風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)知識-64幀課件

1、風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)知識主要內(nèi)容：1.概述：2.基本理論 ：動量理論 ；葉素理論 ；動量葉素理論 。3.風(fēng)力機(jī)空氣動力設(shè)計 ：幾何參數(shù) ；空氣動力設(shè)計參數(shù) ；翼型 ；葉片氣動外形設(shè)計。4.風(fēng)力機(jī)性能 ：性能計算方法風(fēng)輪功率特性風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩特性風(fēng)輪軸向力（推力）特性 風(fēng)力機(jī)功率特性5.風(fēng)力機(jī)載荷 風(fēng)力機(jī)載荷情況 風(fēng)力載荷計算6.風(fēng)力機(jī)氣動彈性（后續(xù)）1.概述 風(fēng)能工程是蹤合性很強(qiáng)的技術(shù)科學(xué)，涉及到氣象學(xué)、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、機(jī)械學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、材料工程、機(jī)電工程和環(huán)境科等學(xué)多學(xué)科和多專業(yè)，其中空氣動力性則是關(guān)鍵的學(xué)科這之一。 一個空氣動力性能好的風(fēng)力機(jī)不但具有較高的功率系數(shù)，較好的經(jīng)濟(jì)效益

2、，使用安全可靠方面以及減少環(huán)境噪聲各方面都有良好的技術(shù)效果和社會效益。 風(fēng)力機(jī)是風(fēng)能工程中的核心裝備，其中風(fēng)輪是關(guān)鍵部件。在風(fēng)的作用下形成空氣動力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將空氣動力轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過傳動系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。 因此，風(fēng)能工程中的空氣動力問題主要是風(fēng)輪葉片的空氣動力問題。 風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)涉及的主要內(nèi)容包括：空氣動力模型、翼型空氣動力特性、葉片空氣動力設(shè)計、風(fēng)輪性能計算、風(fēng)力機(jī)空氣動力載荷計算、風(fēng)力機(jī)氣動彈性穩(wěn)定性和動力響應(yīng)、風(fēng)力機(jī)空氣動力噪聲和風(fēng)力機(jī)在風(fēng)電場中的布置等。研究風(fēng)能工程中的空氣動力問題方法有：理論計算、風(fēng)洞試驗、風(fēng)場測試。 理論計算是將空氣動力性的基本理論用于建立

3、風(fēng)力機(jī)的空氣動力模型，研究風(fēng)力機(jī)的空氣動力特性。由于風(fēng)力機(jī)的空氣動力學(xué)問題比較復(fù)雜，目前理論計算還有一定的局限性，還需通過風(fēng)洞試驗和風(fēng)場測試的方法來補(bǔ)充和完善。2.基本理論 風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)問題的描述、解析和求解的理論有：動量理論、葉素理論、動量葉素理論和渦流理論。2.1動量理論 動量理論用來描述作用在風(fēng)輪上的力與來流速度之間的關(guān)系，計算出風(fēng)輪能從風(fēng)的動能中轉(zhuǎn)換成多少機(jī)械能。 2.2葉素理論 葉素理論的基本出發(fā)點是將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段，稱這些微段為葉素。假設(shè)在每個葉素上的流動互相之間沒有干擾，即葉素可以看成是二維翼型，將作用在每個葉素上的力和力矩沿展向積分，就可以求得作用在風(fēng)輪上的力和

4、力矩。 對每個葉素來說，其速度可以分解為垂直于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的分量Vx0和平行于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的分量Vy0，速度三角形和空氣動力分量如圖2-1所示。 圖中：角為入流角，為迎角，為葉片在葉素處的幾何扭角。圖2-1 葉素上的氣流速度三角形和空氣動力分量 合成氣流速度V0引起的作用在長度為dr葉素上的空氣動力dFa可以分解為法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分別表示為： 式中 ：V0合成氣流速度； 空氣密度； c葉素剖面弦長 Cn、Ct分別表示法向力系數(shù)和切向力系數(shù)這時，作用在風(fēng)輪平面dr圓環(huán)上的軸向力（推力）可表示為 式中B葉片數(shù)。 作用在風(fēng)輪平面dr圓環(huán)上的轉(zhuǎn)矩為2.3動量葉素理論 動量葉

