15MW风力机叶片载荷计算与分析解析

1、摘要风能是一种取之不尽、用之不竭、储量丰富的清洁可再生能源。与传统能源相比， 风能具有不污染环境，不破坏生态，分布广泛，就地可取，周而复始，可以再生的诸多 优点。风力机在风能利用中占有最主要的地位，叶片则是风力机中核心的部件，也是受力 最为复杂的部件。载荷研究是其设计中最为关键的基础性工作，也为所有后续风力机设 计、分析工作提供依据。本文以NACA4412翼型的叶片为研究对象，对其静态载荷进行了 研究。主要研究内容如下：（1）综合国内外各种文献，对风力发电的优越性和发展状况进行了简单的介绍。（2）在风力机空气动力理论的基础上，对动量理论，叶素理论还有涡流理论进行 了介绍。（3）对风力机的设计工

2、况和载荷工况进行了介绍，并在动量理论，叶素理论还有 涡流理论等理论基础上对叶片载荷进行了计算。（4）通过运用Matlab软件，对叶片载荷进行了图谱分析，画出了在气动力，重力， 离心力作用下的图谱。关键词：风力机；叶片；载荷分析AbstractWind energy is a kind of clean and renewable energy which is unlimited and abundant. Compared to the traditional energies, wind energy contains many advantages, such as no polluti

3、on to the environment, no destruction on the zoology, widespread, in situ desirable, moving in cycles and can be recycled.Wind driven generator occupies the main status in the process of wind utilization, and blade is the core and the most complicated element of it, especially when it comes to the f

4、orce analysis. Study of load is not only the critical section and basic work in the design of wind driven generator, but also provides the basis for all subsequent wind driven generator s design and its analysis work. This paper takes NACA4412 airfoil blade as the research object and studies its sta

5、tic load. Main research contents are as follows:Integrated all kinds of documents at home and abroad, this paper simply introduces the advantages and development conditions of wind driven generator.Based on the wind turbine aerodynamic theory, the momentum theory, the blade element theory and vortex

6、 theory are introduced.It introduces design conditions and loading conditions of wind driven generator. Meanwhile, on the basis of momentum theory, blade element theory, vortex theory and etc., it calculates the load of blade.By using Matlab software, this paper has an atlas analysis on the load of

7、blade, draws the atlases of aerodynamic force, gravity and centrifugal force which are under their own impact.Key words: wind driven generator; blade; load analysis目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 摘要.IAbstractII HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 绪论1 HYPERLINK l bookm

8、ark36 o Current Document 1.1风力发电发展现状1 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 前言1 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 1.1.2风力发电装机容量现状2 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 1.1.3我国风力发电利用现状2 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 1.2水平轴风力机叶片概述3 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document

9、 1.3论文主要研究内容5水平轴风力机叶片理论62.1风与风能6 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 2.2风轮叶片主要参数6 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 2.3风力机空气动力学7 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 动量理论7 HYPERLINK l bookmark111 o Current Document 叶素理论11 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 涡流理论13 HYPERLINK

10、 l bookmark122 o Current Document 风力机叶片的设计方法14 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 水平轴风力机叶片的载荷分析17 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 3.1叶片载荷类型与来源17 HYPERLINK l bookmark137 o Current Document 载荷类型17 HYPERLINK l bookmark140 o Current Document 3.1.2载荷来源17 HYPERLINK l bookmark143 o Curre

11、nt Document 3.2叶片设计工况与载荷状况18 HYPERLINK l bookmark146 o Current Document 设计工况18 HYPERLINK l bookmark152 o Current Document 载荷状况18 HYPERLINK l bookmark168 o Current Document 3.3叶片载荷分析基本要求20载荷分析影响因素20载荷分析要求213.4风力机叶片载荷计算21坐标系的确定21 HYPERLINK l bookmark179 o Current Document 气动力载荷计算24 HYPERLINK l bookmar

12、k186 o Current Document 3.4.3重力载荷计算25 HYPERLINK l bookmark189 o Current Document 离心力载荷计算25 HYPERLINK l bookmark195 o Current Document 风力机叶片载荷分析26 HYPERLINK l bookmark198 o Current Document 载荷分析基本参数26叶片载荷分析28 HYPERLINK l bookmark210 o Current Document 本章小结37 HYPERLINK l bookmark213 o Current Document

13、 结论38 HYPERLINK l bookmark220 o Current Document 致谢39 HYPERLINK l bookmark223 o Current Document 主要参考文献40绪论1.1风力发电发展现状1.1.1前言从古到今，人类为能得到更好的生存条件、物质基础，不停的为促进社会经济的发 展而奋斗。在这一过程中，能源都一直是扮演着至关重要的角色。迄今为止，能源问题已经成为世界经济发展中一个具有战略意义的问题。例如上世 纪50年代至70年代，由于中东廉价石油的大量供应，而使整个资本主义世界经济飞速 发展。但是1973年爆发的中东战争，使中东各国限制了石油的产量，

