风力发电机组载荷计算

海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析近年来，海上漂浮式风力发电技术的发展迅速，其具有位置灵活性、资源充足等优点，快速发展成为海洋可再生能源发电的重要方式。

但是，由于海上漂浮式风力发电机组是一种特殊的结构，它面临着海上恶劣的环境条件，特别是大幅度海浪和风场变化带来的预期外力给机组带来了一定的风波载荷，不仅会给机组的安全性和可靠性带来威胁，同时也会影响机组的发电效率和运行可靠性。

因此，如何准确的计算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷，对于保障其安全、可靠运行至关重要。

首先，为了准确计算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷，必须理解其规律性和特点。

根据海洋力学理论，风浪载荷主要有水平力矩、水平拉力和垂直水平力三种，其中水平力矩和水平拉力载荷是海上机组移动、活动和偏斜等运动带来的，垂直水平力是机组在海浪作用下抵抗力的体现，而它们彼此相互作用、相互影响，才构成了海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。

其次，一般采用数值模拟的方式来分析风波载荷的影响。

模拟的主要流程是：确定所需的模型参数（如：机组几何特征、海浪特征），然后采用非线性有限元方法在运动的海浪场下分析机组的力学响应，并由此获得内力应力分布，最后得到相应的风波载荷能够得到准确估算。

另外，目前有一些模型或方法被用于计算风波载荷。

采用经典风波理论剖面法时，可以根据浪高、周期、频率等参数，计算出机组上的风波载荷信息。

此外，由于大型海洋计算流体力学（CFD）的发展，也可以采用CFD模拟来估算风波载荷。

CFD模拟首先要建立风波流动场的模型，然后将机组模型放入模拟场中，最后分析机组受力情况，从而得到相应的风波载荷数据。

最后，可以采用改进型模型来估算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。

例如，首先计算出某一点的风浪水平力矩，然后计算该点处海浪作用下的抵抗力，从而估算出海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。

综上所述，准确估算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷对于保障机组的安全性和可靠运行至关重要，计算海上机组受力情况必须从理解载荷规律特点和数值模拟进行，并可以采用已有的模型或方法，也可以采用改进模型来分析和估算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。