5、素理論主要通過動量理論和經(jīng)典翼型理論以及一些必要合理的假設(shè)，得到葉素（小的葉片段）位置的誘導(dǎo)速度。通過迭代方法求的軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b，迭代步驟如下： （1）假設(shè)a和b的初值，一般可取0； （2）計算入流角 （3）計算迎角 （4）根據(jù)翼型空氣動力特性得到葉素的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd； （5）計算法向力系數(shù)Cn和切向力系數(shù)Ct （6）計算新的a和b值 （7）比較計算的a和b值與上一次的a和b值，如果誤差小于設(shè)定的誤差值（一般可取0.0001），則迭代終止；否則，再回到（2）繼續(xù)迭代。需要指出的是：當(dāng)風(fēng)輪進(jìn)入渦環(huán)狀態(tài)時，還要用經(jīng)驗公式對動量葉素理論進(jìn)行修正。 迭代求的a和b值后，根據(jù)

6、葉素理論可以積分求得風(fēng)輪主軸與力與力矩，進(jìn)而求得風(fēng)能利用系數(shù)等參數(shù)。3.風(fēng)力機(jī)空氣動力設(shè)計3.1風(fēng)力機(jī)幾何參數(shù) 1.葉片幾何參數(shù) 1）葉片長度：葉片展向的最大長度，用L表示。 2）葉片弦長：葉片各剖面處翼型的弦長，用c表示。葉片弦長沿展向變化，葉片根部剖面的翼弦稱翼根弦，用cr表示，葉片梢部剖面的翼弦稱翼稍弦，用ct表示。 3）葉片面積：是葉片無扭角時在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上的投影面積，用Ab表示。 4）葉片平均幾何弦長：是葉片面積Ab與葉片長度的比值，用C表示，C=Ab/L 5）葉片扭角：用表示，它是葉尖槳距角為零的情況下，葉片各剖面的翼弦與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角。 6）葉片轉(zhuǎn)軸(機(jī)械回轉(zhuǎn)軸) 7）

7、葉片槳距角：葉片尖部剖面翼弦與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角。 2.風(fēng)輪幾何參數(shù) 1）風(fēng)輪葉片數(shù)：組成風(fēng)輪的葉片的個數(shù)，用B表示。 2）風(fēng)輪直徑：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時風(fēng)輪外圓直徑，用D表示。 3）風(fēng)輪面積：通常指風(fēng)輪掃掠面積，用A表示。 A=D2/4 4）風(fēng)輪錐角：葉片與旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面的夾角，用表示。錐角的作用是當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時葉片離心力會產(chǎn)生與方向相反的分力，以此抵消風(fēng)壓力對葉片的彎曲載荷，減少葉片根部的彎應(yīng)力。 5）風(fēng)輪仰角：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與水平面的夾角，用表示。仰角的作用是防止葉片梢部與塔架碰撞。 6）風(fēng)輪偏航角：來流速度矢；在水平面上的分量與通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸的鉛垂面的夾角，用表示。 7）風(fēng)輪實度：風(fēng)輪葉片總面積

8、與風(fēng)輪掃掠面積的比值，用表示，=BAb/A。 8）風(fēng)輪高度：風(fēng)輪輪轂中心的離地高度，用Hh表示。3.2風(fēng)力機(jī)空氣動力設(shè)計參數(shù) 1.葉片數(shù) 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪葉片一般是2片或3片，其中3片占多數(shù)。 當(dāng)風(fēng)輪直徑和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度相同時，對剛性輪轂來說，作用在兩葉片風(fēng)輪的脈動載荷要大于三葉片風(fēng)輪。另外，實際運行時，兩葉片風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度要大于三葉片風(fēng)輪，因此，在相同風(fēng)輪直徑時，由于作用在風(fēng)輪上的脈動載荷引起的風(fēng)輪軸向力（推力）的周期變化要大一些。 2.風(fēng)輪直徑 風(fēng)輪直徑?jīng)Q定于風(fēng)力機(jī)的額定功率，還與風(fēng)力機(jī)運行地區(qū)的海拔高度、風(fēng)輪功率系數(shù)、傳動系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)的效率等因素有關(guān)。風(fēng)力機(jī)設(shè)計時，通過計算選定一個