14、提高了石油的价 格，给资本主义世界带去了长时间的经济危机。能源的消耗还关系到环境的污染问题。 常规能源的使用而引起的环境污染问题和生态环境的恶化问题已引起了全世界的广泛 关注，而新能源核能发电又面临着核废料的处理问题，所以，它们都不利于环境的保护。 生存环境的不断恶化，使人类经济、文化、社会活动都遭到了严重的影响。所以，发展 无污染新能源迫在眉睫。风力发电和太阳能发电是最有利于环境保护的发电方式，并且 风力发电具有其它能源不可取代的优势和竞争力11。风力发电的优越性可归纳为以下几点：（1）风能一种用之不竭、储量丰富的清洁再生能源；（2）建造风力发电场价格比水电站、火力发电厂以及核电站的建造费用

15、低得多；（3）不需要常规燃料或核电站所需的核材料，即可产生电力，除常规保养外,没有其 他任何消耗；（4）风力发电和其他发电方式相比，它的建设周期一般很短，而且安装1台投产1 台，装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；（5）风力发电运行简单，可完全做到无人值守；（6）风力发电对地形要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地均可建设。虽然风力发电优越性突出，但是其缺点也是显而易见的：（1）风力机利用风能效率不高，运转时噪声大；（2）风力机组的造价成本仍然很高；在一些地区，风力发电的经济性不足，许多地区的风力有间歇性；风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源；风力发电在

16、干扰鸟类。人类利用风能对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，对于人类 社会可持续发展具有重要意义1。1.1.2风力发电装机容量现状自上世纪90年代以来，风力发电的发展十分迅速，全球风力发电装机呈快速增长 趋势，年平均增长近24%，到2007年底，全球风力发电新增装机容量19791MW，总 装机容量达到94005MW，比2006年增加了 27%，全球风力发电发电量占总发电量的比 例已超过1%，风力发电在能源市场中占有了一席之地2。表1.1近十年我国风电装机容量增长情况年份累计装机容量(MW)新增装机容量(MW)2001398.857.22002465.166.32003563.49

17、8.22004761.2196.820051267.2506.920062554.71287.620075867.43312.7200812019.66152.2200925804.313785.7201044733.318928.1我国风力发电装机更以迅猛的速度发展。从上表数据可以看出，我国风力发电装机 容量逐年增长。累计装机容量从2001年的398.8MW增加到2010年的44733.3MW。 新增装机容量从2001年的57.2MW增加到2010年的18928.1MW。2010年，我国风力 发电装机容量无论是从累计装机容量还是新增装机容量，均达到了世界第一位的水平， 我国已然成为世界上风能

18、大国。1.1.3我国风力发电利用现状建国以来我国风能的开发利用经历了三个阶段：一是50年代末群众性的技术革新，1955年首次研制成了小型风力机；二是全国各地相继研制了百瓦级到千瓦级的各类风 力机达数十种，用于抽水、发电等；三是为后来风力机的研制提供了有益的经验。进入21世纪以后，我国的风能的发展有了很大发展，整体的规模、装机容量正在 逐步提高。到2004年底，我国已建成43个风电场，全国并网风电装机容量达到76.4 万千瓦。到2005年底，全国共有59个风电场，新增风电装机容量49.8万千瓦，累计 装机容量达到126万千瓦。到2006年底，全国已建成80个风电厂，新增装机134.7万 千瓦。到

19、目前为止，全国风电场的数量已经很多了，保守估计不少于500个风电场项目。我国风电发展虽然有了快速发展的势头，但是仍要充分发挥好政府的指导、扶持和 协调作用，将各环节衔接起来，形成良性互动，实现风能又好又快发展。1.2水平轴风力机叶片概述叶片是风轮最主要的部分的部分，是风力机原动力输入的主要载体，决定了风轮性 能的好坏，也决定了风力机整体性能的好坏和利用价值。1、叶片结构及制造风力机叶片即要求机械性能好，能够承受各种极端载荷，又要求重量轻，制造和维 护成本低，因此采用轻型材料和结构，叶片剖面结构为中空结构，有蒙皮和主梁组成， 中间有硬质泡沫夹层作为增强材料。叶片主梁结构主要承载叶片的大部分弯曲载

20、荷。叶 片蒙皮主要由胶衣表面毡和双向复合材料铺层而成，其功能是提供叶片气动外形，同时 承担部分弯曲载荷和剪切载荷。小型风力机叶片常用整块木材加工而成，表面涂层保护 漆，根部通过金属接头用螺栓与根部相连。大、中型风力机采用很多纵向木条胶接在一 起，其叶片都采用玻璃纤维或高强度复合材料进行制作。2、叶片几何形状及翼型大型风力机组的风轮直径很大，叶片长度很长，在旋转过程中，不同部位的圆周速 度相差很大，导致来风的攻角相差很大，因此叶片具有以下特征：（1）平面几何形状一般为梯形，沿展向方向上，各剖面的弦长不断变化；（2）叶片翼型沿展向上不断变化，各剖面的前缘和后缘形状也不相同；（3）叶片的扭角也展向上

