风力发电机组气动特性分析与载荷计算

风力发电机组气动特性分析与载荷计算

目录

1 前言 (2)

2 风轮气动载荷 (2)

2.1 动量理论 (2)

2.1.1 不考虑风轮后尾流旋转 (2)

2.1.2 考虑风轮后尾流旋转 (3)

2.2 叶素理论 (4)

2.3 动量叶素理论 (4)

2.4 叶片梢部损失和根部损失修正 (6)

2.5 塔影效果 (6)

2.6 偏斜气流修正 (6)

2.7 风剪切 (6)

3 风轮气动载荷分析7

3.1 周期性气动负载............................................... 错误！未定义书签。

4.1 载荷情况DLC1.3 (10)

4.2 载荷情况DLC1.5 (10)

4.3 载荷情况DLC1.6 (10)

4.4 载荷情况DLC1.7 (11)

4.5 载荷情况DLC1.8 (11)

4.6 载荷情况DLC6.1 (11)

1前言

风力发电机是靠风轮吸取风能的，将气流动能转为机械能，再转化为电能输送电网，风力机气动力学计算是风力机设计中的一项重要工作。特别是对于大、中型风机，其意义更为重大。风力机处于自然大气环境中，大气紊流、风剪切、风向的变化(侧偏风)和塔影效应等，这些现象使叶片受到非常复杂气动载荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。对一台大型风力发电机组来说，除风轮叶片产生机组的气动载荷外，机舱和支撑风轮和机舱的塔筒也产生气动载荷，这些都对机组的载荷产生影响。

2风轮气动载荷

目前计算风力发电机的气动载荷有动量一叶素理论、CFD等方法。动量一叶素理论是将风轮叶片

沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，

进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。动量一叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。CFD数值计算不需要对数

学模型作近似处理，直接对流体运动进行数值模拟，从物理意义上说，数值求解N・S方程的CFD方法应该是最全面准确计算风力机气动特性的方法。但是，由于极大的计算工作量，数值计算的稳定性等原因，目前CFD求解N・S方程方法还远不能作为风力机气动设计和研究的日常工具。作为解决工程问题的工具还不太实际。为此在计算中应用动量一叶素理论方法来计算机组的气动载荷。

2.1动量理论

动量理论是经典的风力机空气动力学理论。风轮的作用是将风的动能转换成机械能，但是它究竟能够吸收多大的风的动能就是动量理论回答的问题。下面分不考虑风轮后尾流旋转和考虑风轮后尾流旋转两种情况应用动量理论。

2.1.1不考虑风轮后尾流旋转

首先，假设一种简单的理想情况：

(1 )风轮没有偏航角、倾斜角和锥度角，可简化成一个平面桨盘；

(2 )风轮叶片旋转时不受到摩擦阻力；

(3 )风轮流动模型可简化成一个单元流管；

(4) 风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即p.= p2；

(5) 作用在风轮上的推力是均匀的；

(6) 不考虑风轮后的尾流旋转。

将一维动量方程用于风轮流管，可得到作用在风轮上的轴向力为

T = mM - V2) 式中m为流过风轮的空气流量

m = PAV T

T

于是

T =?AVr U

而作用在风轮上的轴向力又可写成

T 二A p” p_

由伯努利方程可得

,，2/2 + pi =W T2/2 + P*

(1 )

(2

(3 )

(4

(5 、

PV22/2 + p2二叫引2十卩.根据假设'p.= P2, ( 5)式和(6)式相减可得

(13

)

(13)式表示，如果风轮全部吸收风的能量，即 能这

样，所以a 〔v 1/2。

根据能量方程，风轮吸收的能量(即风轮轴功率

P = mM 2/2 — V 22/2 ) = PAV T 2； /2 -V 22/2) 将(9)式、【10)式代入(14)式，可得

P = 2认乂纭门■印2

当dP/da A 0时‘ P 出现极值‘则

dP da =2 r AV/1-4ai 3a ：

= 0 ( 16)

a = 1和ai=1/3是(16)式的根。又因为ai< 1/2，故只考虑a = 1/3的情况

d 2P da 2=2 ?AVi 36ai -4

( 17)

当ai=1/3时，d 2P/daf:: : 0，P 取极大值，由于P 的连续性，因此极大值就是最大值

Pmax 二丨 ° - RAVl 3 [

(18

)

27 <2 丿

相应地，功率系数G 为最大值

Cpmax =P max/ (P AV I 3/2)=1®27 疟 0.593

(19

)

这个值被称为贝兹极限，它表明在理想情况下，风轮最大能吸收

593%的风的动能。

2.1.2考虑风轮后尾流旋转

实际上，风轮尾流是旋转的，这时如果风轮处气流的角速度和风轮角速度相比是个小量的话， 一维动量方程仍然可用，而且假设

Pl = “。风轮作用盘假设是由许多以风轮轴线为对称轴的小圆环

p + ・p — = P WF ・

V2212 由(3)式、64)式和(7)式可得

(7) VT= (M+V2y2

(8)

(8 )式表明：通过风轮的风速是风轮前的风速和风轮后的尾流速度的平均值。设定轴向诱导因子a A Ua Vi ， 山

为风轮处的轴向诱导速度，则

V

T = V 1 1

a.

(9)

V2 =vi 1 '2aij

(10

)

(9)式和(10)式代入(3)式得

T=4&, (1・aj ・叫引2

缶=17 (RAV: 2) =4ai

轴向诱导因子&又可写成

E 卩=1 一 y V2 2Ui

(1 -aj

(11)

(12)

V 2=0时，a 有一个最大值1/2，但实际情况不可 P)等于风轮前后气流动能之差

(14)

(15)

(内半径r ‘外半径r + dr )构成。这时

dT =dm (Vi -V2) dm 「V TC IA 「V T 2 rdr 假设(门)式仍然成立，则有

Vi-V 2=2aM

将(21)式、(22)式与(9)式代入(20)式可得

dT Fr" a H 1 -ajdr 作用在整个风轮上的轴向力为 T = dT =4 二”2 2 (1 ・ajrdr L 0

由动量矩方程，作用在该圆环上的转矩为

dM 二 dm (utr)

式中Ut u r ，为风轮叶片r 处的周向诱导速度，••为风轮叶片r 处的周向诱导角速度。设定周向诱导因子a?二

-/21，“为风轮转动角速度。将Ut 二2日如，(20)式及(9)式代入(25)式可得

3

dM = 4 r:V(1-ajaz ,— r

因此风轮轴功率为

2 R

3

P 二 dP 二 i 】dM 二 4 二：一 V ( ° a 2(1「ajr dr

设定风轮叶尖速比，二，AnTR 2，贝U

P = ?AV/42. R 4 ^(l-ajrdr

风能利用系数为

2- 4R

3

Cp =8 A 2/R 4 < L a2(1—a )r 3dr

2.2叶素理论

叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动

相互 之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，求得作用在风轮上的 力和力矩。

从动量理论可知，当考虑风轮尾流旋转后'风轮处轴向速度

Va 二乂( 1 -aj ，周向速度

M 二「r(1 32)，实际流经风轮处的气流速度是

W 二Va • Vt 。对每个叶素来说，：是迎角，：是

入流角，■'是扭转角

arctg[(1 -3)乂.(1 a 2)「」r] (30) ■・■■■'

(31)

Cy 和阻力系数Cx 。由于

(32)

(33)

(34)

(35)

(36) (37)

dM

(20)

(21)

(22

)

(23)

(26)

(2刀

(28)

(29)

求出：•后，查翼型手册得到作用在叶素上的升力系数

dFn 二 dYcos 「dX sin 「 dFt = dY sin 孑-dX cos 「 则法向力系数Cn 和切向力系数Ct 分别为

Cn 二 Cycos Cxsin Ct = Cy sin ・CxCos

作用在每个叶片上的叶素的轴向力为

d 〒二 cdr 「W 22Cn

式中c 为该叶素的弦长。因此对整个风轮面来说

dT = NbCdr 颇[/2 G

2.3动量一一叶素理论

为了计算风力机性能，必须计算风轮旋转面中的轴向诱导因子 用到动量一一叶素理论。由动量理论可得

dT =4 二 r 「乂勺！(1 ・ ajdr

dM = 4 r

： r 3

”(1 ・ ajaz A

dr 由叶素理论可得

dT 二 NbCdr *W 2 2 G

dM = Nbcrdr 制 2

/2 G

由(38)式和(41)式可得

4 二广2耳(l ・ajdr 二 NbCdr 、VW2G

dM = Nbcrdr:W 2 2 C t

(38)

a,和周向诱导因子a 2

，这就需要

(39) (40) (41) (42) (43)

彳(5)W 2Vi 2C n

式中

r-NbC 2 二 r

(45)