9、風(fēng)輪直徑。 式中P風(fēng)力機(jī)輸出功率 空氣密度，一般取1.225kg/m3 Vr風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速 D風(fēng)輪直徑 CP風(fēng)輪功率系數(shù)，一般取0.4-0.45； 1傳動系統(tǒng)效率，齒輪箱取0.9-0.92 2發(fā)電機(jī)效率，直驅(qū)永磁電機(jī)取0.7-0.9 3.額定風(fēng)速 風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)運行地區(qū)的年平均風(fēng)速和風(fēng)速分布狀況直接相關(guān)，一般其額定風(fēng)速與年平均風(fēng)速之比為2.0以上。 4.葉尖速比 葉尖速比是風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計時的重要參數(shù)，葉尖速比不僅影響葉片空氣動力性能，而且還和風(fēng)力機(jī)其他特性有關(guān)。 一般，兩葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖速比在9-10之間，三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪葉尖速比在6-8之間。 5.風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 當(dāng)風(fēng)力機(jī)額定

10、功率和風(fēng)輪直徑確定后，增加風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，可以減小風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，即減少作用在風(fēng)力機(jī)傳動系統(tǒng)上的載荷和降低齒輪箱的增速比。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加后，在額定風(fēng)速相同時，葉片的弦長可以減小，使葉片揮舞力矩的脈動值減小，有利于葉片的疲勞特性和機(jī)艙塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 6.塔架高度 塔架高度是風(fēng)力機(jī)設(shè)計時要考慮的一個重要參數(shù)。一般，H/D=0.81.2。 3.3風(fēng)力機(jī)翼型 1.風(fēng)力機(jī)翼型 長期來，風(fēng)力機(jī)翼型主要選自航空翼型，如NACA44系列、NACA63-2系列翼型等。專門的風(fēng)力機(jī)翼型有美國的NREL S系列、瑞典的FFA-W系列和荷蘭的DU系列。 風(fēng)力機(jī)和航空翼型在運行環(huán)境、載荷和結(jié)構(gòu)有下列不同： （1）風(fēng)力機(jī)葉片是在相對

11、較低的雷諾數(shù)下運行，翼型邊界層的特性發(fā)生變化； （2）風(fēng)力機(jī)葉片在大入流角（迎角大）下運行，這時翼型的深失速特性顯得十分重要； （3）風(fēng)力機(jī)做偏航運動時，葉片各剖面處的入流角（迎角大）呈周期性變化，需要考慮翼型的動態(tài)失速特性； （4）風(fēng)力機(jī)葉片在大氣近地層運行，沙塵、碎石、雨滴、油污等會使葉片表面的粗糙度增加，影響翼型空氣動力特性； （5）從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度考慮，風(fēng)力機(jī)翼型的相對厚度大。 2.翼型幾何參數(shù) 中弧線、前緣、前緣半徑、后緣、后緣角、后緣厚度、弦長、厚度、彎度 1）中弧線：垂直于弦線度量的上、下表面間距離的中點連接線。 2）前緣：中弦線的最前點。 3）前緣半徑：翼型前緣處內(nèi)切圓的半徑。

12、 4）后緣：中弦線的最后點。 5）后緣角 6）后緣厚度 7）弦長：翼型前后緣之間的連線，弦線的長度稱為翼型弦長。 8）厚度：垂直于弦線度量上、下表面間的距離為翼型的厚度。最大厚度與弦長的比值稱為相對厚度。 9）彎度：中弧線到弦線的最大距離，彎度與弦長的比值稱為相對彎度。 3.翼型空氣動力特性 翼型空氣動力特性包括升力、阻力、俯仰力矩、氣動中心（焦點）和壓力中心位置等。 1）升力特性： 翼型升力特性通常用翼型升力系數(shù)Cl隨迎角變化的曲線來表示，按迎角大小一般可以劃分為附著流區(qū)、失速區(qū)和深失速區(qū)三個流動區(qū)。隨著流區(qū)的迎角范圍約從-10至10；失速區(qū)的迎角范圍約從10至30；深失速區(qū)的迎角范圍約從3

