1、风力机空气动力学知识n主要内容：主要内容：n1.概述：n2.基本理论：动量理论；叶素理论；动量叶素理论。n3.风力机空气动力设计：几何参数；空气动力设计参数；翼型；叶片气动外形设计。n4.风力机性能：性能计算方法风轮功率特性风轮转矩特性风轮轴向力（推力）特性 风力机功率特性n5.风力机载荷 风力机载荷情况 风力载荷计算n6.风力机气动弹性（后续）1.概述概述 风能工程是踪合性很强的技术科学，涉及到气象学、空气动力学、结构动力学、机械学、计算机技术、控制技术、材料工程、机电工程和环境科等学多学科和多专业，其中空气动力性则是关键的学科这之一。一个空气动力性能好的风力机不但具有较高的功率系数，较好的
2、经济效益，使用安全可靠方面以及减少环境噪声各方面都有良好的技术效果和社会效益。风力机是风能工程中的核心装备，其中风轮是关键部件。在风的作用下形成空气动力使风轮旋转，将空气动力转换成机械能，再通过传动系统和电气系统将机械能转换成电能。因此，风能工程中的空气动力问题主要是风轮叶片的空气动力问题。风力机空气动力学涉及的主要内容包括：空气动力模型、翼型空气动力特性、叶片空气动力设计、风轮性能计算、风力机空气动力载荷计算、风力机气动弹性稳定性和动力响应、风力机空气动力噪声和风力机在风电场中的布置等。研究风能工程中的空气动力问题方法有：理论计算、风洞试验、风场测试。理论计算是将空气动力性的基本理论用于建立
3、风力机的空气动力模型，研究风力机的空气动力特性。由于风力机的空气动力学问题比较复杂，目前理论计算还有一定的局限性，还需通过风洞试验和风场测试的方法来补充和完善。2.基本理论基本理论 风力机空气动力学问题的描述、解析和求解的理论有：动量理论、叶素理论、动量叶素理论和涡流理论。2.1动量理论 动量理论用来描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系，计算出风轮能从风的动能中转换成多少机械能。n2.2叶素叶素理论理论 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。假设在每个叶素上的流动互相之间没有干扰，即叶素可以看成是二维翼型，将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，就可以求得作
4、用在风轮上的力和力矩。对每个叶素来说，其速度可以分解为垂直于风轮旋转平面的分量Vx0和平行于风轮旋转平面的分量Vy0，速度三角形和空气动力分量如图2-1所示。图中：角为入流角，为迎角，为叶片在叶素处的几何扭角。图2-1 叶素上的气流速度三角形和空气动力分量 合成气流速度V0引起的作用在长度为dr叶素上的空气动力dFa可以分解为法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分别表示为：式中：V0合成气流速度；空气密度；c叶素剖面弦长 Cn、Ct分别表示法向力系数和切向力系数这时，作用在风轮平面dr圆环上的轴向力（推力）可表示为 式中B叶片数。作用在风轮平面dr圆环上的转矩为t0t1dF=cV C
5、dr220n1dT=B cV C dr220t1dM=B cV C rdr2n0n1dF=cV C dr2n2.3动量动量叶素理论叶素理论 动量叶素理论主要通过动量理论和经典翼型理论以及一些必要合理的假设，得到叶素（小的叶片段）位置的诱导速度。通过迭代方法求的轴向诱导因子a和周向诱导因子b，迭代步骤如下：（1）假设a和b的初值，一般可取0；（2）计算入流角 （3）计算迎角 （4）根据翼型空气动力特性得到叶素的升力系数Cl和阻力系数Cd；11aVarctan1br-=+（）（）=-（5）计算法向力系数Cn和切向力系数Ct （6）计算新的a和b值 （7）比较计算的a和b值与上一次的a和b值，如果误