21、不断变化，叶尖部位的扭角比根部小。这里的扭角指在 叶片尖部桨距角为零的情况下，各剖面的翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。叶片剖面的翼型应根据相应的外部条件并结合载荷分析进行选择和设计。风能的转 换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关，因此叶片翼型性能直接影响风能转换效率传统的风力机叶片翼型多沿用航空翼型，随着风电技术的发展和广泛应用，国外一些科 研机构开发了多种风电专用翼型。应用较多有NACA翼型、SERI翼型、NREL翼型、FFAW 翼型等。图1-1叶片翼型的几何参数3、叶片类型根据叶片的数量可分为单叶片、双叶片，三叶片以及多叶片。叶片少的风力机可实 现高转速，所以又称为高速风力机，是用于发电；

22、而多叶片具有高转矩、低转速的特点， 又称为低速风力机，适用于提水，磨面等。其中三叶片风力机动力学特性较好，惯性力 和气动力分布在叶片上较为均匀，应用最多。根据叶片翼型形状可分为变截面叶片和等截面叶片。变截面叶片在叶片全长上各处 的截面形状及面积都是不同的，而等截面叶片都是相同的。根据风力机做功的原理，分为阻力叶片和升力叶片。由阻力叶片构成的风力机是阻 力型风力机，纯阻力型垂直轴风力机最大风能利用系数匕哑-0.02，与Betz理想风轮 的匕哑w 0.593相差甚远。由升力叶片构成的风力机是升力型风力机，此类翼型的叶片 因风对其产生升力而旋转做功。升力型叶片应用较多，因为升力型风力机比阻力型风力

23、机获得的风能利用系数最高。4、叶片载荷风力机在运行过程中承受着多种应力和载荷。风力机载荷源于空气动力、重力、和 惯性力，也与风力机运行和运行状态有关（在后续章节重点讨论）。载荷是设备结构设 计的依据，其分析计算在设计过程中非常关键，载荷分析不准确可能导致结构强度设计 问题，过于保守则造成风电机组的总体设计成本增加。为此在载荷分析与计算是考虑以 下条件：首先，保证部件能够承受极限载荷，必须能够承受可能遇到的最大风速。其次，保证风力机2030年使用寿命。但是极限载荷产生的应力相对容易估计，疲 劳寿命问题相对困难。最后，注意部件刚度，这与其振动和临界变形有很大关系。刚度也是决定部件尺寸 的主要参数之

24、一。本论文讨论研究的内容就是三叶片1.5MW水平轴风力机叶片载荷分析与计算，并 提出了风力机载荷相关的内容5。1.3论文主要研究内容风力机组是将风的动能转化为机械能，再由机械能转化为电能的装置。叶片是风力 机组的关键部件，其承受载荷的能力是保证风力机组正常稳定运行的必要因素。载荷的 分析与计算更是叶片设计分析工作的基础，影响到以后叶片的结构动力特性分析、强度 分析以及寿命分析计算，而且研究和分析叶片载荷不但可以解决目前生产中遇到的问 题，提高风电机组设计的创新能力，拉近与世界著名风电机组研发企业间的差距，而且 为今后大型风电机组设计的可靠性提供了重要保障。所以，叶片载荷的分析与计算至关 重要。

25、叶片载荷的情况多种多样，载荷情况也较为复杂。有动态载荷和静态载荷，在这里 只进行静态载荷的分析与计算的研究。主要进行的研究内容如下：（1）了解风力机空气动力学理论（叶素理论、动量理论、叶素一动量理论、涡流 理论）。（2）了解风力机叶片的设计方法。（3）了解叶片载荷类型与来源。（4）了解叶片设计工况与载荷工况。（5）进行叶片载荷计算（叶片气动力载荷计算、叶片重力载荷计算、叶片离心力 载荷计算）。（6）根据叶片载荷计算对叶片进行载荷分析，画出载荷图谱。水平轴风力机叶片理论2.1风与风能风的形成是空气流动的结果，风能是太阳能的一种转化形式，由于太阳的辐射造成 了地球表面受热和大气压力都受到影响，在不

26、均匀大气压力作用下，空气的运动就形成 了风。地球大气运动主要受气压梯度力和地转偏向力的影响，大气真实运动是这两种力 综合影响的结果。风所具有的动能为风能。现在利用风能的主要方式为风能发电，就是利用风力机把 风能转化成机械能，再由机械能转化为电能。风能发电关键在于风力机，好的风力机， 风能利用系数高，能量转换就高，人们也会得到更大的利益。所以，设计一种好的风力 机就是重中之重，而好的风力机其叶片载荷、结构动力特性、强度以及寿命等必须要求 合格甚至更好3,4 ！本章介绍风轮叶片主要参数和空气动力学基础理论。2.2风轮叶片主要参数风力机利用风能的能力，跟风轮叶片的性能指标有很大关系。表征风力机性能的

27、参 数有很多，主要有叶尖速比人、风能利用系数C,、风轮叶片数B、风轮直径D和翼型 及其升阻比等囹。1、叶尖速比人叶尖速比，用风轮叶片叶尖端的线速度V与风速v的比值来进行计算，用人表示， 它是表征风轮性能的一个重要参数：(2-1).V 2 穴(2-1)v 60v式中：V 叶片尖端线速度，m/s； v风速，m/s； n风轮转速，m/s； R风轮半 径，m。2、风能利用系数Cp风能利用系数Cp表征风力机从自然风能中获取的能量的大小程度，这是风力机最 主要的特性参数之一，通过以下公式计算：P、C = （2-2）p 1 -p V 3 S 2式中：P风力机实际获得的轴功率，W； p空气密度，kgm3 ；

