二、葉片的空氣動(dòng)力特性

1.葉片上的載荷特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的周期性載荷主要分為空氣動(dòng)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(dòng)力、離心力和重力。

①空氣動(dòng)力載荷　空氣動(dòng)力載荷是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最主要的動(dòng)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(dòng)量理論進(jìn)行計(jì)算。

載荷的大小與風(fēng)輪直徑、葉根半徑、葉片上單位長(zhǎng)度翼型截面的風(fēng)力（相對(duì)風(fēng)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(huì)給葉片帶來很大的作用力。

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

③重力載荷　重力載荷對(duì)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(dòng)態(tài)載荷

葉片在空氣動(dòng)力、重力和離心力作用下，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。主要振動(dòng)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(dòng)；

②擺振　葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)；

③扭轉(zhuǎn)　葉片繞其變距軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

這三種機(jī)械振動(dòng)和空氣動(dòng)力交織作用，形成氣動(dòng)彈性問題。如果這種相互作用是減弱的，則振動(dòng)穩(wěn)定，否則會(huì)出現(xiàn)顫振和發(fā)散。這種不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的破壞力極強(qiáng)。

葉片動(dòng)態(tài)分析最重要的是頻率計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)速有一定的波動(dòng)，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(fēng)電葉片采用中空結(jié)構(gòu)形式，在彎曲氣動(dòng)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(qiáng)度

葉片的強(qiáng)度分為疲勞強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度。

2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特性系數(shù)

除在第二節(jié)中已經(jīng)講述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要參數(shù)——風(fēng)能利用系數(shù)、葉尖速比外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進(jìn)行比較，引入轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)：

式中　T——風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；

F——推力，N。

a_i見表1-1，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)失速調(diào)節(jié)三種方式。失速調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪氣流特性見圖1-15。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片葉型疊合圖見圖1-16。

當(dāng)風(fēng)穿過風(fēng)輪掃風(fēng)面后，由于風(fēng)輪運(yùn)動(dòng)和塔架的存在，使得風(fēng)速受到影響，進(jìn)而影響風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的效率。其中主要有以下方面的影響。

（1）風(fēng)剪切影響

葉片旋轉(zhuǎn)過程中，單個(gè)葉片會(huì)因?yàn)楦叨炔粩嘧兓癸L(fēng)速產(chǎn)生周期性的變化，進(jìn)而使得氣動(dòng)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(huì)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(huì)影響氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)下風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尤其重要。

（3）尾流效應(yīng)

相鄰的風(fēng)力機(jī)之間也會(huì)相互影響，前面的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流變化會(huì)對(duì)后面的風(fēng)力機(jī)風(fēng)速特性產(chǎn)生影響，即尾流效應(yīng)影響。

習(xí)　　題

1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的載荷主要分為　　　　　　　、　　　　　　　、　　　　　　　、　　　　　　　和　　　　　　　。

2.葉片動(dòng)態(tài)分析最重要的是　　　　　　　　　　　　　。

3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特性系數(shù)有　　　　　　　、　　　　　　　、　　　　　　　、　　　　　　　和　　　　　　　。

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

5.當(dāng)風(fēng)穿過風(fēng)輪掃風(fēng)面后，由于風(fēng)輪運(yùn)動(dòng)和塔架的存在，使得風(fēng)速受到影響，進(jìn)而影響風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的效率。其中主要有　　　　　　　、　　　　　　　和　　　　　　　。