13、0至90。 當(dāng)迎角增加到10左右時，氣流開始分離，升力系數(shù)隨迎角的增加開始變得緩慢，并逐漸下降。在失速區(qū)，翼型上出現(xiàn)的氣流分離有四種類型，即薄翼型分離、前緣分離、后緣分離和混合分離。薄翼分離通常出現(xiàn)在相對厚度=6%的薄翼型上，薄翼型的前緣半徑很小。圖3-2 翼型在不同分離形式時的升力曲線(a)后緣分離；(b)前緣分離；(c)薄翼分離。 在迎角不大時，前緣就發(fā)生層流分離，然后轉(zhuǎn)捩為湍流后再附著于翼型表面，在分離點與再附著點之間形成氣泡，隨著迎角的增加，向后緣迅速擴(kuò)展，到一定迎角時，變成完全分離。 圖3-2給出了翼型在不同分離形式時的升力特性。前緣分離、后緣分離、薄翼分離如圖所示。 需要指出的是：

14、翼型邊界層的分離一旦引起翼型失速后，即使馬上回復(fù)到失速前的迎角，翼型邊界層也不會馬山再附，恢復(fù)到分離前的流動狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為流動遲滯現(xiàn)象。 （2）阻力特性 翼型的阻力特性可以用翼型阻力系數(shù)Cd隨迎角變化的阻力曲線來表示，也可以用翼型阻力系數(shù)隨翼型的升力系數(shù)變化的極曲線來表示。在附著區(qū)，翼型阻力主要是摩擦阻力，阻力系數(shù)隨迎角增加緩慢增大；氣流發(fā)生分離后，翼型阻力主要是壓差阻力，阻力系數(shù)隨迎角增加迅速增大。如圖3-3為Cl、Cd及升阻比曲線圖。 圖3-3 NREL S系列翼型的空氣動力特性（b）升力特性和阻力特性； （c）升阻比特性 3.翼型表面粗糙度對升力特性的影響，有經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯示，前緣粗糙可

15、使原本升力為1.2的翼型降為0.60.7。如圖3-4，表面粗糙度對翼型空氣動力特性的影響。圖3-4 表面粗糙度對翼型空氣動力特性的影響 4.雷諾數(shù)對翼型空氣空力特性影響 雷諾數(shù)的大小影響流動分離，從而改變翼型的空氣動力特性。當(dāng)雷諾數(shù)較小時，前緣分離氣泡的存在、發(fā)展和破裂對雷諾數(shù)非常敏感；當(dāng)雷諾數(shù)較大時，翼型最大升力系數(shù)也相應(yīng)增大。3.4風(fēng)力機(jī)葉片氣動外形設(shè)計 風(fēng)力機(jī)葉片氣動外形設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)風(fēng)力機(jī)總體設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，確定風(fēng)力機(jī)葉片的幾何外形，包括葉片扭角、弦長和相對厚度沿展向的分布。對于變槳距葉片還要給出槳距中心位置和槳距角隨風(fēng)速變化的規(guī)律。 1.設(shè)計參數(shù) 風(fēng)力機(jī)型式（上風(fēng)向或下風(fēng)向，定槳距或

16、變槳距）；葉片數(shù)；額定風(fēng)速；額定功率；切入風(fēng)速；切除風(fēng)速；風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；風(fēng)輪直徑；風(fēng)輪傾角；葉片錐角；風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向；輪轂直徑；輪轂高度；輪轂與葉片連接處至輪轂中心的距離；風(fēng)輪功率系數(shù)；發(fā)電機(jī)效率；傳動系統(tǒng)效率等。 2.翼型選擇和分布 翼型選擇 目前用與風(fēng)力機(jī)葉片的翼型有兩類：一類是航空翼型；另一類是風(fēng)力機(jī)翼型。 根據(jù)風(fēng)力機(jī)性能的需要，風(fēng)力機(jī)翼型一般應(yīng)要求在分離區(qū)內(nèi)有穩(wěn)定的最大升力系數(shù)，有很大的升阻比，表面粗糙度對翼型空氣動力特性影響小等特性。 專門風(fēng)力機(jī)翼型：美國NREL S系列、瑞典FFA-W系列、荷蘭DU系列等。 2.設(shè)計方法 目前主要采用動量葉素理論對風(fēng)力機(jī)葉片氣動外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 （1）

