风力机理论与设计 第4章 风力机的载荷分析.ppt

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1、第四章风力机的载荷分析【本章教学目标】掌握熟悉风力发电机的水平轴与垂直轴叶片的结构与特点；掌握根据翼型的来流速度的大小及风力发电机所受到的空气动力载荷、离心力载荷、重力载荷计算方法；了解轴向推力和俯仰力矩的计算。4.1概述风力发电机运行在复杂的自然环境中，所受载荷情况也非常复杂，主要包括空气动力载荷、重力载荷和惯性载荷。风力机设计寿命通常为20年，也就是说必须保证风力机安全可靠运行20年，它必须承担设计寿命内由交变应力产生的载荷以及可能产生的破坏。4.2叶片的结构4.2.1水平轴风力机叶片结构与特点风轮上的叶片径向安置

2、，与旋转轴相垂直，并与风轮的选择平面成一角度（安装角）。风轮叶片数目的多少视风力机的用途而定，用于风力发电的风力机叶片数一般为1-4片（多数为3片或2片），而用于风力提水的风力机一般取叶片数为12-24片，风力机的风轮的转速与叶片的多少有关。叶片越多，转得越慢。图4.1水平轴风力机4.2.2垂直轴风力机叶片结构与特点垂直轴风力机是所有风力机的先驱，其风轮围绕一个垂直轴旋转。垂直轴风力机主要优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，使它们的结构设计简化。垂直轴风力机的另一个优点是齿轮

3、箱和发电机可以安装在地面上，这对于机器维修和维护变得简单而便利。但垂直轴风力发电机的效率一般较低。垂直轴风力机可分为两个主要类别：一类是利用空气动力的阻力作功，典型的结构是S型风轮，这种风轮是芬兰工程师SigurtSavonius在1924年发明的另一类是利用翼型的升力作功，最典型的是达里厄型风力机，是法国学者达里厄发明并于1931年获得专利。图4.2垂直轴风力机4.3风轮的气动载荷分析与计4.3.1翼型的来流速度叶片的旋转作用使得叶片实际来流发生变化，这一影响的强弱用速度诱导因子来表示，如图4.3所示。图4.3旋转条

4、件下速度合成图4.4叶素受力分析以及叶片坐标系4.3.2空气动力载荷风力机叶片的载荷情况复杂，在对其载荷分析过程中，往往需要建立合适的坐标系以便开展分析计算工作。4.3.3离心力载荷离心力是叶片旋转时产生的一种质量力，它的方向是从旋转轴向外，而同时又垂直于旋转轴。离心力可以分解成纵向分力和横向分力。4.3.3.1单位长度离心力4.3.3.2离心拉力4.3.3.3离心剪力4.3.3.4离心力弯矩4.3.3.5离心力转矩4.3.3.6除此之外，还有其他因素对离心力载荷产生影响4.3.4重力载荷重力方向垂直指向地面，其大小与

5、叶片材料的密度属性有关系。下面以T标识重力载荷。4.3.4.1单位长度重力4.3.4.2重力所产生拉（压）力4.3.4.3重力剪力4.3.4.4重力弯矩4.3.4.5重力扭矩4.4作用在整个风力机上的力4.4.1轴向推力4.4.2俯仰力矩4.5载荷情况4.5.1基于IEC的载荷情况分析4.5.1.1根据IEC61400-1[2]标准，分析载荷情况4.5.1.2根据JB/T10194-2000标准，分析载荷情况