由于 sin 二“ -a)Vi W, W 2.Vi 2 二(1 -aj 2 sin 2「，代入(44)式

ajl - aj = ; ： r 4 (1 一 aj 2 sin 2 r C n

(46) 整理得

a!. (1-aj = ; r C n 4sin 2

(47)

同理，由(40)式和(42)式

4 兀 r PVj(1 aJazOdr 一 Nbcrdr PW

A ，

2 Ct

(48) 整理得

a 2(1-ai)・；.4 GW Vi W 7 (49)

由于 sin -(I —aOVi.W, cos =(1 a2)r r.. W , WVi=(1—a)sin 「, Wi] r = (1・a2). cos 「，代入(49)式并整理得

a 2/(1+a2)= oCt/(4 si n A cos 申)

(50)

这样，通过迭代方法可以求岀轴向诱导因子 句和周向诱导因子32 :

第一步：假设ai ^a 2初值； 第二步：计算入流角， =arctg[(1 -ajyW • a 2).n ]；

第三步：计算攻角〉，•二

；

第四步：计算升力系数Cy 和阻力系数Cx :第五步：计算法向力系数Cn 和切向力系数Ct

Cn=C y cos Cxsin Ct = cy sin - Cx cos

第六步：计算新的內、a2值

a1. (1 -aj =n Cn.. 4sin 2: a2 ・(1 a2)- ； 「Ct ・(4sin cos )

第七步：比较新的ai 、a?值和原来的q 、a?值，如果误差小于设定误差值， 则认为求出ai > a 2

值，停止迭代；否则用新的 ai 、a?值代替原来的ai 、比值，回到第二步继续迭代。

当风轮叶片部分进入湍流状态时，一维动量方程不再适用，C T = 4ai(A ai)，这时需要用经验公式对动 量叶素理论进行修正。本文用

Wilson 经验公式来修正。Wilson 认为，在大诱导速度的

情况下，推力系数可以由下式近似表示

C T =0587 096ai (ai 038)

(51)

则当ai « 038后，对内半径r ，外半径r dr 的风轮小圆环，由动量理论

dT = 1,2 2 C~T 2rdr

(52)

由叶素理论

dT 二 NbCdr 「W 2・.2G

(53) 由(51)式、Q2)式、Q3)式及 W 2/*2 二(1 -aj A sin 2「，可得

(0587 0.96aJ. (1-aj 2 =： ： cnsin 2「

(54)

衽迭代求解ai 、a?的过程中，如果ai 0.38，则将第六步中的 印,1・aj =： ； cn 4sin 2「式

由(54)式替换；否则按原迭代进行。

整理得

(44)

2.4叶片梢部损失和根部损失修正

当气流绕风轮叶片剖面流动时，剖面上下表面产生压力差，则在风轮叶片的梢部和根部处产生绕流。这就意味着在叶片的梢部和根部的环量减少，从而导致转矩减小，必然影响到风轮性能。所以要进行梢部和根部损失修正。本文采用Prandtl修正方法，即

F = Ft Fr (5 5)

Ft = 2： arccos©」) (56)

ft =Nb.2 (R -r) . Rs in「( 57)

F r=2y arccos©-") ( 5 8)

fr= Nb2 (r - r n) . rnsin「( 59) 式中F为梢部根部损失修正因子，Ft为梢部损失修正因子，R为根部损失修正因子，h为桨毂半

径。这时(39)式、(40)式分别可写成

dT=4「^V|2ai(1-ai)FdrdM =4： r3?Vi(A ai)a Al Fdr (60)

(41)式、(42)式不变，迭代过程第六步的两矢系式变为(61)

a1. (1—aj =zi Cn.. 4Fsin2 a2. (1 a2)- ;「Ct・・(4F sin cos「)2.5 塔影

效果(62) 筒形塔架比衍架式塔架塔影效果更严重，气流在塔架处分离，造成速度损失，下风向机组尤其(63)

严重，采用位流理论模拟筒形塔架气流效果，得到气流表达式：

< (x+y)丿

其中：D为塔架直径，x和y表示轴向和侧向相对于塔架中心的坐标，括号中的第二项为气流减少量，把塔影效果引起的流速减少量化到风速诱导因子中去，U*1-a，然后应用叶素一动量理

论。

2.6偏斜气流修正

最初的动量理论设计依据是轴向流，而风机经常运行在偏斜流情况下，这样，风轮后尾涡产生偏斜，为此须

对动量理论做修正。

15兀r/ “

a s=a[1 亦©tan(2)cos(-)]

-(0.6a 1)

as是修正后的轴向诱导因子，r是当地叶素半径，R是风轮半径，是尾涡偏斜角，是气流偏斜角，即是风轮偏航角(相对于下风向气流方向为0度)。

2.7风剪切

风吹过地面时，由于地面上各种粗糙元(草、庄稼、森林、建筑物等)的摩擦作用，使风的能量减少而使风速减小，风速减小的程度随离地面的高度增加而降低。这样风速随高度变化而变化，这个现象称为风剪切。风速沿高度的变化规律称为风速廓线。本文用指数律表示风速廓线

V =y (h hi) (64)式中V为高度为h处的风速，Vi为高度为hi处的风速，为风速廓线指数，它与地面粗糙度有尖。

在我国规范中将地面粗糙度分为A, B , C三类。按IEC标准，取=0.20。

由于考虑风剪切后，风轮作用盘内不同高度处的来流风速是不同的，这时将风轮叶片叶素作用环用等圆心角d分成一定数量n的小区域，对于某个小区域，认为其来流风速是一定的，等于该小

区域内某高度的风速，利用此风速作来流风速代替动量理论、叶素理论、动量一一叶素理论中的来流风速Ui，计

算dT、dM、dP等；将风轮叶片叶素作用环内所有小区域计算得到的dT、dM、dP等分别叠加起来除以小区域数量n,得到此叶素对风轮推力T、转距M、功率P等的贡献dT、

dM 、dP 等；然后再按此方法计算别的叶素对风轮推力 T 、转距M 、功率P 等的贡献，最后得到

风轮推力T 、转距M 、功率P 等。在这些过程中，同时计算出作用在叶片上的气动载荷。

3 风轮气动载荷分析

(1) 垂直叶轮盘面，稳定均匀流情况下：

根据叶素一动量理论，忽略掉一些小的平方项后，叶片单位长度上的力可以表示为叶轮平面外和平面内

力：

平面外力：

其中：f 为叶尖损失因子,

图：叶片负载旋转坐标系定义

(z 从轮毂中心沿叶片轴外指； x 下风向方向垂直于叶片轴； y 垂直与主轴和z 轴)

叶片平面外力和平面内力随半径的变化如图

3-2所示，可以看出，平面外力近乎线性增长，这

种变化趋势对任意机组来说都是一样的。由叶片平面外力和平面内力可计算出叶片气动弯矩负载，它随半径的 变

1 2 2

Fx = Cx2;T Wc = 4zi 「U 1 - af a

平面外 力：

1 2

T Y =C y Wc = 4二，U ,J 1

-

af a* r

N

(65)

(66)

N 为叶片数目。x, y 的方向如图3-1定义。

化如图3・3所示，随半径的增加线性减小。

单位长度平面内力

®

2 4

« 9 W »2 14

半径（■）

图3-2 :叶片平面外和平面内力随半径的变化

（2）偏斜气流下

应用叶素一动量理论，可以得到如图3-4的叶根平面外弯矩和平面内弯矩变化， 偏航角度

+30。。

叶片方位角的定义为叶尖朝上为叶片 0。方位，随着叶片旋转不断变化，正偏航的定义为侧风吹向叶

轮转盘的方向与叶尖朝上（类似时钟指向

12点）时的叶片运动方向一致。

从图中两个风速的比较可知，20m/s 风速时叶片弯矩接近正弦变化，方位角 180咱寸达到最

大。

10m/s 风速时叶片平面外弯矩在方位角 240°时达到最大。

fin

ISO

W

即 0

2A 4 2A 角度（度、

530

昱

胃眾削雅古

风速 凤速1血

330 W

图3-4 :叶根平面外弯矩和平面内弯矩，偏航角度+30，随叶片方位角的变化。

（3）轴仰角下

为了避免叶片与塔架碰撞，采用主轴与水平方向有一定夹角办法，增加叶尖与塔架间隙，这种情况下的叶片气动负载变化类似偏斜气流下情况。

（4）风切变

由于风切变的存在，风速随高度的增加而增加，呈幕指数变化尖系，叶根弯矩由于风切变随叶片方位角的变化尖系如图3-5所示。可以看出风速10m/s时，变化呈正弦矢系，15m/s风速时由于叶片

