、ROCl指 1年-遇极端遂行阵风，眄指邹年-调槌期论行阵风.EWS指槌端风速可 切度啧，EDC,指1年一遇撒喘方向变化rEIK别指50年一遇楹端方向囊彳匕ECG 指极端持唉阵风，EWM指槌端风速模51.战方机工作状妾情况K井他条作分析美墅局部安伞系散L蜜电1JNTMrw = K 或 i_1NL214 13gSiUNUNWP*i= K 藏 U外部也器故障VN1.3EOGtfrw 兰 ir A i j电器接头拙坏Uti拓段.也i或匚UN1.7gFi=此或AVNI.KnxxW,或峪UNL9k

4、l.:(;iw = n廿N2.鬻也辑掖隘2.1swp1= %二七控制系醍故障VN2.2IWPL= XL保护桌统或肉牌电奇故障trA2.3NTM投制或课IP系晚赦障F 3- 口动3dWTF .：E(XAw - *. K： K-U3 3EDG.匕，F0rN4.正凿美饥44、WP一F 4.2顷Fi = 5 %uN5.理急美机5.1nwtJ-K亦uN&停机夜京赭丘1肄网略网司胞推牌uN627.!XTMFME、F7.群剧和描障EWMJ褊UA安全系数风力机设计时，需要提供的是设计载荷财它和实际载荷Fr的关系是广湾式中rf一载荷局部安全系数见表5-2所示：表52载荷局部安全系数蜀荷源不利戟荷1有利荷|风力机

5、工作状态全部风力机 工作状态正常和极展韭正常运输和安装空/地力单荷LMEJ1,5P 0.9操瓠觑荷1.331.1L50.9审力就荷Lt1.250.9惯性嘘荷L25El1.3CL9注e当质it不是由称雨前定时取1.玖风力载荷计算风力机载荷特性叶片上的载荷（1）空气动力载荷作用在叶片上的包括摆振方向的剪力Qyb和弯矩Mxb、挥舞方向的剪力Qxb和弯矩Myb 以及变桨距时，与变桨距力矩平衡的叶片俯仰力矩Mzb。叶片上的空气动力载荷可根据2.2 节中的动量叶素理论计算，计算时先求出轴向诱导因子a和周向诱导因子b，再求得叶图2-1叶素上的气流速度三角形和空气动力分量QxbQybMyb10 R2 r010

6、 R2 ropV2cC drpV2cC dr=10 R2pV2cC rdr1 OM b = 2 0 R pVjcCrdr式中R风轮半径；r0轮毂半径。一般翼型空气动力数据都是相对于翼型1/4弦线位置，因此，其俯仰力矩可表示为dM = 1 pV2c2C drzb 20 m式中Cm一翼型俯仰力矩系数。（2）重力载荷作用在叶片上的重力载荷对叶片产生摆振方向的弯矩，它随着叶片方位角的变化呈现周 期的变化，是叶片的主要疲劳载荷。叶片上每个叶素有一个集中质量m.，则由它产生的重力矩Mxg为M = 0 Rm. （r）gdr（3）惯性载荷叶片上的惯性载荷包括离心力和科氏力。离心力由于风轮旋转而产生的作用在叶片

7、上的离心力总是沿叶片向外的。当由于作用在叶片上 的挥舞方向弯矩使柔性叶片偏离风轮旋转平面时，叶片上的离心力在挥舞方向产生的弯矩可 以减小叶片的偏离，称之为离心力刚化叶片效应。在叶片上由离心力产生的挥舞弯矩Myc可表示为M = 0 R Alm.Q2 $dr式中Al.第i段叶素偏离风轮旋转平面的距离。科氏力当风轮旋转并同时作偏航运动时，叶片上产生垂直于风轮旋转平面上的科氏力载荷。设 风轮顺时针旋转速度为Q（rad/s），偏航顺时针旋转速度为八（rad/s），则由科氏力产生的叶 片挥舞弯矩Myk可表示为M = 2QA cos w 0 Rmr2dr= 2QA cos pI式中Ib叶片相对于叶根的惯性矩