28、v 上游速度， m/s； S风轮扫掠面积，m 2。3、风轮叶片数B风轮的叶片数B一般由风轮叶片的尖速比人决定。用于发电的风力机，大多都是高 速风力机，人一般为58, B为24，这样风轮有较高的。值，且起动风速比较高。从 制造叶片成本及经济角度考虑，12叶片风轮比较适合，但相对于单叶片风轮，三叶片 风轮平衡更趋简单，单个叶片所承受的动态载荷较小，使得风力机组的运行和输出功率 都比较平稳，所以现在大中型风力机都是3个叶片。4、风轮直径D根据风力机输出功率的计算公式便可估算出风力机风轮直径D，公式如下：(2-3)式中：P一风力机输出功率，W； p 一空气密度，一般取为1.225 kg：m3 ； v一

29、设 计风速，m/s； D一风轮直径，m；气一发动机效率，门2 传动效率。5、翼型及其升阻比风吹在叶片截面翼型上时会使翼型产生升力Fl与阻力Fd，升力与阻力的比就叫作 该翼型的升阻比，用L/D来表示：(2-4)式中：Cl和CD 一翼型的升力系数和阻力系数；Fl和fd 一翼型所受的升力和阻力， 单位为N或kN。2.3风力机空气动力学2.2.1动量理论动量理论研究了经过风轮的风能有多少转化为机械能。德国物理学家Albert Betz 在19221925年发表了 Betz基础动量理论（简称Betz理论）。Betz理论认为通过风轮 扫风面的空气流所携带的能量，仅有部分能量被风轮所吸收，并对此进行了论证，

30、提出 了 Betz理想风轮。1、Betz理论Betz理论定义的风轮为理想风轮，未涉及叶片形状参数和气动参数，Betz理论主 要考虑风力机轴向的动量变化，用来描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系，估 算风力机的理想出功效率。在风轮尾流不旋转时的经典动量理论定义了一个普通风轮平 面的理想流管，并假设：（1）气流是不可压缩的均匀定常流；（2）风轮简化成一个桨盘；（3）桨盘上没有摩擦力；（4）风轮流动模型简化成一个单元流管；（5）风轮前后远方的气流静压相等；（6）轴向力（推力）沿桨盘均匀分布。现研究理想风轮在流动大气中的情况，如图2-2所示。并规定如下：V一距离风力机一定距离的上游风速；1V 一通

31、过风轮时的实际风速；匕一离风轮远处的下游风速。设通过风轮的气流其上游截面为，下游截面为S2。由于风轮的机械能量仅由空 气的动能降低所致，因而V V V，所以通过风轮的气流截面从上游至下游是增加的。21即 S2 S。如果假定空气是不可压缩的，由连续方程（质量守恒）可得:SV = 如果假定空气是不可压缩的，由连续方程（质量守恒）可得:SV = S 2V2 = SV风作用在风轮上的力可由Euler理论（欧拉定理）写出:(2-13)风轮吸收的功率为:此功率是由动能转换来的。F = p SV (匕-V2)P = FV = p SV 2(V1 - V2)从上游至下游动能的变化为:（2-14）（2-15）（

32、2-16）（2-17）（2-16）（2-17）AE = 2 p SV (V2 - V22)令上两式相等得到:V = V1 + V22作用在风轮上的力和提供的功率可写成：一 一、F = pS（V2 - V2）（2-18）121P = 4PSV（匕2 - V22）（V1 + V2）（2-19）对于给定的上游速度V1，可写出以V2为函数的功率变化关系，将上式微分得：dP 1 一 一 一而=4 p SV （匕2 - 2VV2 - 3V22）（2-20）2当V2 =时，得到最大功率为：8、P =p SV 3（2-21）max 271将上式除以气流通过扫掠面S时风所具有的动能，可推得风力机的最大风能利用系

33、数:8 C = 1Pmax =矿 1 =16 机 0.593（2-22）P max11272 pS匕32 pSV327Betz理论的提出，实际上是提出了风能的最大转换效率，即使是在无能量损失和理 想空气流的条件下，风轮的风能利用系数也仅有0.593，也就是说，最大仅有59.3%的 风能能够被风能转化为机械能；其次，当理想风能利用系数等于0.593时，风轮后的空 气流速为风轮前空气流速的的1/3。2、动量理论实际的气流在风轮上产生转矩时，也受到了风轮的反作用力，因此，在风轮后的尾 流气流发生与叶片旋转方向相反的旋转。这时，如果风轮处气流的角速度和风轮的角速 度相比是一个小量的话，那么一维动量方程

34、仍可以应用，而且风轮前后的气流静压仍假 设相等。由动量方程得出dr圆环上的轴向力可表示为：dT = dm(v - v )(2-23)式中：drh 一单位时间内流经风轮叶片平面圆环上的空气流量，可表示为：dm = pvdA = 2 兀pvrdr(2-24)式中：dA一风轮平面dr圆环的面积。在描述风速变化过程中引入了轴向诱导因子a = L，匕为风轮处轴向诱导速度，则: 1v = v (1 - a)和 v = v (1 - 2a)(2-25)将式(2-24)和式(2-25 )代入式(2-23)可以得出：dT = 4兀p v 2 ra (1 - a) dr(2-26)1作用在风轮上的轴向力可表示为：