6、差小于设定的误差值（一般可取0.0001），则迭代终止；否则，再回到（2）继续迭代。需要指出的是：当风轮进入涡环状态时，还要用经验公式对动量叶素理论进行修正。迭代求的a和b值后，根据叶素理论可以积分求得风轮主轴与力与力矩，进而求得风能利用系数等参数。nldCC cosC sin=+tldCC sinC cos=-n2Ca1a4Fsin=-tCb1b4Fsincos=+n3.风力机空气动力设计风力机空气动力设计n3.1风力机几何参数 1.叶片几何参数 1）叶片长度：叶片展向的最大长度，用L表示。2）叶片弦长：叶片各剖面处翼型的弦长，用c表示。叶片弦长沿展向变化，叶片根部剖面的翼弦称翼根弦，用cr
7、表示，叶片梢部剖面的翼弦称翼稍弦，用ct表示。3）叶片面积：是叶片无扭角时在风轮旋转平面上的投影面积，用Ab表示。4）叶片平均几何弦长：是叶片面积Ab与叶片长度的比值，用C表示，C=Ab/L 5）叶片扭角：用表示，它是叶尖桨距角为零的情况下，叶片各剖面的翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。6）叶片转轴(机械回转轴)7）叶片桨距角：叶片尖部剖面翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。2.风轮几何参数 1）风轮叶片数：组成风轮的叶片的个数，用B表示。2）风轮直径：风轮旋转时风轮外圆直径，用D表示。3）风轮面积：通常指风轮扫掠面积，用A表示。A=D2/4 4）风轮锥角：叶片与旋转轴垂直的平面的夹角，用表示。锥角的作
8、用是当风轮旋转时叶片离心力会产生与方向相反的分力，以此抵消风压力对叶片的弯曲载荷，减少叶片根部的弯应力。5）风轮仰角：风轮旋转轴与水平面的夹角，用表示。仰角的作用是防止叶片梢部与塔架碰撞。6）风轮偏航角：来流速度矢；在水平面上的分量与通过风轮旋转轴的铅垂面的夹角，用表示。7）风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，用表示，=BAb/A。8）风轮高度：风轮轮毂中心的离地高度，用Hh表示。n3.2风力机空气动力设计参数风力机空气动力设计参数 1.叶片数 水平轴风力发电机组的风轮叶片一般是2片或3片，其中3片占多数。当风轮直径和风轮旋转速度相同时，对刚性轮毂来说，作用在两叶片风轮的脉动载荷要大
9、于三叶片风轮。另外，实际运行时，两叶片风轮的旋转速度要大于三叶片风轮，因此，在相同风轮直径时，由于作用在风轮上的脉动载荷引起的风轮轴向力（推力）的周期变化要大一些。2.风轮直径 风轮直径决定于风力机的额定功率，还与风力机运行地区的海拔高度、风轮功率系数、传动系统及发电机的效率等因素有关。风力机设计时，通过计算选定一个风轮直径。式中P风力机输出功率 空气密度，一般取1.225kg/m3 Vr风力机额定风速 D风轮直径 CP风轮功率系数，一般取0.4-0.45；1传动系统效率，齿轮箱取0.9-0.92 2发电机效率，直驱永磁电机取0.7-0.932rP 121P=VD C8 3.额定风速 风力机额
10、定风速与风力机运行地区的年平均风速和风速分布状况直接相关，一般其额定风速与年平均风速之比为2.0以上。4.叶尖速比 叶尖速比是风力机叶片设计时的重要参数，叶尖速比不仅影响叶片空气动力性能，而且还和风力机其他特性有关。一般，两叶片风力发电机组的叶尖速比在9-10之间，三叶片风力发电机组的风轮叶尖速比在6-8之间。5.风轮转速 当风力机额定功率和风轮直径确定后，增加风轮转速，可以减小风轮转矩，即减少作用在风力机传动系统上的载荷和降低齿轮箱的增速比。风轮转速增加后，在额定风速相同时，叶片的弦长可以减小，使叶片挥舞力矩的脉动值减小，有利于叶片的疲劳特性和机舱塔架的结构设计。6.塔架高度 塔架高度是风力