失速，叶根弯矩几乎恒定不变。

图3-5 :由于风切变，叶根弯矩随叶片方位角的变化矢系

（5）塔影效果

筒形塔架比衍架式塔架塔影效果更严重，气流在塔架处分离，造成速度损失，下风向型机组尤其严重。应用叶素一动量理论，得图3-6，由图中可以看出，当叶片塔筒间隙等于塔架半径时，

X/D =1，低风速段（风速10m/s），叶根平面外弯矩下降厉害；如果增大间隙X/D =1.5，会改善

一些。高风速段时（风速20m/s），情况会好一些。

图3-6 :塔影效果引起的叶根弯矩随叶片方位角的变化尖系

(7

4.1载荷情况DLC1.3

初始风速为额定风速，在极端连续阵风基础上同时伴随极端风向变化情况下正常功率输 出。

(1)极端相尖阵风

应假定极端相矢阵风的幅值为： Vx=15m/s ，用下式确定风速：

对 t::： 0

V (乙 t) =； V(z) +0.5Vcg(1 — cos(itt/T)),对 0 兰 t MT

V(z) +Vcg

对 t AT

其中T=10s 为阵风增强时间，采用式(64)确定风速。

(2)方向变化的极端相矢阵风

应假定风速增大与风向变化 o eg 同时出现，其中0 eg 由下式确定：

对' Vhub: : 4m/s

LI

cgMub

*180 720'm/s L .

Vfiub

风向同时变化角由下式确定:

对 4m/S Vhub Vref

I I (t)= <±0.5 H cg(1 — COS (

对to

土日eg 其中T=10s 为阵风增强时间，采用式(64)确定风

速。

4.2载荷情况DLC1.5

初始风速为额定风速或停机风速时，在 1年极端工作阵风(EOG1情况下掉网。

极端运行阵风(EOG )

VgustN ―丄 1 心 0.1

D/4)]

(5)

式中：

(T 1 —标准差； A 1 —湍流尺度参数； D —风轮直径 3 =4.8，对 N=1;

当重复周期为N 年时，由下列方程式确定风速:

』V(z) — 0.37VgustN sin(3 毗/T)(1 — cos(2 兀

V (乙 t) t/T)),

、 V(z),对 tv 0 及 tAT

式中:V(2)-由式(64)确定；T=10.5s , N=1;

4.3载荷情况DLC1.6

初始风速为额定风速或停机风速时，在 50年极端工作阵风(EOG)情况下正常功率输出。

极端运行阵风(EOG )

VgustN "T 心十 0・1 D/*)]

.(T 标准 式

(7

(12

A 1 —湍流尺度参数； D —风轮直径 3 =6.4，对 N=50;

当重复周期为N 年时，由下列方程式确定风速:

V(z,t)=[v (2) o-37VgustNsin(3...t/T)(1 -cos(2 zi t/T)),对 0 .(8)

V(z),对 tcO 及 t >T

式中：

V(z)—由式(64)确定；T=14.0s ，对 N=50;

4.4载荷情况DLC1.7

初始风速为额定风速或停机风速时，在 50年极端风剪切(EWS 情况下正常功率输出。

极端风切变(EWS )

应用下列两个瞬时风速来计算重复周期为

50年的极端风切变：

(1)瞬时垂直切变(EVS)：

*Vhub(z/Zhub^+fz-Zhub y DI25+0.2Bw(D/Ai)1/4

(1-cos2t/T))) 0 十T

Vhub(z/Zhub)u

OSt>T

(9)

(2)瞬时水平切变(EHS)：

』

Vhub(z/Zhub 严 +)y/D ](2.5 +0.2 隔(D / AJ 1/4(1 - cos2t/T))) 0 兰 t 兰 T V(z,t)一 Vhub(z/Zhub 产 tvO 及 t>T

(10)

其中，a =0.2 ,

3 =6.

4 , T=12s,

A1-湍流尺度参数，D —风轮直径。

4.5载荷情况DLC1.8

初始风速为额定风速或停机风速时，在 50年极端风向变化(EDC50情况下正常功率输出。

用下列矢系式计算重复周期为

N 年的极端风向变化幅值0 eN :

Q N = arctan fs/VhubX1 +0.1 D

(11

)

式中：

OeN —限定于范围土 180 ° ； A 1 —湍流尺度参数； D —风轮直径 3 =6.4 , N=50。

当重复周期为N 年时，由下列方程式确定风向：

t<

V(zt)

r-^-r

j r-^-r

eN (t) = {0.5TeN (1― oset/T)),

对t>0

其中T=6s 为极端风向瞬时变化的持续时间。以产生最严重加载来选择 时变化结束时，假定风向保持不变，并采用式(

6)确定风速。

4.6载荷情况DLC6.1

初始风速为风力发电机组生存风速时，在极端风速模型( 极端风速模型(EWM )

对t£0 」

对o 兰t 兰T

〔日eN

0 Mt)的符号。在风向瞬 EWM 情况下静态停车。

0 11 (13) Ve50(Z) = 1 .4Vref(Z/Zhub)*

Vei(Z)=0.75Ve5

应假定短时偏离平均风向土15 °。

假定风向变化

e 二』15sin(0.5 兀(t 一5))

P

(14)

0 ct v5

5兰t兰9

9 ct v14

风力发电机组运行特性的数值模拟与分析

风力发电机组运行特性的数值模拟与分析 风力发电机组已经成为现代新能源发电的代表。它不仅环保，而且能够高效稳定地转化自然风能为电能。相比传统的火力发电，风力发电机组更具有成本优势和长远的可持续性发展前景。因此，如何从理论上预测和优化风力发电机组的运行特性，已经成为风力发电技术研究的热点之一。本文将从数值模拟的角度，深入探讨风力发电机组的运行特性及其分析方法。 一、风力发电机组的基本结构和工作原理 风力发电机组一般由风轮、变速器、发电机和控制系统组成。风轮主要负责转化风能，变速器用于将风轮转速转换为适合发电机的转速，发电机负责将机械能转换为电能，控制系统用于监控和控制整个系统的运行状态。 对于风力发电机组的运行特性，尤其是转矩特性和功率特性的分析，关键在于风轮。风轮的转速和转矩与风速之间存在着非线性关系，也受到风轮的尺寸、叶片形状和材料等多个因素的影响。因此，对于风轮和整个风力发电机组的数值模拟，是理解其运行特性和进行优化设计的重要手段。 二、风力发电机组的数值模拟方法 1.计算流体力学（CFD）方法 计算流体力学（CFD）是一种数值模拟方法，可以用于研究流体运动和传热传质等多个领域。对于风力发电机组的数值模拟，CFD可以模拟风流场、叶片的气动性能以及风轮的转矩和功率等多个参数。通过CFD模拟，可以优化风轮的设计参数和叶片形状，提高整个系统的效率和稳定性。 2.有限元分析（FEA）方法 有限元分析（FEA）是一种数值分析方法，可以用于研究材料力学、结构力学和动力学等多个领域。对于风力发电机组的数值模拟，FEA可以模拟叶片的结构

强度和振动特性，以及风轮、变速器和发电机等组件的耐久性分析。通过FEA模拟，可以预测风力发电机组的寿命和维修周期，降低系统的维护成本。 三、风力发电机组的运行特性分析 1.转矩-转速特性 转矩-转速特性是风力发电机组的关键运行特性之一。通过数值模拟风轮和发 电机的转速和转矩数据，可以绘制出其转矩-转速曲线。该曲线描述了发电机在不 同转速下的转矩输出和相关电功率输出，是风力发电机组最基本的运行指标之一。 2.功率-风速特性 功率-风速特性是风力发电机组的另一个关键运行特性。该特性描述了在不同 风速下，发电机的输出功率和相关扫描面积等基本参数之间的关系。该特性的分析可以帮助优化风轮和叶片的设计，以提高整个系统的功率输出和效率。 3.模拟风速特性 模拟风速特性是针对实际风速信号的数值模拟。通过模拟风速信号，可以分析 和优化风力发电机组在不同风速信号下的稳定性和效率。同时，也可以帮助预测整个系统的寿命和维护周期。 四、结论与展望 风力发电机组的数值模拟与分析是深入研究其运行特性和优化设计的基础。本 文介绍了两种常用的数值模拟方法（CFD和FEA），并针对风轮和发电机等关键 组件的转矩-转速特性、功率-风速特性和模拟风速特性等运行特性进行了深入分析。在未来，随着风力发电技术的快速发展和普及，数值模拟与分析将会成为风力发电技术研究的重要手段之一，为其长期可持续性发展提供更多的理论依据。