35、T = j dT = 4兀p v JRa(1 - a)rdr( 2-27 )式中：R一风轮半径。应用动量矩方程，则作用在风轮平面圆环上的转矩可表示为：dM = dh(v r) = 2兀pv Sr3dr(2-28)tt式中：vt一风轮叶片处的轴向诱导速度，vt=sr ； S为风轮叶片处的轴向诱导角 速度。定义轴向诱导因子b =，式中Q为风轮转动角速度。2Q将式(2-25)和b = 代入式(2-28)，可得：2QdM = 4兀pOvb(1- a)r 3 dr(2-29)作用在整个风轮上的转矩可表示为:M = jdM = 4兀p Ou j%(1-a)r3dr(2-30)风轮轴功率是风轮转矩与风轮角速

36、度的乘积，因此：P = jdP = 4兀pO2u j*8(1 -a)r3dr(2-31)RO.定义风轮叶尖速比X =竺，风轮扫风面积A =兀人2,则： v18X 2C = -R j Rb(1 - a)r 3 dr(2-32)因此，当考虑风轮后尾流旋转时，风轮功率有损失，风轮风能利用系数减小。2.2.2叶素理论将风轮叶片延展向分成许多微段，称这些微段为叶素。叶素理论(Blade Element Theory)将风力机桨叶简化为由有限个叶素沿径向叠加而成，因而风轮的三维气动特性 可以由叶素的气动特性沿径向得到。相对于动量理论，叶素理论从叶素附近的空气流动 来分析叶片上的受力和能量交换，从而更多的应

37、用到风力机的设计中。叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多叶素。叶素理论应用在风力机 气动设计和性能预估中有以下基本假设：不考虑沿叶片展向方向相邻叶素之间的干扰。作用于每个叶素上的力仅由叶素的翼型气动性能决定。假设在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，即将叶素看成二维模型，这是将作用 在每个叶素上的力和力矩延展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。对于每个叶素来说，其速度都可以分解为垂直于风轮旋转面的分速度v和平行于x 0风轮旋转面的分速度七0速度三角形和空气动力学分量如图2-1所示。图中角为4入流 角，a为攻角，0为叶片在叶素处的几何扭角，设a为轴向诱导因数，b为周向诱导因 数。有

38、动量理论知，当考虑风轮后尾流旋转时：v = V(1 - a)(2-5)v = Or (1 + b)(2-6)因此，叶素处的合成气流速度V 0可表示为 TOC o 1-5 h z v = Jv2 + V2 =J(1 a )2 V2 + (1 + b)2(Qr)2(2-7)叶素处的入流角4和攻角a可表示为(1 - a)v甲=a r c t a n 1、(1 + b)Or*(2-8)a =-9/这样得出a后，就可以根据翼型气动数据表得到叶素的升力系数CL和阻系数CD。合成气流速度v0引起的在长度为dr叶素上的空气动力合力dFa可以分解成法向力dFn和切向力dFt1 一.dF = 2 ptv2C dr

39、(2-9)1dF = 2ptv2C dr(2-10)式中：p 一空气密度；t一叶素剖面长度；CN，CT一分别代表叶轮平面法向力系数 和切向力系数。这时，作用于风轮平面dr圆环上的轴向力可表示为1dT = 2 zp tv 2 C dr(2-11)式中：z一叶片数。作用在风轮平面dr圆环上的转矩为dM = zp tv 2 C r dr（2-12）20 L叶素理论把气流流经风力机的三维流动简化为各个互补干扰的二维翼型上的二维 流动，它忽略了叶素之间气流的相互作用，而实际上由于风轮旋转，在哥氏力的作用下， 叶片展向会出现流动，尤其在叶尖，轮毂部分。2.2.3涡流理论对于有限长的叶片，当风轮旋转时，通过

40、每个叶片尖部气流的迹线都为螺旋线，而 且，叶片尖部以及轮毂附近都会形成螺旋，每个叶片都对轮毂涡流的形成产生一定的作 用。此外，为了确定速度场，可将各叶片的作用以一边界涡代替。所以风轮的涡流系 统可以用图2-3表示。对于空间某一给定点，其风速可认为是由非扰动的风速和涡流系统产生的风速之 和，由涡流引起的风速可看成是由下列三个涡流系统叠加的结果：（1）中心涡，集中在转轴上；（2）每个叶片的边界涡；（3）每个叶片尖部形成的螺旋涡。图2-3风轮的涡流系统正因为涡流系统的存在，流场中轴向和周向的速度发生变化，即引入诱导因子（轴 向干扰因子a和切向干扰因子b）。由旋涡理论可知：在风轮旋转平面处气流的轴向速