11、机设计时要考虑的一个重要参数。一般，H/D=0.81.2。n3.3风力机翼型风力机翼型 1.风力机翼型 长期来，风力机翼型主要选自航空翼型，如NACA44系列、NACA63-2系列翼型等。专门的风力机翼型有美国的NREL S系列、瑞典的FFA-W系列和荷兰的DU系列。风力机和航空翼型在运行环境、载荷和结构有下列不同：（1）风力机叶片是在相对较低的雷诺数下运行，翼型边界层的特性发生变化；（2）风力机叶片在大入流角（迎角大）下运行，这时翼型的深失速特性显得十分重要；（3）风力机做偏航运动时，叶片各剖面处的入流角（迎角大）呈周期性变化，需要考虑翼型的动态失速特性；（4）风力机叶片在大气近地层运行，沙
12、尘、碎石、雨滴、油污等会使叶片表面的粗糙度增加，影响翼型空气动力特性；（5）从结构强度和刚度考虑，风力机翼型的相对厚度大。2.翼型几何参数 中弧线、前缘、前缘半径、后缘、后缘角、后缘厚度、弦长、厚度、弯度 1）中弧线：垂直于弦线度量的上、下表面间距离的中点连接线。2）前缘：中弦线的最前点。3）前缘半径：翼型前缘处内切圆的半径。4）后缘：中弦线的最后点。5）后缘角 6）后缘厚度 7）弦长：翼型前后缘之间的连线，弦线的长度称为翼型弦长。8）厚度：垂直于弦线度量上、下表面间的距离为翼型的厚度。最大厚度与弦长的比值称为相对厚度。9）弯度：中弧线到弦线的最大距离，弯度与弦长的比值称为相对弯度。3.翼型空
13、气动力特性 翼型空气动力特性包括升力、阻力、俯仰力矩、气动中心（焦点）和压力中心位置等。1）升力特性：翼型升力特性通常用翼型升力系数Cl随迎角变化的曲线来表示，按迎角大小一般可以划分为附着流区、失速区和深失速区三个流动区。随着流区的迎角范围约从-10至10；失速区的迎角范围约从10至30；深失速区的迎角范围约从30至90。当迎角增加到10左右时，气流开始分离，升力系数随迎角的增加开始变得缓慢，并逐渐下降。在失速区，翼型上出现的气流分离有四种类型，即薄翼型分离、前缘分离、后缘分离和混合分离。薄翼分离通常出现在相对厚度=6%的薄翼型上，薄翼型的前缘半径很小。图3-2 翼型在不同分离形式时的升力曲线
14、(a)后缘分离；(b)前缘分离；(c)薄翼分离。在迎角不大时，前缘就发生层流分离，然后转捩为湍流后再附着于翼型表面，在分离点与再附着点之间形成气泡，随着迎角的增加，向后缘迅速扩展，到一定迎角时，变成完全分离。图3-2给出了翼型在不同分离形式时的升力特性。前缘分离、后缘分离、薄翼分离如图所示。需要指出的是：翼型边界层的分离一旦引起翼型失速后，即使马上回复到失速前的迎角，翼型边界层也不会马山再附，恢复到分离前的流动状态，这种现象称为流动迟滞现象。（2）阻力特性 翼型的阻力特性可以用翼型阻力系数Cd随迎角变化的阻力曲线来表示，也可以用翼型阻力系数随翼型的升力系数变化的极曲线来表示。在附着区，翼型阻力
15、主要是摩擦阻力，阻力系数随迎角增加缓慢增大；气流发生分离后，翼型阻力主要是压差阻力，阻力系数随迎角增加迅速增大。如图3-3为Cl、Cd及升阻比曲线图。图3-3 NREL S系列翼型的空气动力特性（b）升力特性和阻力特性；（c）升阻比特性 3.翼型表面粗糙度对升力特性的影响，有经验数据显示，前缘粗糙可使原本升力为1.2的翼型降为0.60.7。如图3-4，表面粗糙度对翼型空气动力特性的影响。图3-4 表面粗糙度对翼型空气动力特性的影响 4.雷诺数对翼型空气空力特性影响 雷诺数的大小影响流动分离，从而改变翼型的空气动力特性。当雷诺数较小时，前缘分离气泡的存在、发展和破裂对雷诺数非常敏感；当雷诺数较大