风力发电机组气动特性分析与载荷计算

风力发电机组气动特性分析与载荷计算 目录 1前言 (2) 2风轮气动载荷 (2) 2.1 动量理论 (2) 2.1.1 不考虑风轮后尾流旋转 (2) 2.1.2 考虑风轮后尾流旋转 (3) 2.2 叶素理论 (4) 2.3 动量──叶素理论 (4) 2.4 叶片梢部损失和根部损失修正 (6) 2.5 塔影效果 (6) 2.6 偏斜气流修正 (6) 2.7 风剪切 (6) 3风轮气动载荷分析 (7) 3.1周期性气动负载................................................................................... 错误！未定义书签。 4.1载荷情况DLC1.3 (10) 4.2载荷情况DLC1.5 (10) 4.3载荷情况DLC1.6 (10) 4.4载荷情况DLC1.7 (11) 4.5载荷情况DLC1.8 (11) 4.6载荷情况DLC6.1 (11)

1 前言 风力发电机是靠风轮吸取风能的，将气流动能转为机械能，再转化为电能输送电网，风力机气动力学计算是风力机设计中的一项重要工作。特别是对于大、中型风机，其意义更为重大。风力机处于自然大气环境中，大气紊流、风剪切、风向的变化（侧偏风）和塔影效应等，这些现象使叶片受到非常复杂气动载荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。对一台大型风力发电机组来说，除风轮叶片产生机组的气动载荷外，机舱和支撑风轮和机舱的塔筒也产生气动载荷，这些都对机组的载荷产生影响。 2 风轮气动载荷 目前计算风力发电机的气动载荷有动量—叶素理论、CFD 等方法。动量—叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。动量—叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。CFD 数值计算不需要对数学模型作近似处理，直接对流体运动进行数值模拟，从物理意义上说，数值求解N-S 方程的CFD 方法应该是最全面准确计算风力机气动特性的方法。但是，由于极大的计算工作量，数值计算的稳定性等原因，目前CFD 求解N-S 方程方法还远不能作为风力机气动设计和研究的日常工具。作为解决工程问题的工具还不太实际。为此在计算中应用动量—叶素理论方法来计算机组的气动载荷。 2.1 动量理论 动量理论是经典的风力机空气动力学理论。风轮的作用是将风的动能转换成机械能，但是它究竟能够吸收多大的风的动能就是动量理论回答的问题。下面分不考虑风轮后尾流旋转和考虑风轮后尾流旋转两种情况应用动量理论。 2.1.1 不考虑风轮后尾流旋转 首先，假设一种简单的理想情况： （1）风轮没有偏航角、倾斜角和锥度角，可简化成一个平面桨盘； （2）风轮叶片旋转时不受到摩擦阻力； （3）风轮流动模型可简化成一个单元流管； （4）风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即p 1 = p 2； （5）作用在风轮上的推力是均匀的； （6）不考虑风轮后的尾流旋转。 将一维动量方程用于风轮流管，可得到作用在风轮上的轴向力为 ()21V V m T -= （1） 式中 m 为流过风轮的空气流量 T AV m ρ= （2） 于是 ()21V V AV T T -=ρ （3） 而作用在风轮上的轴向力又可写成 () -+-=p p A T （4） 由伯努利方程可得 ++=+p V p V T 222121ρρ （5） -+=+p V p V T 22222ρρ （6） 根据假设，p 1 = p 2，（5）式和（6）式相减可得

《风力发电机组设计与制造》课程设计任务书

课程设计(综合实验)报告( 2012 – 2013 年度第二学期) 名称： 题目： 院系： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 成绩： 日期：2013年月日

《风力发电机组设计与制造》课程设计任务书 一、设计内容 风电机组总体技术设计 二、目的与任务 主要目的： 1. 以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体设计方法； 2. 熟悉相关的工程设计软件； 3. 掌握科研报告的撰写方法。 主要任务： 1. 确定风电机组的总体技术参数； 2. 关键零部件（齿轮箱、发电机和变流器）技术参数； 3. 计算关键零部件（叶片、风轮、主轴、连轴器和塔架等）载荷和技术参数； 4. 完成叶片设计任务； 5. 确定塔架的设计方案。 6. 撰写一份课程设计报告。 三、主要内容 选择功率范围在1.5MW至6MW之间的风电机组进行设计。 1）原始参数：风力机的安装场地50米高度年平均风速为7.0m/s，60米高度年平均风速为7.3m/s，70米高度年平均风速为7.6 m/s，当地历史最大风速为49m/s，用户希望安装1.5 MW至6MW之 间的风力机。采用63418翼型，63418翼型的升力系数、阻力系数数据如表1所示。空气密度设 定为1.225kg/m3。 2）设计内容 （1）确定整机设计的技术参数。设定几种风力机的C p曲线和C t曲线，风力机基本参数包括叶 片数、风轮直径、额定风速、切入风速、切出风速、功率控制方式、传动系统、电气系统、制动 系统形式和塔架高度等，根据标准确定风力机等级； （2）关键部件气动载荷的计算。设定几种风轮的C p曲线和C t曲线，计算几种关键零部件的载 荷（叶片载荷、风轮载荷、主轴载荷、连轴器载荷和塔架载荷等）；根据载荷和功率确定所选定 机型主要部件的技术参数（齿轮箱、发电机、变流器、连轴器、偏航和变桨距电机等）和型式。 以上内容建议用计算机编程实现，确定整机和各部件（系统）的主要技术参数。

风力发电机组 极限载荷

风力发电机组极限载荷 风力发电机组是利用风能转化为电能的装置，其设计和制造必须考虑到极限载荷。极限载荷是指风力发电机组所能承受的最大外力或压力，也是保证其安全运行的重要指标。 风力发电机组在运行过程中会受到风力的作用，风力的大小和方向直接影响到发电机组的负荷。当风速较小时，发电机组所受的载荷较小，但随着风速的增加，载荷也会随之增加。当风速超过发电机组的承载能力时，就会发生极限载荷的情况。 风力发电机组的极限载荷与其结构和材料的强度有关。发电机组通常由塔筒、叶轮、发电机等部分组成，每个部分都需要经受一定的载荷才能正常运行。因此，在设计和制造发电机组时，必须考虑到各个部分的强度和稳定性，以确保其能够承受风力的压力。 风力发电机组的极限载荷还与其安装环境和使用条件有关。发电机组通常安装在海上或高山等风力资源丰富的地区，而这些地区的风力较强，所以发电机组需要能够承受较大的载荷。同时，发电机组在使用过程中可能会遭受到风暴、地震等自然灾害的影响，这也需要考虑到其极限载荷。 为了确保风力发电机组在极限载荷下能够安全运行，设计和制造时需要进行严格的测试和计算。首先，需要对发电机组的各个部分进行强度和稳定性的测试，以确定其能够承受的最大载荷。其次，需

要进行风洞试验，模拟不同风速下发电机组的受力情况，以评估其在实际工作环境中的表现。 在实际运行中，风力发电机组还需要定期进行维护和检修，以确保其在使用过程中不会超过极限载荷。对于发现的故障和损坏，需要及时修复或更换相关部件，以保证发电机组的正常运行和安全性。 总的来说，风力发电机组的极限载荷是保证其安全运行的重要指标。设计和制造发电机组时，需要考虑到风力的大小和方向、结构和材料的强度、安装环境和使用条件等因素，以确保发电机组能够承受风力的压力。此外，定期的维护和检修也是保证发电机组安全运行的关键。通过严格的测试和计算，可以确保风力发电机组在极限载荷下的正常运行，为清洁能源的开发和利用做出贡献。

风力发电机组吊装过程中动载荷系数的分析

风力发电机组吊装过程中动载荷系数的 分析 摘要：本文通过风力发电机组在实际吊装过程中的计算载荷值、低速移动（提升）阶段的动载荷值、风速、气温等参数的对比，特别是针对大型超长柔性的风电叶片、组装后的风轮吊装，进一步分析现行的行业施工规范和相关规定中动载荷系数值的选取合理性。 关键词:计算载荷；动载荷；动载荷系数；抬吊；超长柔性叶片 [中图分类号]TK83[文献标识码]A 引言 近些年，随着国家“30.60碳中和、碳达峰”的提出，新能源风力发电项目的建设进入快速增长的阶段，《“十四五”可再生能源发展规划》报告的指出，我国在“十三五”期间，可再生能源实现了跨越式发展，装机规模稳居世界领先地位，利用小时数、装备制造业技术水平、产业核心竞争力迈上新台阶，取得了举世瞩目的成绩，为“十四五”可再生能源高质量发展奠定了坚实基础。特别是风电装机增长十分迅速，每年屡创新高，2019、2020、2021年新增吊装容量分别达到18.9GW、57.8GW、55.92GW，风电设备安装台数10916台、20401台、15911台。截止到2021年底，全国风电的累计装机达到328.5GW；机组的单机容量逐年增大，风力发电机组的叶片长度已由早期的40米左右发展到现在90米左右，机舱、轮毂的重量也发生了非常大的改变。在大量关于起重设备的研究中，关于风力发电机组设备安装的资料十分稀少，在实际工程工作中缺乏参考的文献。笔者在本文，通过风力发电机组在工程实际吊装过程中，对机舱、轮毂、叶片三种设备的实际载荷、起吊阶段的载荷值进行分析研究。

