水平軸風力發電機主要載荷的確定方法

李飛飛 嚴 晗 張 巖 孟園園/沈陽華創風能有限公司

水平軸風力發電機主要載荷的確定方法

李飛飛 嚴 晗 張 巖 孟園園/沈陽華創風能有限公司

風力發電機運行在十分復雜的環境下，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計壽命內得以正常運行，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計中最關鍵的基礎性工作，也是風力機設計和分析工作的前提。因此，本文對水平軸風力發電機主要載荷的確定方法做了具體分析。

水平軸；風力發電機；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電機組來說，機艙重量對塔架設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，與功率產生有關，在風力發電機組結構設計中，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。由于部件運動時產生的力，葉片旋轉會產生離心力。葉片旋轉時，進行偏航會產生陀螺力，在偏航速率高時，陀螺力會很大。

（四）控制系統的運行載荷

風力發電機組在運行時，由控制產生的載荷，如剎車、偏航、變距、脫網動作等，都會引起機組結構和部件上的負載變化。

二、水平軸風力發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電機最關鍵的動力來源，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是葉素理論。

在葉片坐標系中，根據葉素理論，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，Cd為阻力系數，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為扭轉中心，并假設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量，ω為葉片旋轉角速度，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。由于風輪旋轉產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平面時，葉片上的離心力在揮舞方向產生的彎矩，可以減小葉片的偏離，這就是離心力剛化葉片效應。

其中，er為葉根坐標系和輪轂坐標系原點的間距。

（二）風力發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，以及偏航時產生的陀螺力矩等。空氣動力產生的軸向推力為：

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。

當葉輪發生偏航運動時，會產生陀螺力矩，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）風力發電機構件載荷的確定

為了確定風力發電機構件的載荷，將風力發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 風力發電機主要載荷在各坐標系的疊加

根據疊加結果分析，可以確定風力發電機構件的載荷，從而為風力發電機及構件的設計、分析奠定堅實的基礎。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，從而為葉片結構設計和動態特性、氣動性能的分析奠定基礎。其次，葉根坐標該坐標系的計算結果，不僅可以用于分析葉根與延長節連接部分的受力情況，還能夠用于輪轂、延長節的設計計算。再次，根據輪轂坐標系的疊加結果，能夠計算輪轂所受的載荷，從而用于傳動系統和偏航系統的設計計算。最后，塔架坐標系的疊加結果，能夠計算塔架、底座的載荷，還可以用于分析塔架結構靜動態特性等。

三、結語

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

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