16、时，翼型最大升力系数也相应增大。n3.4风力机叶片气动外形设计风力机叶片气动外形设计 风力机叶片气动外形设计的任务是根据风力机总体设计技术指标，确定风力机叶片的几何外形，包括叶片扭角、弦长和相对厚度沿展向的分布。对于变桨距叶片还要给出桨距中心位置和桨距角随风速变化的规律。1.设计参数 风力机型式（上风向或下风向，定桨距或变桨距）；叶片数；额定风速；额定功率；切入风速；切除风速；风轮转速；风轮直径；风轮倾角；叶片锥角；风轮旋转方向；轮毂直径；轮毂高度；轮毂与叶片连接处至轮毂中心的距离；风轮功率系数；发电机效率；传动系统效率等。2.翼型选择和分布 翼型选择 目前用与风力机叶片的翼型有两类：一类是航
17、空翼型；另一类是风力机翼型。根据风力机性能的需要，风力机翼型一般应要求在分离区内有稳定的最大升力系数，有很大的升阻比，表面粗糙度对翼型空气动力特性影响小等特性。专门风力机翼型：美国NREL S系列、瑞典FFA-W系列、荷兰DU系列等。2.设计方法 目前主要采用动量叶素理论对风力机叶片气动外形进行优化设计。（1）设计变量 风力机叶片气动外形设计变量为叶片展向变化的剖面弦长c、相对厚度t和几何扭角。（2）目标函数 对定桨距风力机，一般选用失速特性较平稳的翼型来控制高风速时的输出功率，为此，采用给定风力机风轮直径和转速，且叶尖桨距角为零度时的风力机年平均输出功率作为设计目标。对变桨距风力机，一般在风
18、力机输出功率超过额定功率时，通过改变桨距角使输出功率等于额定功率，为此，采用给定风力机风轮直径和转速，且叶尖桨距角为零度、风速为设计风速时的风轮功率系数作为设计目标。对变桨距风力机，一般在风力机输出功率超过额定功率时，通过改变桨距角使输出功率等于额定功率，为此，采用给定风力机风轮直径和转速，且叶尖桨距角为零度、风速为设计风速时的风轮功率系数作为设计目标。3）约束条件 风力机叶片气动外形设计时，约束条件包括结构约束和性能约束。结构约束包括：对叶片局部几何参数的约束；对叶片沿展向几个控制剖面处的几何参数如弦长、厚度和扭角，可参照同类产品的数据进行约束，给出限制值。性能约束包括：在额定风速时达到额定
19、功率；对定桨距风力机，要求在所有情况下，风力机输出功率不能大于最大功率等。4.风力机性能风力机性能 风力机性能主要包括功率特性、转矩特性和轴向力（推力）特性。4.1性能计算方法性能计算方法 通过积分求出作用在风轮上的轴向力（推力）T、转矩M和轴功率P，分别为 式中 B叶片数；R风轮半径；空气密度；V0合成气流速度；c叶片剖面弦长；Cn、Ct法向力系数、切向力系数。P=MR20n0TV cC dr2B=R20t0V cC dr2BM=一般，风力机性能用风轮功率系数CP、风轮轴向力（推力）系数CT和风轮转矩系数CM给出：式中A风轮扫掠面积 R风轮半径 V来流风速 P3PC=1AV2T2TC=1AV
20、2M2MC=1ARV24.2 风轮风轮功率特性功率特性 风轮功率特性是评估风轮性能的重要指标，直接影响风力机的输出功率大小。风轮功率特性一般用风轮功率系数随叶尖速比的变化曲线（CP-曲线）表示。如图4-1为FX77/79的CP-曲线，图4-2为FX77/79在桨距角为零的情况下的CT-曲线。图4-1 风轮风能利用系数曲线 图4-2 风轮推力系数曲线 1.风轮实度影响 图4-3给出了不同风轮实度下的风轮功率系数曲线，由图可知：风轮实度低（叶片较少）时，在一个很宽的叶尖速比范围内保持高的风轮功率系数CP值，但最大功率系数CPmax值较小；风轮实度高（叶片数较多）时，高的风轮功率系数CP值只能在一个