41、度：V=V（1-a）（2-33）在风轮旋转平面内气流相对于叶片的角速度为：（2-34）式中：一气流的旋转角速度，rads ； w 风轮的旋转角速度，rads。因此在风轮半径r处的切向速度为:(2-35)U = (1 + b)(2-35)2.4风力机叶片的设计方法风力机叶片的设计和其他结构的设计一样，在设计过程中，包括：风力机的空气动 力学的特性计算、外载荷计算、叶片的结构、强度计算、振动频率和动态响应的计算。 由于其为不对称结构，所以研究起来有一定的困难。叶片设计可大致分为气动设计阶段和结构设计阶段，在气动设计阶段需要通过选择 叶片几何最佳外形，以实现年发电量最大为目标；结构设计阶段需要分析选

42、择叶片材料！ 结构形式和其他设计参数，实现叶片强度、刚度、稳定性以及动特性等目标。基本设 计过程见图2-4。1、气动设计风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展而来。气动设计包括：决定风轮直径、 叶片数、叶片各剖面弦长、厚度、扭角分布及选取剖面翼型。Betz理论采用一元定常流动的动量定理，研究理论状态下风轮的最大风能利用系 数，将风轮看作一个纯粹的能量转换器。理论假定风轮是理想的，也就是说风轮没有轮 毂，没有锥角，而叶片是无穷多的，风轮旋转时没有摩擦阻力，风轮流动模型可简化为图2-4图2-4叶片设计基本过程一元流管，风轮前后气流静压相等。作用在风轮上推力均匀，应用动量方程，推导 出风能利用系数

43、为0. 593左右，这就是著名的Betz极限。Betz理论由伯努利方程和 流体能量连续性方程得出，因此结论适合于任何流场，运用Betz理论可建立简易叶片 外形设计方法，但目前不常用。涡流理论认为对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两个主要的 涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。当风轮旋转时，通过每个叶片尖部的气流的迹线 为一螺旋线，因此，每个叶片的尾迹涡形成一螺旋形。此外，为了确定速度场，可将各 叶片的作用以一边界涡代替，对于空间某一给定点，其风速可认为是由非扰动的风速和 涡流系统产生的风速之和，由涡流引起的风速可看成是由下列三个涡流系统叠加的结 果：（1）中心涡，集中在转轴上；（

44、2）每个叶片的边界涡；（3）每个叶片尖部形成的螺 旋涡。叶素理论将叶片沿展向分成若干个微段，每个微段称为一个叶素。并且假设每个微 段之间没有干扰，叶素本身可以看成一个二元翼型。动量理论在风轮扫掠面内半径r处取一个圆环微元体来进行分析。Wilson气动优化设计理论是目前常用的方法之一。该理论对以前的设计方法进行了 改进，研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性 能。为使风轮风能利用系数Cp值最大，须使每个叶素的dCp值最大。优化过程中考虑 了诱导速度、升阻比、叶尖损失等对最佳性能的影响。Wilson理论建立了 dCp与气动 参数的关系式，从而得到最佳气动参数和气动外形

45、。由理论计算得到的弦宽和扭角分布 在叶根处较大。考虑到叶根处剖面对风轮输出功率贡献不大，故可适当减小此处剖面的 弦宽和扭角，以降低叶片重量和成型难度。一旦气动外形得到，就可应用气动性能计算 得到风轮气动性能，包括各种风速下及不同安装角的输出功率、轴向推力、转矩和相对 应的风能利用系数、推力系数、转矩系数，同时可得到气动荷载分布6。2、结构设计叶片结构设计主要考虑制订荷载规范、荷载计算、极限强度及疲劳强度验算，变形 计算，固有频率计算和屈曲稳定计算。1）设计荷载工况及强度校核作用在叶片上的荷载可简化为三种：气动力、离心力和重力。荷载工况要考虑正常 设计工况和正常外部条件，正常设计工况和极端外部条

46、件，故障设计工况和允许的外部 条件，运输安装和维修设计工况等组合工况。风力机叶片设计寿命为1020年，在整个 使用期间，正常运行荷载工况可达108次量级。对于极限荷载，至少要计算50年一遇 的极端风速，风速在5065m/s，要求叶片在极限荷载下满足强度、变形、稳定条件。强度校核有二项：疲劳强度及破坏强度。疲劳强度分析可采用有限和无限寿命方法。 叶片的疲劳荷载较复杂，规范提供了简化疲劳荷载谱。根据叶片材料的S-N曲线，应用 palmgrenminer线性累积损伤准则进行叶片的疲劳强度计算。2）动态特性分析叶片的动态特性包括频率、响应以及颤振。由于风荷载具有交变性以及随机性，在 静态分析的基础上再

47、考虑一个动态因子比较粗糙，较精确的方法是采用动力响应方法。 从工程设计考虑，叶片动态分析最重要的是频率计算。调整叶片固有频率，以避开叶片 的共振区，从而降低叶片的动应力。为避免共振，叶片的固有频率需离开共振频率一定 距离，这个距离常用百分比表示，称为叶片的共振安全率。风力机转速有一定的波动， 故要求风力机叶片固有频率避开共振频率应更大些。以上就是风力机叶片传统设计方法大概简介，而现在的设计计算大都是将计算原理 与计算技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法，从而提高设计 效率和质量。而设计计算就是将实际物体抽象成一个数学模型，然后再利用数学中的最 值或极值问题找到最理想的解。水