17、設(shè)計變量 風(fēng)力機(jī)葉片氣動外形設(shè)計變量為葉片展向變化的剖面弦長c、相對厚度t和幾何扭角。 （2）目標(biāo)函數(shù) 對定槳距風(fēng)力機(jī)，一般選用失速特性較平穩(wěn)的翼型來控制高風(fēng)速時的輸出功率，為此，采用給定風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑和轉(zhuǎn)速，且葉尖槳距角為零度時的風(fēng)力機(jī)年平均輸出功率作為設(shè)計目標(biāo)。 對變槳距風(fēng)力機(jī)，一般在風(fēng)力機(jī)輸出功率超過額定功率時，通過改變槳距角使輸出功率等于額定功率，為此，采用給定風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑和轉(zhuǎn)速，且葉尖槳距角為零度、風(fēng)速為設(shè)計風(fēng)速時的風(fēng)輪功率系數(shù)作為設(shè)計目標(biāo)。 對變槳距風(fēng)力機(jī)，一般在風(fēng)力機(jī)輸出功率超過額定功率時，通過改變槳距角使輸出功率等于額定功率，為此，采用給定風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑和轉(zhuǎn)速，且葉尖槳距角為

18、零度、風(fēng)速為設(shè)計風(fēng)速時的風(fēng)輪功率系數(shù)作為設(shè)計目標(biāo)。 3）約束條件 風(fēng)力機(jī)葉片氣動外形設(shè)計時，約束條件包括結(jié)構(gòu)約束和性能約束。 結(jié)構(gòu)約束包括：對葉片局部幾何參數(shù)的約束；對葉片沿展向幾個控制剖面處的幾何參數(shù)如弦長、厚度和扭角，可參照同類產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，給出限制值。 性能約束包括：在額定風(fēng)速時達(dá)到額定功率；對定槳距風(fēng)力機(jī)，要求在所有情況下，風(fēng)力機(jī)輸出功率不能大于最大功率等。4.風(fēng)力機(jī)性能 風(fēng)力機(jī)性能主要包括功率特性、轉(zhuǎn)矩特性和軸向力（推力）特性。 4.1性能計算方法 通過積分求出作用在風(fēng)輪上的軸向力（推力）T、轉(zhuǎn)矩M和軸功率P，分別為 式中 B葉片數(shù)； R風(fēng)輪半徑；空氣密度； V0合成氣流速度；

19、 c葉片剖面弦長；Cn、Ct法向力系數(shù)、切向力系數(shù)。 一般，風(fēng)力機(jī)性能用風(fēng)輪功率系數(shù)CP、風(fēng)輪軸向力（推力）系數(shù)CT和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)CM給出： 式中A風(fēng)輪掃掠面積 R風(fēng)輪半徑 V來流風(fēng)速 4.2 風(fēng)輪功率特性 風(fēng)輪功率特性是評估風(fēng)輪性能的重要指標(biāo)，直接影響風(fēng)力機(jī)的輸出功率大小。風(fēng)輪功率特性一般用風(fēng)輪功率系數(shù)隨葉尖速比的變化曲線（CP-曲線）表示。如圖4-1為FX77/79的CP-曲線，圖4-2為FX77/79在槳距角為零的情況下的CT-曲線。圖4-1 風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)曲線 圖4-2 風(fēng)輪推力系數(shù)曲線 1.風(fēng)輪實度影響 圖4-3給出了不同風(fēng)輪實度下的風(fēng)輪功率系數(shù)曲線，由圖可知：風(fēng)輪實度低（葉片較少