21、较窄的范围内保持，随着实度的增加，对应风轮最大功率系数CPmax值减小；最佳的风轮实度是两叶片或三叶片风轮。图4-3 不同风轮实度时的风轮功率系数 2）风轮偏航角影响 图4-4给出了不同风轮偏航角（风向角）下的风轮功率系数曲线，当偏航角在15时，风轮功率系数约减小10%。偏航角越大，风轮功率系数减小越多，一般水平轴风力机都配置调向机构，当风向有较大变化时进行调向。在小型风力机上，也可以采用偏转风轮的方法来限制功率输出。偏转风轮有两种方法，一种是在垂直方向上偏转（上仰）风轮，另一种则在水平方向上偏转（偏航）风轮。图4-4 不同风轮偏航角时的风轮功率系数 3）叶片桨距角（安装角）影响 图4-5给出
22、了不同叶片桨距角下的风轮功率系数曲线，由图可知：不同叶片桨距角时，风轮功率系数发生变化，因此，可以通过变桨距的方式来调节风力机功率输出特性。图4-5 不同叶片桨距角时的风轮功率系数 3.风轮转矩特性 一般用风轮转矩系数随叶尖速比的变化曲线（CM-）来表示，并随风轮实度（叶片数）、风轮偏航角（风向角）和叶片桨距角（安装角）等变化而变化。由图4-6可知：随风轮实度的增加，风轮最大转矩系数增加，最大转矩系数所对应的叶尖速比减小。图4-6 不同风轮实度时的风轮转矩系数图4-7 不同风轮偏航角时的风轮转矩系数图4-8 不同叶片桨距角时的风轮转矩系数 4.风轮轴向力（推力）特性 风轮轴向力（推力）特性一般
23、用风轮轴向力（推力）系数随叶尖速比的变化曲线（CT-）表示，它也随随风轮实度（叶片数）、风轮偏航角（风向角）和叶片桨距角（安装角）等变化而变化。4-9 不同风轮实度时的风轮轴向力（推力系数）4-10 不同风轮偏航角时的风轮轴向力（推力系数）4-11 不同叶片桨距角时的风轮轴向力（推力）系数 4.5 风力机功率特性风力机功率特性 风力机功率特性一般用风力机输出功率随风速的变化曲线（P-V）和风力机功率系数随风速的变化曲线（CP-V）来表示。1.失速型风力发电机组的功率特性 失速型风力发电机组是通过风轮叶片失速来控制风力发电机组在大风时的功率输出，以及通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。
24、失速型风力发电机组的风轮叶片通过选择失速性能良好的翼型和合理的叶片扭角随展向的分布使叶片在风速大于额定风速后，在其根部开始进入失速，并随风速增加逐渐向叶尖处扩展，使功率减少。在高风速时，通过打开叶尖扰流器或让叶尖端部转动一个角度使风力发电机组迅速制动。2.变速恒频型风电力发电机组的功率特性 其风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能。在低于额定风速时，通过改变转速和叶片桨距角使风力发电机在最佳叶尖速比下运行，输出最大的功率；而在高于额定风速时，可以通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率，如图4-12所示。图4-13是变桨距调节功率时，叶片桨距角和转速随风速
25、的变化曲线：当风速超过额定风速时，变速恒频型风力发电机组将风轮叶片的入流角向小的方向，即使桨距角变大来调节，以减少功率输出；在风速低于额定风速时，为了减少变桨距调节的频度，一般可采取不变桨距的控制策略。图4-12 变速恒频风力发电机组的功率特性图4-13变速恒频型风力发电机组的桨距角调节曲线和转速调节曲线 3）主动失速型风力发电机组的功率特性 主动失速型风力发电机组风轮叶片是变桨距的，在低于额定风速时通过变桨距角使其功率输出增加；在高于额定风速时通过变桨距角是功率输出保持恒值。图4-14和图4-15分别给出了主动失速型风力发电机组的功率特性曲线和相对应的桨距角调节曲线。由图4-15可知：它和变