48、平轴风力机叶片的载荷分析风力机依靠叶片将风中的动能装化为机械能，所以叶片是风力机组中最主要的受力 部件，风力机组中其它的零部件受到的载荷主要是由叶片受到的载荷造成的。叶片载荷 是指作用在叶轮上的力和力矩，有气动力、重力和离心力，其中气动力最为复杂。在风力机的设计中必须对风力机运行时所处的环境和各种运行条件所产生的各种 载荷进行精确地确定。其目的是为了对风力机上的零部件进行强度分析（包括静强度 分析和疲劳强度分析）、动力学计算分析以及寿命计算，确保风力机在其设计的寿命期 内能够正常地运行。该项工作是风力机设计中最为关键的基础性工作。所有后续的风力 机设计工作都是以载荷计算作为基础。3.1叶片载荷

49、类型与来源风力机组承受的载荷比较复杂。风力机所处的环境不同，其载荷也有所不同。3.1.1载荷类型按载荷源分类，有空气动力载荷、重力和惯性载荷，操作和其他载荷。按结构设计要求分类，可大致分为最大极限载荷和疲劳载荷两种类型。按载荷时变特征分类，可以分为平稳载荷、循环载荷、随机载荷、瞬变载荷和共振 激励载荷5类。3.1.2载荷来源风力机载荷源于空气动力、重力和惯性力，也是与风力机运行动作和运行状态有关。 最坏的情形是，这些载荷源同时产生，并产生叠加的效应。当将全部载荷分解到相互独立的各个部件上时，整个风力机的复杂载荷则变得容易 理解。这对空气动力、重力和惯性力引起的应力均适应。气动载荷是由施加于风轮

50、的变 动的流场条件决定的6。3.2叶片设计工况与载荷状况3.2.1设计工况风电机组的设计载荷与其可能经历的内、外部条件密切相关。不同的工况条件对载 荷有很大的影响，在进行设计载荷选择时必须慎重考虑。一般而言，风电机组的主要内、外部工作条件应考虑以下3种设计工况及其组合：（1）正常设计条件和正常外部条件。（2）故障设计条件和正常外部条件。（3）运行、安装和维护设计条件及正常外部条件。如果风电机组可能运行的极端外部条件与故障设计条件之间存在某种联系，在设计 过程中还应考虑有关的载荷状况。3.2.2载荷状况为方便设计工作，针对风电机组可能经历的内、外部条件，表3-1中将设计工况分 为8种，载荷状况（

51、Design Load Case，DLC）按照设计工况给出，同时参照风况，电 网以及其他外部条件的规定。每种设计工况对应几个不同的载荷状况。需要注意的是，为了保证风电机组结构设计的完整性，一般应考虑几种设计载荷情 况进行必要的验证。至少应考虑表3-1所示的设计载荷情况。对于特殊的设计需要时， 应考虑与风电机组安全有关的其他设计载荷情况。对每种设计工况对应的不同的载荷状况，表3-1中分别用F和U规定适用的分析类 型。F表示用于劈来载荷分析和疲劳强度设计；U表示极限载荷分析，如最大强度分析 和稳定性分析等。其中，极限载荷分析U对应的设计工况，还分为正常（N）、非正常 （A）以及运输和吊装（T）3类

52、。预期的正常设计工况（A）通常对应于风电机组产生 严重的故障，对于N、A或T类各种设计工况条件的极限载荷，有关标准均规定了相应 的局部安全系数。针对表3-1给出的风速范围，机械状态设计应考虑导致风电机组最不利状态的风速， 通常可将风速范围分为若干段，对各段对应的风电机组寿命给出适当比例。表3-1的每种载荷状况，分别对应一定的风况条件。表3-1设计工况和载荷状况设计工况DLC风况其他条件分析类型局部安全系数1.1NTM（七 烦 二）极端情况UN发电1.2NTM（七 烦 L）F*1.3ETM(七 七b L)UN2.1NTM(七 vhub vout)控制系统 故障UN发电和故障-2.2NTM(七 V

53、hUb VoUt)保护系统或内部电器故障UA2.3EOG( Vhub= Vr - 2, ot)内、外器故障或脱UA网3.1NWP( v hv f) inhuboutU*起动EOG3.2(v = v , v 土 2, v )k hubr rout )UN4.1NWP( Vn Vhub Vout)F*正常停机4.2EOG(v = v , v 土 2, v )(hubr rout )UNNTW紧急停机5.1(=Vr 士 2, Vout)UN6.1EWM( Vhub = Ve50)UN停机 或空转6.2EWM( Vhub = Ve50)脱离电网连接UA6.3EWM( vhub = ve)极端偏航系统偏

54、航UN停机和故 障7.1EWM( vhub = ve)U运输、安装8.1NTMU和维护、修-理8.2EWM( vhub = Ve)U注：DLC,设计载荷工况；ECD,带风向变化的极端持续阵风模型；EDC,极端风向变化模型；EOG, 极端运行阵风模型；EWM，极端风速模型；EWS，极端风速切变模型；NTM，正常湍流模型；ETM 极端湍流模型；NWP，正常风速廓线模型；F，疲劳；U，极限强度；N，正常状况；A，异常状况; T，运输与安装；*，疲劳局部安全。发电状态风电机组与电网连接，设计载荷要考虑风轮不平衡问题。此外，还需要考虑实际运 行偏离理论最优运行条件的情况，如偏航系统的误差、控制系统故障等