本文选取某300MW风电项目，安装风力发电机组型号为D131-2.5MW-H90，选 取叶片单独吊装、风轮（组装叶片）、机舱安装时的实际载荷值、理论计算值， 分提升至平稳阶段、平稳移动两个安装阶段的载荷数值进行分析比较。本次计算 吊车提升速度为慢速，在3m/min左右。风电机组主要设备机舱，重量93t, 长× 宽×高=10.6 m×4. 2 m×3.85m；单支叶片重量15t,长度54米；未组装叶片的 轮毂，重量29吨，直径4.4米，高4米。主力吊车采用徐工全地面式起重机 XCA1600，辅吊车采用三一汽车吊STC800T6,吊装过程严格最受设备厂家的操作规范。 一、吊装方案中对风力发电机组的设备吊装载荷的理论计算如下： 1.机舱：风机最重设备机舱：机舱重 93t（含工装），吊钩、吊钩绳及起吊 索具重量约为4t，实际载荷97t。动载荷系数 k1=1.1。计算载荷=（93+5） *1.1=107.8t。吊装选用徐工 1600 汽车吊，主吊车主臂 83.8 米+辅臂 27.5 米 工况，工作半径为 18m，额定起重量 124.8t。负荷率=107.8/124.8=86.4%<90%，满足现场规范要求。 2.单支叶片吊装：单片叶片重 15t，长 64m，本次吊装采用1台 XCA1600 汽车吊抬吊的方式进行吊装。采用 18t/12m 扁吊带（对折使用），两个吊带分 别连接到平衡梁的两端。汽车吊工况选用 91m 主臂，28m 工作半径，该工况下 吊车额定负荷 74.4t，吊钩、吊钩绳及起吊索具重量 1t，动载荷系数 k1=1.1。 计算载荷=（15+1）*1.1=17.6t。 负荷率=17.6/74.4=23.7%<90%，满足现场规范要求。 3.风轮的吊装：用2根40t*18m双眼扁平吊带环绕风轮的两根叶片根部，挂 在吊车吊钩上。由于风轮组装后的重量为74t，低于机舱的重量，所以此处省略 载荷计算。 二、设备吊装过程中的数据记录如下表： 表1：叶片单机吊装载荷值记录表

风力发电机组的功率控制及载荷分析

风力发电机组的功率控制及载荷分析 风力发电机组的功率控制及载荷分析 引言： 风力发电作为清洁能源的重要组成部分，已经在全球范围内得到了广泛应用。风力发电机组的功率控制和载荷分析，对于提高风力发电的效率、可靠性和经济性具有重要意义。本文将对风力发电机组的功率控制方法以及载荷分析进行详细阐述，并探讨其对风力发电产业的影响。 一、风力发电机组的功率控制 1.1 无功功率控制 无功功率是风力发电机组运行中的重要参数之一。通过控制电网侧的无功功率，可以提高风力发电机组的功率因数，减少无功功率对电网的影响。常用的控制方法包括无功功率优化控制和无功功率调频控制。 无功功率优化控制是根据电网的无功功率需求，通过调整风力发电机组的输出功率来实现。该方法能够提高风力发电机组的功率因数，降低无功功率损耗，同时满足电网对无功功率的要求。 无功功率调频控制是根据风力发电机组的转速、电网频率和负荷需求等参数进行调控。通过调节风力发电机组的桨叶角度、变桨速度等，控制风力发电机组的功率输出，实现电网对无功功率的要求。 1.2 有功功率控制 有功功率控制主要是根据电网的需求，控制风力发电机组的输出功率。常用的控制方法包括协调控制、最大功率跟踪控制和限功率控制。

协调控制是根据电网的负荷需求和电力系统的稳定性要求，通过调节风力发电机组的转速、桨叶角度和发电机的励磁电流等参数，实现风力发电机组的有功功率控制。 最大功率跟踪控制是指通过调节风力发电机组的桨叶角度，使得风力发电机组的输出功率达到最大值。该控制方法能够提高风力发电机组的利用率，提高发电效率。 限功率控制是为了保护风力发电机组的安全运行，避免过载等问题。通过提前设置风力发电机组的最大功率输出值，当风力发电机组的输出功率达到设定值时，控制系统会自动减小风力发电机组的输出功率。 二、风力发电机组的载荷分析 2.1 风力负荷分析 风力负荷是指风力发电机组在风力作用下承受的载荷，主要包括风载荷和惯性载荷。风载荷是由于风力的作用而导致的，其大小和方向主要受到风速、风向等因素的影响。惯性载荷是由于风力发电机组自身的转动而产生的，其大小和方向主要受到风力发电机组的转速和转动惯量等因素的影响。 2.2 力矩载荷分析 力矩载荷是指风力发电机组在风力作用下承受的力矩，主要包括风矩载荷和旋转矩载荷。风矩载荷是由于风力作用在风力发电机组的转动轴上产生的，其大小和方向主要受到风速、风向、桨叶角度等因素的影响。旋转矩载荷是由于风力发电机组旋转运动的惯性而产生的，其大小和方向主要受到风力发电机组的转速和转动惯量等因素的影响。 2.3 轴向载荷分析 轴向载荷是指风力发电机组在风力作用下承受的轴向力，主要包括风压力和离心力。风压力是由于风力作用在风力发电

风力发电机载荷特性

风力机载荷 风力机载荷情况 风力机载荷是风力机设计和风力机认证时的重要依据，用于对风力机进行静强度和疲劳强度分析。目前，国际上有很多规范、标准对风力机载荷做了详细的规定。其中应用最广的是IEC61400-1标准。 1.载荷分类 作用在风力机上的载荷主要包括： （1）空气动力载荷； （2）重力载荷； （3）惯性载荷，包括离心力和科氏力等； （4）操纵载荷； （5）其他载荷，如结冰载荷 根据载荷的性质，在风力机上的载荷可分为静载荷、定常载荷、周期载荷、瞬态载荷、脉冲载荷、随机载荷和谐振载荷等。 2.载荷情况 由不同的外部条件与风力机工作状态组合而成，主要包括：①正常外部条件与风力机正常工作状态组合；②正常外部条件与风力机故障工作状态组合；③极端外部条件与风力机正常工作状态组合。 根据IEC61400-1标准的规定，载荷情况如表5-1所列。

表5—1载荷情况

3.安全系数 风力机设计时，需要提供的是设计载荷F d ，它和实际载荷F r 的关系是：d f r F r F =， 式中r f ——载荷局部安全系数 见表5-2所示： 表5—2 载荷局部安全系数 风力载荷计算 风力机载荷特性 1.叶片上的载荷 （1）空气动力载荷 作用在叶片上的包括摆振方向的剪力Q yb 和弯矩M xb 、挥舞方向的剪力Q xb 和弯矩M yb 以及变桨距时，与变桨距力矩平衡的叶片俯仰力矩M zb 。叶片上的空气动力载荷可根据2.2节中的动量——叶素理论计算，计算时先求出轴向诱导因子a 和周向诱导因子b ，再求得叶素上的气流速度三角形以及作用在叶素上的法向力dF n 和切向力dF t （前图 2—1），然后通过积分求出作用在叶片上的空气动力载荷Q xb ，Q yb ，M xb 和M yb 。 图2-1叶素上的气流速度三角形和空气动力分量 0R 2xb 0n r 1Q V cC dr 2ρ=ò 0R 2yb 0t r 1Q V cC dr 2ρ=ò R 2yb 0n r 1M V cC rdr 2ρ=ò