26、速恒频型风力发电机组不同，当风速超过额定风速时，桨距角向负的方向调节，而且调节的范围也很小。图4-14 主动失速型风力发电机组的功率特性图4-15 主动失速型风力发电机组叶片桨距角的调节曲线5.风力机载荷风力机载荷 n5.1风力机载荷情况风力机载荷情况 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IEC61400-2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
27、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：正常外部条件与风力机正常工作状态组合；正常外部条件与风力机故障工作状态组合；极端外部条件与风力机正常工作状态组合。根据IEC61400-2标准的规定，载荷情况如表5-1所列。表51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Fd，它和实际载荷Fr的关系为：式中rf载荷局部安全系数 如图5-2所示：表52 载荷局部安全系数dfrFr F=n5.2风力载荷计算风力载荷计算n5.2.1风力机载荷特性风力机载荷特性
28、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Qyb和弯矩Mxb、挥舞方向的剪力Qxb和弯矩Myb以及变桨距时，与变桨距力矩平衡的叶片俯仰力矩Mzb。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dFn和切向力dFt，（图2-1）然后通过积分求出作用在叶片上的空气动力载荷Qxb，Qyb，Mxb和Myb。式中R风轮半径；r0轮毂半径。一般翼型空气动力数据都是相对于翼型1/4弦线位置，因此，其俯仰力矩可表示为：22zb0m1dMV c C dr2=式中Cm翼型俯仰力矩系
29、数。图2-1叶素上的气流速度三角形和空气动力分量RrnxbdrcCVQ02021RrtybdrcCVQ02021RrnxbrdrcCVM02021RrtybrdrcCVM02021 （2）重力载荷 作用在叶片上的重力载荷对叶片产生摆振方向的弯矩，它随着叶片方位角的变化呈现周期的变化，是叶片的主要疲劳载荷。叶片上每个叶素有一个集中质量mi，则由它产生的重力矩Mxg为：RixggrdrrmM0)(（3）惯性载荷 叶片上的惯性载荷包括离心力和科氏力。离心力 由于风轮旋转而产生的作用在叶片上的离心力总是沿叶片向外的。当由于作用在叶片上的挥舞方向弯矩使柔性叶片偏离风轮旋转平面时，叶片上的离心力在挥舞方向
30、产生的弯矩可以减小叶片的偏离，称之为离心力刚化叶片效应。在叶片上由离心力产生的挥舞弯矩Myc可表示为 式中 第i段叶素偏离风轮旋转平面的距离。ililRiiycrdrmlM02 科氏力 当风轮旋转并同时作偏航运动时，叶片上产生垂直于风轮旋转平面上的科氏力载荷。设风轮顺时针旋转速度为（rad/s），偏航顺时针旋转速度为（rad/s），则由科氏力产生的叶片挥舞弯矩Myk可表示为 式中Ib叶片相对于叶根的惯性矩；叶片方位角。（4）操纵载荷 作用在风力机上的操纵载荷是由于风力机操纵时，对其部件施加的附加载荷，并由该载荷引起风力机部件加速度响应而诱导产生的惯性载荷。叶片上的操纵载荷主要是在气动刹车或变桨