55、。故障状态或脱网状态此设计状态包括在风电机组发电过程中出现脱离电网或由于故障触发的冲击事件。所有对风电机组载荷有明显影响的控制和保护系统故障以及电气故障都应考虑。起动状态此设计状态包括风电机组从静止或空转到发电整个瞬时过程发生载荷的所有事件。应根据控制系统特性对导致载荷变化的事件进行估计。正常停机状态此设计状态包括风电机组从发电状态到风电机组停止或空转整个瞬时过程发生载 荷的所有事件。应根据控制系统特性对导致载荷变化的事件进行估计。事件数量应根据 控制系统特性进行估计。5 .紧急停机状态考虑由于紧急停机产生的载荷。6.停机或空转状态此设计状态针对风电机组处于停机或空转状态，而考虑的极端风速模型

56、条件和正常 湍流条件。3.3叶片载荷分析基本要求3.3.1载荷分析影响因素风电机组载荷的分析过程，针对每种设计载荷状况，除了考虑各种载荷外，还应考 虑以下因素：风电机组自身造成的风场扰动，如尾流、塔影等。三维流动对叶片气动特性的影响。非稳定空气动力学影响。（4）结构动力学与振动模态耦合的影响。（5）控制和保护系统的性能。3.3.2载荷分析要求载荷计算一般采用相关理论模型，借助工具软件进行分析。针对某些载荷状况，需要考虑湍流风输入，并要求载荷数据的总周期足够长，以确 保计算载荷统计数值的可靠性。在许多情况下，风电机组部件一些关键部位的局部应力和应变可能处于瞬时多种载 荷状态，对此情况，需要使用仿

57、真输出的正交载荷时间序列定义设计载荷。采用这种正 交载荷分量的时间序列进行疲劳和极限载荷计算时，应同时保存载荷的幅值和相位分量 9。3.4风力机叶片载荷计算3.4.1坐标系的确定风力机运行在复杂的自然环境中，受到各种复杂的载荷。如果要对风力机各个零部 件进行载荷计算，就必须选择恰当的计算工具。而坐标系是一种很好的辅助工具，在恰 当的坐标系下可以方便快捷的计算。计算风电机组载荷时用到的坐标系有叶片坐标系、 轮毂坐标系、塔架坐标系、风轮坐标系。下面就对载荷计算时风力机中的坐标系进行论 述9,10。1、叶片坐标系ZB：沿叶片轴线方向；XB：垂直于ZB，对于上风向风力机指向塔架，否则方向背离塔架（图中

58、是上风 向情况）；YB：垂直于叶片轴线和主轴轴线，符合右手定则。与旋转方向及风轮上风向或下 风向无关。坐标原点：叶根剖面与叶片轴线的交点。如图3-1所示。2、轮毂坐标系XN：沿着主轴轴线，对于上风向风力机其指向塔架方向，对于下风向风力机，其 背离塔架方向；ZN：垂直于XN，若倾角为零,ZN将竖直向上；YN：水平方向，符合右手定则，与旋转方向及风轮上风向或下风向无关。轮毂旋转参考系：XN：沿着主轴轴线，对于上风向风力机其指向塔架方向，对于下风向风力机，其 背离塔架方向；ZN：垂直于XN，若锥角为零，ZN将与叶片1的轴线方向一致；YN：垂直与XN和YN，符合右手定则，与旋向及风轮所置的上风向或下风

59、向无 关。坐标原点：在轮毂中心（叶片和主轴的交点）。如图3-2所示。图3-2轮毂坐标系3、塔架坐标系XT：指向南方；ZT：垂直于上风向；YT：指向东方；坐标原点：塔架与机舱连接面的中心圆点。如图3-3所示。4、风轮坐标系XR：沿主轴轴线方向，指向塔架；ZR：垂直于XR轴，（如果风轮倾角为0度，则ZR轴与叶片轴线重合）;图3-3塔架坐标系YR：垂直于ZR轴和主轴，按右手定则确定方向。坐标原点：轮毂中心（叶片轴线与主轴轴线交点）。如图3-4所示。建立坐标系的目的主要是为了风力机各个部件在进行载荷计算时简便，当其坐标系 统确定之后就可以在坐标系中对各个部件所受载荷进行确定和计算工作。3.4.2气动力

60、载荷计算风力机最主要的动力来源是作用在风力机叶片上的气动力，风力机叶片上的气动力 载荷主要依据动量理论和叶素理论来进行计算。在叶片坐标系中，气动力载荷计算：1、单位长度翼型截面的气动力： TOC o 1-5 h z q = Fx = 1 pW2CC = 1 pW2（C co& + C sinx）（3-1）xadr2X2LDq = F = 1 pW2CC = 1 pW2（C sin以C cos以）（3-2）yadr2y2LD式中，p 空气密度；W相对速度；C剖面翼型弦长；a 入流角；气、CD 分别为翼型的升力系数和阻力系数。2、气动力剪力：Q = fRq dr（3-3）xa r xaQ = fR