海上风力发电机组载荷设计工况研究及对比分析

海上风力发电机组载荷设计工况研究及对比分析 作者：廖丹 来源：《科技视界》2017年第08期 【摘要】基于海上风电机组，本文主要分析介绍了海上和陆地风力发电机组工况上的区别，并依据海上风力发电机组的设计工况和模型分析方法，用Bladed软件进行海上风电机组的载荷计算，并与相应的陆上机组载荷进行了简单对比。 【关键词】海上风电机组；海上机组设计工况；载荷计算 0 概述 海上风力发电机组开发时，前期主要针对海上风资源研究（基本原理，风数据/坐标数据获取，模型方法，发电量，损失因素和不确定因素，预测），最重要的是对海上风载和浪载（载荷来源，工况与模型，浪载（疲劳和极限载荷）的分析和评估，之后再利用Bladed软件进行风波联合载荷等海上风电特殊载荷的计算。 1 陆上风力发电机组设计载荷工况[1] 陆上风力发电机组设计载荷工况包含以下八大类工况（DLC）： （1）发电工况（1.1～1.9）：风机模型应考虑风轮不平衡、风轮制造所规定的最大质量和气动不平衡限制、最佳运行工况实际同理论的偏差。在计算中应假设各种情况的最不利组合，如风向改变与典型偏航角度误差组合与电气接头损坏组合，应包含由大气湍流引起的载荷要求。1.3和1.6～1.9规定了作为风力发电机组寿命评定的可能临界事件的瞬态情况。在DLC1.4和1.5中，考虑了由于外部故障和电气接头损坏引起的瞬变事件。 （2）发电和产生故障（2.1～2.3）：假设控制和保护系统的任何故障，或电气系统的内部故障（如发电机短路）在发电期间发生。其中2.1，控制系统故障属正常事件。2.2，保护系统或内部电气系统故障为罕见事件。如果某一故障没引起立刻停机，随后的载荷可导致结构产生明显疲劳损伤，则应在2.3中定义这种工况持续的时间。 （3）启动（3.l～3.3）：包括从静止或空转状态到发电这一过渡期间产生载荷的所有事件。 （4）正常关机（4.1～4.2）：包括从发电到静止或空转状态的正常过渡期间产生载荷的事件。

叶片气动载荷计算与载荷分布规律分析 文献参考

全球已有50多个国家正积极促进风能事业的发展。由于风力发电技术相对成熟，许多国家投入较大、发展较快，使风电价格不断下降，考虑环保和地理位置因素，加上政府税收优惠和相关政策的支持，有些地区风电可与火电等竞争。与其他地区相比，欧洲的风能发电发技术发展最快，居全球领先，其中德国十分重视风电发展，目前是世界上风电装机最多、风电技术最先进的国家，风力发电量可满足全国电力消费量的4．7％左右。德国风力发电设备制造技术及规模处于世界领先水平，在国际市场上占有重要地位。此外还有美国、西班牙、英国、芬兰、瑞士等国家。全球风能协会(GWEC)在其报告中公布，2006年全球风电机组新安装量为15 197 MW，累计安装总量达74 223 MW。上述统计涉及全球逾70多个国家和地区。所有国家中机组安装总量最高的依次是德国(20621MW)、西班牙(11 615MW)、美国(11 603MW)、印度(6 270MW)和丹麦(3 3136MW)。目前，全球已有13个国家迈入安机量超1 GW的队伍之中。 风力机叶片是风力机最重要的部件之一，也是受力最为复杂的部件。叶片在运行中由于气动力、弹性力和惯性力的锅合作用而引起的不稳定振动，常常是导致叶片破坏的重要原因之一。因此，叶片的气动弹性稳定性问题一直是人们所关注的研究课题。叶片气动弹性计算大都采用类似直升机旋翼的经典方法，考虑叶片挥舞、摆振和扭转振动的组合。Houbolt和Brooks推导了无锥角、非均匀桨叶挥舞——扭转耦合的运动微分方程。Wendell推导了适用于风力机叶片的气动载荷，并用非耦合的非旋转模态研究了其气动弹性稳定性问题。Kottapalli等用非耦合的旋转模态对该问题进行了研究，在计算过程中，忽略了叶片和塔架的耦合效应，对非线性方程线性化，得出了风力机叶片的静态响应及其稳定性边界，但与试验结果相比偏于保守。Miller等用半刚性模型研究叶片的气动弹性稳定性问题。Chopra和Dugundji用非线性半刚性模型研究了叶片的气动弹性响应和稳定性问题。李本立和安玉华建立了风力机转子叶片的非线性运动方程，采用模态法求解挥舞、摆振、扭转运动微分方程，并应用了数值方法对风力机的气动弹性稳定性进行了模拟和分析。曹人靖、刘冥建立了基于压力表示法的水平轴风力机叶轮气动弹性稳定性敏感性分析方法，综合考虑了风力机叶轮的气动与结构参数对气动弹性稳定性的影响 国内在风力发电机叶片方面的分析研究，大多集中在叶片的性能计算、模态分析等方面。在模型设计中，更多的是优化国外模型，或者优化国外的翼型；国内叶片设计模型大体基于叶素一动量理论和涡流理论，优化方法大体为复合型法和遗传算法；国内小型风力机的设计方法比较成熟，但不能用设计小型风机叶片的方法来设计大型风机叶片。

风力发电机组风荷载分析及优化设计

风力发电机组风荷载分析及优化设计 一、引言 风力发电是目前可再生能源中占据相当重要位置的一种，风力发电机组也是其重要组成部分之一。与其它工程系统相比，风力发电机组主要面临的挑战之一就是大风荷载下的稳定性能。本文将从风荷载分析及优化设计方面探讨如何提升风力发电机组的稳定性能。 二、风荷载分析 1. 风荷载形式 在风力发电机组中，风荷载主要是指风及其产生的风力作用在风轮及其支撑系统上所形成的荷载。根据气象学研究，风力可以分为三种形式：切向风、径向风和上升气流。其中最主要的当属切向风，即来自于风速分量沿风轮叶片切线方向的力。 2. 风荷载计算 风荷载的计算一般可以采用下列方法： （1）椭圆轨迹法：将风力作用点看成一个运动点，其受到的风荷载所形成的作用线经过研究后发现是椭圆形的，最大荷载所在位置即为椭圆的焦点之一。

（2）风口逆推法：通过揭示叶片在不同风速下的变形规律和 受力行为，得到了叶片结构变形和受力响应的特性参数，然后结 合气象物理及气动特性等，经过逆推出风速下叶片受力情况，进 而计算出整机的风荷载。 （3）场合适法：利用CAD软件建立计算模型，通过模拟流场 中流动场、压力场等参数，综合考虑叶片的材料、形状、缆索布置、叶根安装等影响因素对风力发电机组的激励能力进行模拟计算。 3. 风荷载分析结果及优化设计 通过以上方法得出的风荷载分析结果可以用于进行稳定性分析，并通过优化设计降低风荷载带来的影响。优化设计中主要包括以 下几个方面： （1）优化叶片结构 由于叶片是风能转换核心部分，因此叶片的结构及其质量直接 影响到发电机组的稳定性。叶片的优化设计可以包括减轻质量、 改变叶形和优化叶片布局等方面。 （2）优化筒杆和传动系统 筒杆和传动系统也是风力发电机组中非常重要的部分，优化设 计主要包括减小振动、降低噪声、提高精度等方面。

风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合研究

风力发电钢塔筒的荷载计算方法 和荷载组合研究 赵文涛曹平周陈建锋 (河海大学土木工程学院，江苏南京210098) (College of Civil Engineering, Hohai University, Nanjing 210098) [摘要] 目前我国相关规范和规程尚没有对风力发电钢塔筒给出具体的荷载计算方法。本文分析研究了风力发电塔筒的荷载特点，总结了风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合。对水平气动载荷公式进行修正，提出修正系数0.4，并对某MW级风力发电塔筒的力学性能进行了有限元分析，提出塔筒设计时可变荷载中的第一可变荷载和最不利工况。 [关键词]风力发电；钢塔筒；荷载；有限单元法 ABSTRACT：At present, there are no specific load calculation methods about wind turbine tower in Chinese standards. In this paper, it was analyzed and summarized about load character, load calculation methods and loads combination. The paper proposes correction coefficient 0.4, while aerodynamic load equation was corrected. After finite element analysis of one MW wind turbine tower, the paper proposes the first variable load and the worst load case about the design of wind turbine tower. KEYWORDS：wind turbine; steel tower; load; finite element method 引言 风能作为一种绿色能源，得到世界各国的重视和开发利用。塔筒作为风力发电机和叶轮的支撑结构，其结构的安全可靠性是确保风力发电机组正常运转的关键因素之一。塔筒结构的设计，首先要涉及到荷载作用。除了自身的重力外，塔筒还要受到风轮和机舱的重力作用以及作用在塔身上的风荷载，另外还要受到通过风轮作用在塔筒顶端的气动荷载、偏转力、陀螺力和陀螺力矩等。塔筒所受荷载具有特殊性，目前我国还没有统一的风力发电塔筒承受作用计算方法，已建塔架考虑所受荷载采用的计算公式差别较大。本文分析风力发电塔筒的荷载特点，结合相关研究成果，总结系统的塔筒荷载作用类型和计算方法以及荷载组合方式。对某MW级风力发电塔筒的力学性能进行了有限元分析，提出塔筒设计时可变荷载中的第一可变荷载和最不利工况。 1 风力发电塔筒的荷载特点与荷载计算方法 1.1 风力发电塔筒的荷载特点 风力发电塔筒属于自立式高耸结构，风荷载通常是引起结构侧向位移和振动的主要因素，起控制作用。风力发电机的发展方向是容量增大，随之风轮直径加大，塔架高度增加，导致作用在塔身上的风荷载增大。研究表明，由风压增大造成的荷载增加要小于塔高增加引起挡风面积的增加而引起的荷载增加[1]。除了塔身受到风荷载作用，塔筒顶端还受到风轮和机舱传来的多种力和力矩作用。在风轮运行过程中，风轮将作用在其扫掠面上的气动荷载以及自转产生的转矩传给塔架。由于风轮直径较大，可达70m,作用在风轮扫掠面积上端的风速不同于下端的风速，这种风速分布的不均匀性以及风向的偏转会产生偏转力、偏转力矩及俯仰力矩。由于旋转着的风轮能够随着风向的改变自动调节迎风方向，即风轮会绕着塔筒轴线转动，因此塔筒还受到陀螺力和陀螺力矩的作用。 现代风机功率较大，塔筒高度较高，作用在塔壁上的风荷载沿塔高有较大变化。通过风轮和机舱传递给塔筒的荷载可以简化为沿三个坐标轴方向的集中力和力矩。风力发电塔筒受

