二、葉片的空氣動力特性

1.葉片上的載荷特性

風力發(fā)電機組上的周期性載荷主要分為空氣動力載荷、重力載荷、慣性載荷（包括離心力和回轉(zhuǎn)應(yīng)力）、操縱載荷和其他載荷（如溫度載荷和結(jié)冰載荷等）。

葉片上所受的載荷如圖1-13所示。

（1）葉片的基本載荷

葉片的受力主要有三種：空氣動力、離心力和重力。

①空氣動力載荷　空氣動力載荷是風力發(fā)電機組最主要的動力來源，其中葉片是最主要的承載部件，它使葉片承受彎曲和扭轉(zhuǎn)力，主要依據(jù)葉素理論和動量理論進行計算。

載荷的大小與風輪直徑、葉根半徑、葉片上單位長度翼型截面的風力（相對風速）、空氣密度等正相關(guān)，也與所選翼型有關(guān)。

②離心力載荷　離心力載荷使葉片受到拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)力。它自旋轉(zhuǎn)中心沿半徑向外作用在翼剖面的重心上，與重力載荷相互作用，會給葉片帶來很大的作用力。

載荷的大小與葉片的密度、風輪角速度、葉片截面積、風輪旋轉(zhuǎn)半徑正相關(guān)。

③重力載荷　重力載荷對葉片產(chǎn)生擺振方向的彎矩，使葉片承受拉壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)力，是葉片的主要疲勞載荷，主要有重力拉壓力、重力剪力和重力彎矩、重力扭矩。

（2）葉片的動態(tài)載荷

葉片在空氣動力、重力和離心力作用下，會產(chǎn)生振動。主要振動形式有：

①揮舞　葉片在垂直與旋轉(zhuǎn)平面方向上的彎曲振動；

②擺振　葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲振動；

③扭轉(zhuǎn)　葉片繞其變距軸的扭轉(zhuǎn)振動。

這三種機械振動和空氣動力交織作用，形成氣動彈性問題。如果這種相互作用是減弱的，則振動穩(wěn)定，否則會出現(xiàn)顫振和發(fā)散。這種不穩(wěn)定運動的破壞力極強。

葉片動態(tài)分析最重要的是頻率計算，葉片固有頻率須離開共振頻率一定距離。共振安全率為葉片固有頻率離開共振頻率的距離（%）。

由于發(fā)電機轉(zhuǎn)速有一定的波動，故要求葉片的固有頻率避開共振頻率的范圍應(yīng)該大一些。

（3）屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象

大型風電葉片采用中空結(jié)構(gòu)形式，在彎曲氣動載荷作用下，葉片局部受壓區(qū)域可能由于剛度下降而發(fā)生突然損壞。

葉片后緣空腔較寬，易發(fā)生失穩(wěn)。

（4）葉片強度

葉片的強度分為疲勞強度和破壞強度。

2.風力發(fā)電機組的主要特性系數(shù)

除在第二節(jié)中已經(jīng)講述的風力發(fā)電機組的主要參數(shù)——風能利用系數(shù)、葉尖速比外，風力發(fā)電機組的主要特性參數(shù)還有轉(zhuǎn)矩系數(shù)C_T、推力系數(shù)C_F、功率調(diào)節(jié)方式等。

為了便于把氣流作用下風力發(fā)電機組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進行比較，引入轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)：

式中　T——風輪氣動轉(zhuǎn)矩，N·m；

F——推力，N。

a_i見表1-1，風力發(fā)電機組參數(shù)關(guān)系曲線見圖1-14。

功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動失速調(diào)節(jié)三種方式。失速調(diào)節(jié)風力發(fā)電機組風輪氣流特性見圖1-15。

風力發(fā)電機組葉片葉型疊合圖見圖1-16。

當風穿過風輪掃風面后，由于風輪運動和塔架的存在，使得風速受到影響，進而影響風力機捕獲風能的效率。其中主要有以下方面的影響。

（1）風剪切影響

葉片旋轉(zhuǎn)過程中，單個葉片會因為高度不斷變化而使風速產(chǎn)生周期性的變化，進而使得氣動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生周期性的變化。

（2）塔影效應(yīng)

葉片旋轉(zhuǎn)過程中，空氣流會周期性地經(jīng)過塔架，在葉片與塔架之間產(chǎn)生繞流、紊流等作用，同樣會影響氣動轉(zhuǎn)矩，對下風向風力發(fā)電機組尤其重要。

（3）尾流效應(yīng)

相鄰的風力機之間也會相互影響，前面的風力機風輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流變化會對后面的風力機風速特性產(chǎn)生影響，即尾流效應(yīng)影響。

習　　題

1.風力發(fā)電機組上的載荷主要分為　　　　　　　、　　　　　　　、　　　　　　　、　　　　　　　和　　　　　　　。

2.葉片動態(tài)分析最重要的是　　　　　　　　　　　　　。

3.風力發(fā)電機組的主要特性系數(shù)有　　　　　　　、　　　　　　　、　　　　　　　、　　　　　　　和　　　　　　　。

4.風力發(fā)電機組功率調(diào)節(jié)方式主要有　　　　　　　　　　、　　　　　　　　　　和　　　　　　　　　　。

5.當風穿過風輪掃風面后，由于風輪運動和塔架的存在，使得風速受到影響，進而影響風力機捕獲風能的效率。其中主要有　　　　　　　、　　　　　　　和　　　　　　　。