20、）時，在一個很寬的葉尖速比范圍內(nèi)保持高的風(fēng)輪功率系數(shù)CP值，但最大功率系數(shù)CPmax值較?。伙L(fēng)輪實度高（葉片數(shù)較多）時，高的風(fēng)輪功率系數(shù)CP值只能在一個較窄的范圍內(nèi)保持，隨著實度的增加，對應(yīng)風(fēng)輪最大功率系數(shù)CPmax值減??；最佳的風(fēng)輪實度是兩葉片或三葉片風(fēng)輪。圖4-3 不同風(fēng)輪實度時的風(fēng)輪功率系數(shù) 2）風(fēng)輪偏航角影響 圖4-4給出了不同風(fēng)輪偏航角（風(fēng)向角）下的風(fēng)輪功率系數(shù)曲線，當(dāng)偏航角在15時，風(fēng)輪功率系數(shù)約減小10%。偏航角越大，風(fēng)輪功率系數(shù)減小越多，一般水平軸風(fēng)力機(jī)都配置調(diào)向機(jī)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)向有較大變化時進(jìn)行調(diào)向。 在小型風(fēng)力機(jī)上，也可以采用偏轉(zhuǎn)風(fēng)輪的方法來限制功率輸出。偏轉(zhuǎn)風(fēng)輪有兩種方法，一種

21、是在垂直方向上偏轉(zhuǎn)（上仰）風(fēng)輪，另一種則在水平方向上偏轉(zhuǎn)（偏航）風(fēng)輪。圖4-4 不同風(fēng)輪偏航角時的風(fēng)輪功率系數(shù) 3）葉片槳距角（安裝角）影響 圖4-5給出了不同葉片槳距角下的風(fēng)輪功率系數(shù)曲線，由圖可知：不同葉片槳距角時，風(fēng)輪功率系數(shù)發(fā)生變化，因此，可以通過變槳距的方式來調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)功率輸出特性。圖4-5 不同葉片槳距角時的風(fēng)輪功率系數(shù) 3.風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩特性 一般用風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨葉尖速比的變化曲線（CM-）來表示，并隨風(fēng)輪實度（葉片數(shù)）、風(fēng)輪偏航角（風(fēng)向角）和葉片槳距角（安裝角）等變化而變化。 由圖4-6可知：隨風(fēng)輪實度的增加，風(fēng)輪最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)增加，最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)所對應(yīng)的葉尖速比減小。圖4-6 不同風(fēng)輪

22、實度時的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)圖4-7 不同風(fēng)輪偏航角時的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)圖4-8 不同葉片槳距角時的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù) 4.風(fēng)輪軸向力（推力）特性 風(fēng)輪軸向力（推力）特性一般用風(fēng)輪軸向力（推力）系數(shù)隨葉尖速比的變化曲線（CT-）表示，它也隨隨風(fēng)輪實度（葉片數(shù)）、風(fēng)輪偏航角（風(fēng)向角）和葉片槳距角（安裝角）等變化而變化。4-9 不同風(fēng)輪實度時的風(fēng)輪軸向力（推力系數(shù)）4-10 不同風(fēng)輪偏航角時的風(fēng)輪軸向力（推力系數(shù)）4-11 不同葉片槳距角時的風(fēng)輪軸向力（推力）系數(shù) 4.5 風(fēng)力機(jī)功率特性 風(fēng)力機(jī)功率特性一般用風(fēng)力機(jī)輸出功率隨風(fēng)速的變化曲線（P-V）和風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)隨風(fēng)速的變化曲線（CP-V）來表示。 1.失速型風(fēng)力

23、發(fā)電機(jī)組的功率特性 失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是通過風(fēng)輪葉片失速來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)時的功率輸出，以及通過葉尖擾流器來實現(xiàn)極端情況下的安全停機(jī)問題。 失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪葉片通過選擇失速性能良好的翼型和合理的葉片扭角隨展向的分布使葉片在風(fēng)速大于額定風(fēng)速后，在其根部開始進(jìn)入失速，并隨風(fēng)速增加逐漸向葉尖處擴(kuò)展，使功率減少。 在高風(fēng)速時，通過打開葉尖擾流器或讓葉尖端部轉(zhuǎn)動一個角度使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組迅速制動。 2.變速恒頻型風(fēng)電力發(fā)電機(jī)組的功率特性 其風(fēng)輪葉片槳距角可以調(diào)節(jié)，同時發(fā)電機(jī)可以變速，并輸出恒頻恒壓電能。在低于額定風(fēng)速時，通過改變轉(zhuǎn)速和葉片槳距角使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在最佳葉尖速比下運行，輸出最大的功率；