风力发电机组叶片的气动性能分析

风力发电机组叶片的气动性能分析 近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的迅速发展，风力发电成为了 重要的清洁能源之一。而风力发电机组的叶片作为其中的关键组成部分，其气动性能的分析对于提高发电效率具有重要意义。本文将重点探讨风力发电机组叶片的气动性能分析，并深入研究其原理和影响因素。 一、气动性能分析的原理 风力发电机组叶片的气动性能分析是通过计算机辅助工程（CAE）软件来模拟 和预测叶片在风场中的响应。其中，主要采用的方法是数值模拟和风洞试验。数值模拟方法基于流体力学和数学模型，通过模拟风场中的流体流动，计算叶片表面的压力分布、力矩和阻力等参数，以评估叶片的性能。而风洞试验则是通过实验室环境中的风流模拟真实的风场，通过测量叶片表面压力分布和受力情况，来推导叶片的性能参数。 二、气动性能影响因素分析 风力发电机组叶片的气动性能受多种因素的影响，以下将分别介绍其主要影响 因素： 1. 叶片形状：叶片的外形和轮廓对气动性能有着重要影响。一般来说，采用更长、更窄的叶片可以提高效率，但是也会增加叶片的结构复杂度和重量。同时，叶片的翼型横截面的选择也会对性能产生显著影响。 2. 叶片材料：叶片的材料选择直接关系到其强度和重量。常见的叶片材料包括 复合材料、纤维增强塑料等。合适的材料选择可以在保证叶片强度的同时减轻重量，提高风能利用率。 3. 叶片倾角：叶片倾角对叶片的气动性能也有关键影响。适当调整叶片倾角可 以改变叶片的攻角，实现更好的气动特性，并提高发电效率。

4. 风场条件：风的速度、方向和湍流强度等也是影响叶片气动性能的重要因素。不同的风场条件需要针对性地进行叶片设计，以获得最佳的气动性能。 三、气动性能分析技术应用 风力发电机组叶片的气动性能分析技术广泛应用于叶片设计、优化和性能评估 等方面。 1. 叶片设计和优化：基于气动性能分析的数值模拟方法，可以对叶片进行自动 化设计和优化，以满足预定的要求和目标。通过模拟和优化，可以寻找最佳的叶片形状、翼型和倾角等，实现更高效率的风能转化。 2. 叶片性能评估：通过气动性能分析，可以评估叶片在不同工况下的发电性能 和风能利用效率。这对于设计者和运维人员具有重要意义，可以指导叶片的选择、安装和维护，提高发电效益。 3. 叶片故障诊断：借助叶片气动性能分析技术，可以对叶片在使用过程中的性 能变化和故障进行诊断和监测。通过对比实测数据和理论模型，可以检测出叶片的结构变形、裂纹和磨损等问题，及时进行维护和修复。 总结： 风力发电机组叶片的气动性能分析是风电行业的重要研究领域。通过应用数值 模拟和风洞试验等方法，可以深入了解叶片的受力情况和风能利用效率。叶片设计的改进和优化可以提高风力发电机组的发电效率和可靠性，进一步推动可再生能源的发展。未来，随着科技的进步和模拟技术的发展，风力发电机组叶片的气动性能分析将会更加准确和高效。

风力发电机组性能分析

风力发电机组性能分析 随着全球对清洁能源的需求日益增长，风力发电作为一种可再生的能源形式，受到了广泛关注和重视。风力发电机组是将风能转换为电能的装置，其性能对于风力发电站的发电量和经济效益至关重要。本文将从风力发电机组的结构、工作原理及其性能分析等方面，探讨风力发电机组的特点及其对风能的有效利用。 1. 风力发电机组的结构 风力发电机组由风轮、转速变换装置、发电机、电气控制器等组成。其中，风轮是将风能转化为机械能的核心部件，通常采用多个叶片构成的桨叶来捕捉风能。转速变换装置负责将风轮的低速旋转转换为发电机所需的高速旋转。发电机则将机械能转换为电能，通过电气控制器进行传输和管理。 2. 风力发电机组的工作原理 风力发电机组依靠风能驱动风轮旋转，当风轮旋转时，转速变换装置将其转速提高到发电机要求的转速范围内。发电机使用磁场产生感应电流，通过转子与定子之间的电磁感应，将机械能转化为电能。电气控制器则负责控制和管理发电过程。 3. 风力发电机组的性能分析 风力发电机组的性能分析主要包括输出功率、发电效率、启动风速、额定风速等指标。 首先是输出功率，即风力发电机组每单位时间内所产生的电能。输出功率受到风速、风轮面积、叶片形状和发电机效率等因素的影响。当风速增大时，输出功率将呈指数增长。另外，适当选择风轮的面积和叶片的形状，可有效提高输出功率。 发电效率是指风力发电机组将风能转化为电能的效率。发电效率受到风能的利用程度和发电机的效率等因素的影响。发电效率的提高可以减少能源的浪费和环境污染，提高风力发电的经济效益。

启动风速是指风力发电机组开始发电所需要的最低风速。启动风速的影响因素较多，如风轮形状、发电机起动特性和传动装置的效率等。合理选择风轮和传动装置的参数可以降低启动风速，提高发电效率。 额定风速是指风力发电机组达到额定输出功率所需要的风速。额定风速的选择需要考虑风力资源和经济效益。当风速达到额定风速时，风力发电机组的输出功率达到最大值。 综上所述，风力发电机组是利用风能转换为电能的清洁能源装置。通过分析风力发电机组的结构、工作原理及其性能，我们可以更好地了解风力发电机组的特点及其对风能的有效利用。不仅如此，风力发电机组的性能分析对于风力发电产业的发展和推广也具有重要意义。在未来，我们可以进一步优化风力发电机组的设计和运行，以提高其性能，实现可持续发展的目标。

偏航工况下Phase Ⅵ叶片翼型及风轮的动态气动特性研究

偏航工况下Phase Ⅵ叶片翼型及风轮的动态气动特性研 究 偏航工况下Phase Ⅵ叶片翼型及风轮的动态气动特性研究 引言： 风电作为可再生能源的重要组成部分，已经成为减缓气候变化和实现能源转型的重要手段之一。然而，风力发电机在运行过程中常常会遭遇各种复杂的气象条件，特别是偏航工况下的风力发电机叶片运动更为复杂，这对其动态气动特性的研究提出了新的挑战。本文针对Phase Ⅵ叶片翼型及风轮在偏航工况下的动态气动特性进行研究，以期为提高风力发电机的性能和可靠性提供理论指导和工程实践基础。 一、偏航工况下风力发电机的背景和意义 偏航是指风力发电机在风向与风轮旋转轴线垂直的方向上发生的角度偏差。这种情况常见于高风速工况、龙卷风等恶劣天气环境中，也可能由于设备故障或其他因素引起。对于风力发电机来说，偏航工况会带来许多问题，比如叶片结构受力不均匀、风轮运行不稳定、功率输出下降等。因此，研究偏航工况下风力发电机的动态气动特性对于提高其性能和可靠性至关重要。 二、动态气动特性研究的理论方法和实验手段 1. 理论方法 理论方法是研究动态气动特性的基础和重要手段之一。通过建立复杂的数学模型和计算方法，可以对偏航工况下风力发电机的动态气动特性进行深入研究。例如，可以利用流场分析方法求解风力发电机叶片周围的气动力和气动矩，进而分析叶