8、；甲叶片方位角。（4）操纵载荷作用在风力机上的操纵载荷是由于风力机操纵时，对其部件施加的附加载荷，并由该 载荷引起风力机部件加速度响应而诱导产生的惯性载荷。叶片上的操纵载荷主要是在气动刹 车或变桨距时产生的。轮毂上的载荷作用在轮毂（风轮）上的载荷包括转矩、轴向力、偏航力矩和俯仰力矩。一般，大型风 力发电机组轮毂都是安置在整流罩内，因此，作用在轮毂上的载荷主要是由叶片的载荷传递 到轮毂上。作用在轮毂（风轮）上的转矩是风轮轴功率的来源，它由叶片摆振力矩Mxb合成 产生，与叶片挥舞力矩一样随叶片的方位角变化，如图5-1所示。失速型风力机和变速恒频 型风力机风轮转矩随风速变化情况不同：在高风速区，失速

9、型风力机靠叶片失速来控制转矩 增加；而变速恒频风力机靠变化叶片桨距角来控制转矩，使得其转矩变化比失速型风力机更平坦，如图5-2所示。图5-2风轮转矩随风速的变化情况（a） 300KW失速型风力机；（b） 1500KW便速恒频型风力机图5-1风轮转矩随叶片万位角的变化作用在轮毂（风轮）上的轴向力（推力）主要由叶片挥舞方向剪力Fx成产生。由于 风剪切效应和塔影效应等影响，风轮轴向力（推力）随叶片方位角变化，如图5-3所示。失 速型风力机和变速恒频型风力机风轮推力随风速增大而增大;而变速恒频风力机则由于叶片 桨距角的变化，使风轮推力随风速增大而减小，如图5-4所示。60120 ISO 2403003

10、60图5-3风轮轴向力随叶片方位角的变化VAnVs)0)图5-4风轮轴向力随风速的变化情况（a） 300KW失速型风力机；（b） 1500KW变速恒频型风力机。作用在轮毂（风轮）上的偏航力矩和俯仰力矩是由于风力机运行时风轮叶片不对称，叶 片在不同方位角时受到不均匀的载荷以及风轮偏航运动和风轮倾角等影响而产生的。图5-5 给出了作用在轮毂（风轮）上的偏航力矩随叶片方位角的变化情况。平2）图5-5风轮偏航力矩随叶片方位角的变化主轴上的载荷作用在主轴上的载荷主要是由于轮毂上的载荷传递的。它包括转矩和两个方向（水平方 向和垂直方向）的弯矩。主轴上的转矩与轮毂上的转矩相等；主轴上的水平方向弯矩与轮毂（风

11、轮）上的偏航力矩相等；主轴上的垂直方向弯矩与轮毂（风轮）上的俯仰力矩与风轮系统的重力矩合成产生。除上述载荷外，还有在机械刹车时作用在主轴上的摩擦力和因发电机并网和掉网时作用 在主轴上的冲击载荷。图5-6给出了某风力机在停机过程中作用在主轴上的转矩的时间历程曲线，由图可知，在停机过程中对主轴作用一个脉冲载荷。机舱上的载荷机舱上的载荷包括作用在机舱罩上的载荷和作用在机舱底座上的载荷。作用在机舱罩上 的载荷主要是空气动力载荷，作用在机舱底座上的载荷除了由风轮系统传递的载荷外，还包 括机舱内传动系统传递的载荷。偏航系统上的载荷偏航系统上的载荷主要是从机舱传递的载荷，除重力外，还包括偏航力矩、俯仰力矩、 轴向力与侧向力。另外，风力机作偏航运动时，在偏航系统中还会产生操纵载荷。塔架上的载荷作用在塔架上的载荷包括扭矩和两个方向（轴向和侧向）的弯矩以及塔顶上的重力载荷。 塔架上的