24、而在高于額定風(fēng)速時，可以通過改變?nèi)~片槳距角使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出穩(wěn)定在額定功率，如圖4-12所示。 圖4-13是變槳距調(diào)節(jié)功率時，葉片槳距角和轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化曲線：當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，變速恒頻型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)輪葉片的入流角向小的方向，即使槳距角變大來調(diào)節(jié)，以減少功率輸出；在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，為了減少變槳距調(diào)節(jié)的頻度，一般可采取不變槳距的控制策略。圖4-12 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特性圖4-13變速恒頻型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳距角調(diào)節(jié)曲線和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線 3）主動失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特性 主動失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片是變槳距的，在低于額定風(fēng)速時通過變槳距角使其功率輸出增加；在高于額定風(fēng)速

25、時通過變槳距角是功率輸出保持恒值。 圖4-14和圖4-15分別給出了主動失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特性曲線和相對應(yīng)的槳距角調(diào)節(jié)曲線。由圖4-15可知：它和變速恒頻型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，槳距角向負(fù)的方向調(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)的范圍也很小。圖4-14 主動失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特性圖4-15 主動失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片槳距角的調(diào)節(jié)曲線5.風(fēng)力機(jī)載荷 5.1風(fēng)力機(jī)載荷情況 風(fēng)力機(jī)載荷是風(fēng)力機(jī)設(shè)計和風(fēng)力機(jī)認(rèn)證時的重要依據(jù)，用于對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。目前，國際上有很多規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)力機(jī)載荷做了詳細(xì)的規(guī)定。其中應(yīng)用最廣的是IEC61400-2標(biāo)準(zhǔn)。 1.載荷分類 作用在風(fēng)力機(jī)上的載

26、荷主要包括： （1）空氣動力載荷； （2）重力載荷； （3）慣性載荷，包括離心力和科氏力等； （4）操縱載荷； （5）其他載荷，如結(jié)冰載荷 根據(jù)載荷的性質(zhì)，在風(fēng)力機(jī)上的載荷可分為靜載荷、定常載荷、周期載荷、瞬態(tài)載荷、脈沖載荷、隨機(jī)載荷和諧振載荷等。 2.載荷情況 由不同的外部條件與風(fēng)力機(jī)工作狀態(tài)組合而成，主要包括：正常外部條件與風(fēng)力機(jī)正常工作狀態(tài)組合；正常外部條件與風(fēng)力機(jī)故障工作狀態(tài)組合；極端外部條件與風(fēng)力機(jī)正常工作狀態(tài)組合。 根據(jù)IEC61400-2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，載荷情況如表5-1所列。 表51載荷情況 3.安全系數(shù) 風(fēng)力機(jī)設(shè)計時，需要提供的是設(shè)計載荷Fd，它和實際載荷Fr的關(guān)系為： 式中rf

27、載荷局部安全系數(shù) 如圖5-2所示： 表52 載荷局部安全系數(shù)5.2風(fēng)力載荷計算5.2.1風(fēng)力機(jī)載荷特性 1.葉片上的載荷 （1）空氣動力載荷 作用在葉片上的包括擺振方向的剪力Qyb和彎矩Mxb、揮舞方向的剪力Qxb和彎矩Myb以及變槳距時，與變槳距力矩平衡的葉片俯仰力矩Mzb。葉片上的空氣動力載荷可根據(jù)2.2節(jié)中的動量葉素理論計算，計算時先求出軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b，再求得葉素上的氣流速度三角形以及作用在葉素上的法向力dFn和切向力dFt，（圖2-1）然后通過積分求出作用在葉片上的空氣動力載荷Qxb，Qyb，Mxb和Myb。式中R風(fēng)輪半徑； r0輪轂半徑。 一般翼型空氣動力數(shù)據(jù)都是相對