31、距时产生的。RbiykIdrrmM02cos2cos2 2.轮毂上的载荷 作用在轮毂（风轮）上的载荷包括转矩、轴向力、偏航力矩和俯仰力矩。一般，大型风力发电机组轮毂都是安置在整流罩内，因此，作用在轮毂上的载荷主要是由叶片的载荷传递到轮毂上。作用在轮毂（风轮）上的转矩是风轮轴功率的来源，它由叶片摆振力矩Mxb合成产生，与叶片挥舞力矩一样随叶片的方位角变化，如图5-1所示。失速型风力机和变速恒频型风力机风轮转矩随风速变化情况不同：在高风速区，失速型风力机靠叶片失速来控制转矩增加；而变速恒频风力机靠变化叶片桨距角来控制转矩，使得其转矩变化比失速型风力机更平坦，如图5-2所示。图5-2 风轮转矩随风速
32、的变化情况（a）300KW失速型风力机；（b）1500KW便速恒频型风力机图5-1 风轮转矩随叶片方位角的变化 作用在轮毂（风轮）上的轴向力（推力）主要由叶片挥舞方向剪力Fxb合成产生。由于风剪切效应和塔影效应等影响，风轮轴向力（推力）随叶片方位角变化，如图5-3所示。失速型风力机和变速恒频型风力机风轮推力随风速增大而增大；而变速恒频风力机则由于叶片桨距角的变化，使风轮推力随风速增大而减小，如图5-4所示。图5-4 风轮轴向力随风速的变化情况（a）300KW失速型风力机；（b）1500KW变速恒频型风力机。图5-3 风轮轴向力随叶片方位角的变化 作用在轮毂（风轮）上的偏航力矩和俯仰力矩是由于风
33、力机运行时风轮叶片不对称，叶片在不同方位角时受到不均匀的载荷以及风轮偏航运动和风轮倾角等影响而产生的。图5-5给出了作用在轮毂（风轮）上的偏航力矩随叶片方位角的变化情况。图5-5 风轮偏航力矩随叶片方位角的变化 3.主轴上的载荷 作用在主轴上的载荷主要是由于轮毂上的载荷传递的。它包括转矩和两个方向（水平方向和垂直方向）的弯矩。主轴上的转矩与轮毂上的转矩相等；主轴上的水平方向弯矩与轮毂（风轮）上的偏航力矩相等；主轴上的垂直方向弯矩与轮毂（风轮）上的俯仰力矩与风轮系统的重力矩合成产生。除上述载荷外，还有在机械刹车时作用在主轴上的摩擦力和因发电机并网和掉网时作用在主轴上的冲击载荷。图5-6给出了某风
34、力机在停机过程中作用在主轴上的转矩的时间历程曲线，由图可知，在停机过程中对主轴作用一个脉冲载荷。图5-6 风力机停机过程中的载荷时间历程曲线 4.机舱上的载荷 机舱上的载荷包括作用在机舱罩上的载荷和作用在机舱底座上的载荷。作用在机舱罩上的载荷主要是空气动力载荷，作用在机舱底座上的载荷除了由风轮系统传递的载荷外，还包括机舱内传动系统传递的载荷。5.偏航系统上的载荷 偏航系统上的载荷主要是从机舱传递的载荷，除重力外，还包括偏航力矩、俯仰力矩、轴向力与侧向力。另外，风力机作偏航运动时，在偏航系统中还会产生操纵载荷。6.塔架上的载荷 作用在塔架上的载荷包括扭矩和两个方向（轴向和侧向）的弯矩以及塔顶上的
35、重力载荷。塔架上的载荷除了由偏航系统和系统传递的载荷外，还包括直接作用在塔架上的空气动力载荷和塔架自身的重力载荷。需要指出的是上面所述的风力机载荷计算方法是没有采用风力机气动弹性模型，当考虑风力机气动弹性时，由于风力机的一些部件，如叶片、塔架会产生动力响应，从而产生交变载荷。目前已有一些专门的软件，如FLEX4在进行风力机气动弹性稳定性分析同时可以预测风力机载荷。n6.风力机气动弹性（略）风力机气动弹性（略）风力机是一个刚柔耦合的多体系统，随着风力机额定功率的增加，塔架高度与风轮直径都已突破了100m量级，叶片的刚度越来越小，叶片的柔性越来越大。当风力机在自然条件下运行时，作用在风力机上的空气动力、惯性力和弹性力等交变载荷会使结构产生变形或振动，影响风力机的正常运行，严重时会导致风力机损坏。因此，风力机设计时必须考虑系统的稳定性和在外载作用下的动力响应，包括机械振动稳定性和动力响应，以及气动弹性稳定性和动力响应，主要有：风力机气动弹性稳定性和动力响应；风力机机械传动系统的振动风力机控制系统（包括偏航系统和变桨距系统等）的稳定性和动力响应；风力机系统的振动。