片的受力情况和响应特性。 2. 实验手段 实验手段是验证理论模型和方法的重要手段。通过搭建实验平台和采用现代测量技术，可以对偏航工况下风力发电机的动态气动特性进行实时监测和分析。例如，可以利用静态压力传感器测量风力发电机叶片表面的气动压力分布，通过高速相机观察叶片在偏航工况下的运动轨迹和变形情况。 三、Phase Ⅵ叶片翼型及风轮的动态气动特性研究 本文选取Phase Ⅵ风力发电机作为研究对象，通过理论 分析和实验手段研究其叶片翼型及风轮在偏航工况下的动态气动特性。 1. 理论分析 首先，利用流场分析方法建立Phase Ⅵ风力发电机叶片 周围的气动力学模型。考虑到偏航工况下风速和风向的不均匀性，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法求解风 力发电机叶片表面的气动力和气动矩。根据计算结果，分析叶片在偏航工况下的受力情况和响应特性，揭示其动态气动特性。 2. 实验验证 其次，搭建Phase Ⅵ风力发电机的实验平台，利用静态 压力传感器和高速相机等现代测量技术对叶片翼型及风轮在偏航工况下的动态气动特性进行实时监测和分析。通过对比实验数据和理论计算结果，验证理论模型和方法的准确性和可行性。 四、结论与展望 通过对Phase Ⅵ风力发电机叶片翼型及风轮在偏航工况 下的动态气动特性进行研究，可以更好地理解其受力和响应特性，为提高风力发电机的性能和可靠性提供理论指导和工程实

风力发电机组性能分析与优化设计

风力发电机组性能分析与优化设计 随着人们对可再生能源的需求日益增长，风力发电作为一种高效且环保 的能源形式，受到了广泛的关注和应用。而风力发电机组作为风力发电系统 的核心部件，其性能分析与优化设计对于提高能源利用效率和降低成本具有 重要意义。本文将对风力发电机组的性能进行深入分析，并提出优化设计的 方法。 一、风力发电机组性能分析 1. 功率曲线分析：风力发电机组的功率曲线是描述其在不同风速下输出 功率的关系曲线。通过对功率曲线的分析，可以了解不同风速下风力发电机 组的运行状态和效率。在设计阶段，需要根据当地的风速数据和气象条件， 合理确定风力发电机组的额定风速和切入风速，以获得最大的能源输出。 2. 发电效率分析：发电效率是衡量风力发电机组输出能源利用效率的重 要指标。通过对发电效率的分析，可以发现机组运行过程中的能量损失和改 进空间。提高发电效率可以增加系统的经济效益，并减少对自然资源的依赖。 3. 噪音分析：风力发电机组运行时会产生噪音，对周围环境和生活居民 产生一定的影响。通过对噪音的分析，可以确定机组的噪音水平，并提出相 应的控制措施。减少噪音对于保护环境和提升机组的社会接受度具有重要意义。 二、风力发电机组优化设计 1. 叶片设计：叶片是风力发电机组的核心部件，直接影响到机组的转速 和发电效率。通过对叶片的形状、材料和结构进行优化设计，可以提高机组 的转动效率，降低噪音和振动，增加机组的寿命。

2. 控制系统设计：风力发电机组的控制系统对机组的性能和稳定运行起到至关重要的作用。优化设计控制系统可以实现风速跟踪和机组变桨控制，提高机组的适应性和动态性能。此外，通过合理的控制策略可以最大限度地提高机组的发电效率。 3. 故障诊断与预测：风力发电机组的故障对机组的性能和可靠性产生重大影响。通过对机组的故障诊断和预测，可以及时发现故障并采取相应的维修措施，提高机组的可靠性和可维护性。 三、风力发电机组性能优化的挑战与解决方案 1. 风场复杂性：风力发电机组通常建设在开阔的地区，受到多种复杂的气象条件和风场影响。针对不同的气象条件和风速特点，需要根据实际情况进行性能分析和优化设计。 解决方案：建立合理的数学模型，利用计算机仿真技术对机组的性能进行分析和优化设计。结合实测数据和大数据分析，制定针对不同气象条件的机组运行策略。 2. 资源限制和成本压力：风力发电机组的建设和维护成本较高，同时受到资源限制的影响。为了降低成本并提高效益，需要在设计和运行中精确把握资源需求和投入产出比。 解决方案：采用先进的材料和制造工艺，提高机组的质量和可靠性；制定合理的运行和维护计划，降低机组的运营成本；积极推动技术创新，提高风力发电系统的整体性能。 四、结论

外部环境对风电机组性能影响分析

外部环境对风电机组性能影响分析 摘要：清洁能源中的风能资源开发在国家推动下发展较快，大量风电机组运 行中暴露许多问题，因此提高风电机组运行稳定性尤为重要。风电机组的性能是 决定发电质量和效率的重要因素。随着大量风电机组投入运行，一些风电场陆续 出现风电机组在恶劣环境中运行导致的性能问题。由于中国地域辽阔，不同地区 的风电场运行环境不同。其中温度变化对功率输出的影响不容忽视，成为影响风 电机组运行的一大因素。对于温度变化对功率曲线的影响，说明了空气密度对风 电机组性能的影响和对于温度变化时风电机组功率影响，重点阐述了在海拔较高 的地区，叶片易形成覆冰情况，也会大大影响风电机组的功率因数。主要论述了 气候因素导致叶片表面结冰的问题，分析了叶片表面结冰后风轮气动性能的变化，并对不同程度的叶片表面结冰情况下，气动性能和风能利用率的变化进行对比分析。指出海拔高度和风电机组气动性能密切相关，海拔高于1000m时，风电机组 运行环境将急剧变化。随着陆地和低海拔地区风力开发逐渐饱和，高海拔地区将 成为重点开发地区，但高原环境给风电机组叶片气动性带来的影响不容忽视。 关键词：外部环境；风电机组；性能影响 引言 风能和风能是世界各国政府开发和利用的清洁能源。目前，中国主要面向东 南沿海，主要位于蒙古和甘肃地区的海风养殖场正在开发中。青藏高原和高原地 区风电场建设仍处于起步和试验阶段。2012年5月，旧金山首座高原原型风电场 在甘肃附件海拔3200米的地方建成，2018年安装了66台1.5瓦风轮，时速1.2 亿千瓦。2014年10月，西藏风电场4700m在5个1.5瓦风电场运行。这是目前 世界上最受欢迎的风电场，也是西藏唯一正在建设的大型风电场。 1风电机组气动特性分析 风力机是通过风能的推动而旋转的机构，主要为发电机转子旋转提供动能。 虽然能量守恒，但风能推动风力机旋转时由于机械摩擦力等因素存在能量损失，

风力发电机组风机叶片气动特性分析与优化设计

风力发电机组风机叶片气动特性分析与优化 设计 第一章：引言 引言部分介绍了风力发电作为清洁能源的重要性和发展现状， 以及风机叶片气动特性分析与优化设计的研究背景和意义。 第二章：风机叶片气动特性分析的基本原理 本章主要介绍了风机叶片气动特性分析的基本原理，包括流体 力学基本理论、风机叶片流场模型、风机叶片气动力学方程等内容。 第三章：风机叶片气动特性分析的数值模拟方法 本章介绍了风机叶片气动特性分析的数值模拟方法，包括计算 流体力学（CFD）方法、雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程模 拟等方法，并对各种方法的优缺点进行了比较和分析。 第四章：风机叶片气动特性分析的实验方法 本章介绍了风机叶片气动特性分析的实验方法，包括风洞试验、气动力测量技术、流场可视化等内容，并对各种方法的应用范围 和限制进行了详细说明。 第五章：风机叶片气动特性分析的影响因素

本章主要讨论了影响风机叶片气动特性的各种因素，包括风速、风向、风轮转速、叶片设计参数等，并对这些因素对风机性能的 影响进行了系统的分析和讨论。 第六章：风机叶片气动特性分析的优化设计方法 本章介绍了风机叶片气动特性分析的优化设计方法，包括改变 叶片几何形状、优化叶片结构材料、提高风机传动效率等方法， 并对这些方法的效果和应用前景进行了评价和展望。 第七章：风机叶片气动特性分析与优化设计的应用实例 本章通过实际案例分析，介绍了风机叶片气动特性分析与优化 设计在实际工程中的应用，包括风场风力发电站、海上风力发电 站等领域，并对其应用效果进行了评估和总结。 第八章：结论和展望 结论部分对本文进行了全面总结，并对未来风机叶片气动特性 分析与优化设计的发展方向进行了展望，包括研究方法的改进、 试验设备的完善、理论模型的进一步优化等建议。 参考文献： 本文参考了大量相关领域的研究成果和学术文献，详细列出各 类参考文献，以供读者深入了解和进一步研究。