28、于翼型1/4弦線位置，因此，其俯仰力矩可表示為 ：式中Cm翼型俯仰力矩系數(shù)。 圖2-1葉素上的氣流速度三角形和空氣動力分量 （2）重力載荷 作用在葉片上的重力載荷對葉片產(chǎn)生擺振方向的彎矩，它隨著葉片方位角的變化呈現(xiàn)周期的變化，是葉片的主要疲勞載荷。 葉片上每個葉素有一個集中質(zhì)量mi，則由它產(chǎn)生的重力矩Mxg為： （3）慣性載荷 葉片上的慣性載荷包括離心力和科氏力。 離心力 由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的作用在葉片上的離心力總是沿葉片向外的。當(dāng)由于作用在葉片上的揮舞方向彎矩使柔性葉片偏離風(fēng)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，稱之為離心力剛化葉片效應(yīng)。 在葉片上由離心力產(chǎn)生的

29、揮舞彎矩Myc可表示為 式中 第i段葉素偏離風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的距離。 科氏力 當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并同時作偏航運動時，葉片上產(chǎn)生垂直于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上的科氏力載荷。設(shè)風(fēng)輪順時針旋轉(zhuǎn)速度為（rad/s），偏航順時針旋轉(zhuǎn)速度為（rad/s），則由科氏力產(chǎn)生的葉片揮舞彎矩Myk可表示為 式中Ib葉片相對于葉根的慣性矩； 葉片方位角。（4）操縱載荷 作用在風(fēng)力機(jī)上的操縱載荷是由于風(fēng)力機(jī)操縱時，對其部件施加的附加載荷，并由該載荷引起風(fēng)力機(jī)部件加速度響應(yīng)而誘導(dǎo)產(chǎn)生的慣性載荷。葉片上的操縱載荷主要是在氣動剎車或變槳距時產(chǎn)生的。 2.輪轂上的載荷 作用在輪轂（風(fēng)輪）上的載荷包括轉(zhuǎn)矩、軸向力、偏航力矩和俯仰力矩。一般，大型風(fēng)力

30、發(fā)電機(jī)組輪轂都是安置在整流罩內(nèi)，因此，作用在輪轂上的載荷主要是由葉片的載荷傳遞到輪轂上。 作用在輪轂（風(fēng)輪）上的轉(zhuǎn)矩是風(fēng)輪軸功率的來源，它由葉片擺振力矩Mxb合成產(chǎn)生，與葉片揮舞力矩一樣隨葉片的方位角變化，如圖5-1所示。失速型風(fēng)力機(jī)和變速恒頻型風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速變化情況不同：在高風(fēng)速區(qū)，失速型風(fēng)力機(jī)靠葉片失速來控制轉(zhuǎn)矩增加；而變速恒頻風(fēng)力機(jī)靠變化葉片槳距角來控制轉(zhuǎn)矩，使得其轉(zhuǎn)矩變化比失速型風(fēng)力機(jī)更平坦，如圖5-2所示。圖5-2 風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速的變化情況（a）300KW失速型風(fēng)力機(jī)；（b）1500KW便速恒頻型風(fēng)力機(jī)圖5-1 風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨葉片方位角的變化 作用在輪轂（風(fēng)輪）上的軸向力（推力）主要由葉片揮舞方向剪力Fxb合成產(chǎn)生。由于風(fēng)剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)等影響，風(fēng)輪軸向力（推力）隨葉片方位角變化，如圖5-3所示。失速型風(fēng)力機(jī)和變速恒頻型風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪推力隨風(fēng)速增大而增大；而變速恒頻風(fēng)力機(jī)則由于葉片槳距角的變化，使風(fēng)輪推力隨風(fēng)速增大而減小，如圖5-4所示。 圖5-4 風(fēng)輪軸向力隨風(fēng)速的變化情況（a）300KW失速型風(fēng)力機(jī)；（b）1500KW變速恒頻型風(fēng)力機(jī)。圖5-3 風(fēng)輪軸向力隨葉片方位角的變化 作用在輪轂（風(fēng)輪）上的偏航力矩和俯仰力矩是由于風(fēng)力機(jī)運行時風(fēng)輪葉片不對稱，葉片在不同方位角時受到不均勻的載荷以及風(fēng)輪偏航運動和風(fēng)輪傾角等影響而產(chǎn)生的。