摘要风能是一种取之不尽、用之不竭、储量丰富的清洁可再生能源。

与传统能源相比，风能具有不污染环境，不破坏生态，分布广泛，就地可取，周而复始，可以再生的诸多优点。

风力机在风能利用中占有最主要的地位，叶片则是风力机中核心的部件，也是受力最为复杂的部件。

载荷研究是其设计中最为关键的基础性工作，也为所有后续风力机设计、分析工作提供依据。

本文以NACA4412翼型的叶片为研究对象，对其静态载荷进行了研究。

主要研究内容如下：（1) 综合国内外各种文献，对风力发电的优越性和发展状况进行了简单的介绍。

（2）在风力机空气动力理论的基础上，对动量理论，叶素理论还有涡流理论进行了介绍。

（3）对风力机的设计工况和载荷工况进行了介绍，并在动量理论，叶素理论还有涡流理论等理论基础上对叶片载荷进行了计算。

（4）通过运用Matlab软件,对叶片载荷进行了图谱分析，画出了在气动力，重力，离心力作用下的图谱。

关键词：风力机；叶片；载荷分析AbstractWind energy is a kind of clean and renewable energy which is unlimited and abundant. Compared to the traditional energies, wind energy contains many advantages, such as no pollution to the environment, no destruction on the zoology, widespread, in situ desirable, moving in cycles and can be recycled.Wind driven generator occupies the main status in the process of wind utilization, and blade is the core and the most complicated element of it, especially when it comes to the force analysis. Study of load is not only the critical section and basic work in the design of wind driven generator, but also provides the basis for all subsequent wind driven generator’s design and its analysis work. This paper takes NACA4412 airfoil blade as the research object and studies its static load. Main research contents are as follows:(1) Integrated all kinds of documents at home and abroad, this paper simply introduces the advantages and development conditions of wind driven generator.(2) Based on the wind turbine aerodynamic theory, the momentum theory, the blade element theory and vortex theory are introduced.(3) It introduces design conditions and loading conditions of wind driven generator. Meanwhile, on the basis of momentum theory, blade element theory, vortex theory and etc., it calculates the load of blade.(4) By using Matlab software, this paper has an atlas analysis on the load of blade, draws the atlases of aerodynamic force, gravity and centrifugal force which are under their own impact.Key words: wind driven generator; blade; load analysis目录摘要 (I)Abstract (II)1绪论 (1)1.1风力发电发展现状 (1)1.1.1前言 (1)1.1.2风力发电装机容量现状 (2)1.1.3我国风力发电利用现状 (2)1.2水平轴风力机叶片概述 (3)1.3论文主要研究内容 (5)2水平轴风力机叶片理论 (6)2.1风与风能 (6)2.2风轮叶片主要参数 (6)2.3风力机空气动力学 (7)2.2.1动量理论 (7)2.2.2叶素理论 (11)2.2.3涡流理论 (13)2.4风力机叶片的设计方法 (14)3水平轴风力机叶片的载荷分析 (17)3.1叶片载荷类型与来源 (17)3.1.1载荷类型 (17)3.1.2载荷来源 (17)3.2叶片设计工况与载荷状况 (18)3.2.1设计工况 (18)3.2.2载荷状况 (18)3.3叶片载荷分析基本要求 (20)3.3.1载荷分析影响因素 (20)3.3.2载荷分析要求 (21)3.4风力机叶片载荷计算 (21)3.4.1坐标系的确定 (21)3.4.2气动力载荷计算 (24)3.4.3重力载荷计算 (25)3.4.4离心力载荷计算 (25)3.5风力机叶片载荷分析 (26)3.5.1载荷分析基本参数 (26)3.5.2叶片载荷分析 (28)3.6本章小结 (37)结论 (38)致谢 (39)主要参考文献 (40)1绪论1.1风力发电发展现状1.1.1前言从古到今，人类为能得到更好的生存条件、物质基础，不停的为促进社会经济的发展而奋斗。

风力发电机叶片等效载荷计算及载荷谱分析米良;聂国林;程珩【摘要】风力发电机叶片部位通常受到随机变幅载荷的作用,所受随机载荷的随机性和无序性给载荷数据的处理带来了很大的困难.当前的数据处理方法通常是将随机变幅载荷转化为等效恒幅载荷进行分析,但由于其未能考虑低于疲劳极限的载荷对疲劳损伤所产生的影响故而会产生较大误差.针对上述问题,提出一种基于模糊理论的等效载荷计算方法,引入恰当的隶属函数,充分考虑低于疲劳极限的载荷对疲劳损伤所造成的影响,更加符合实际情况,以期提高等效载荷的计算精度.%The blade of wind turbine is usually subjected to random variable amplitudeload,which makes it difficult to process the load data.The current data processing method usually transforms the random load into equivalent constant amplitude load to reduce the data processingcapacity.However,the current method of equivalent load calculation fails to take into account the influence on the fatigue life made by the stress amplhude below the convention fatigue limit.So there is a large error in the equivalent load calculation by the current method.In view of the problems above,It properly considers the effects on fatigue life caused by load stress amplitude below the fatigue limit and presents a method of equivalent toad calculation by introducing the appropriate membership function based on fuzzy theory,which is more close to the actual situation.Thus improves the accuracy of the equivalent load calculation.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】3页(P141-143)【关键词】模糊理论;等效载荷;隶属函数;程序载荷谱【作者】米良;聂国林;程珩【作者单位】太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH16;TK83风力发电机叶片是风电机系统中的重要工作部件，承载了主要的风力载荷，最容易发生疲劳破坏。

目录1前言错误!未定义书签。

2风轮气动载荷............................................... 错误!未定义书签。

2.1动量理论.................................................................................................. 错误!未定义书签。

2.1.1不考虑风轮后尾流旋转 .................................................................. 错误!未定义书签。

2.1.2考虑风轮后尾流旋转...................................................................... 错误!未定义书签。

2.2叶素理论.................................................................................................. 错误!未定义书签。

2.3动量──叶素理论.................................................................................. 错误!未定义书签。

2.4叶片梢部损失和根部损失修正 .............................................................. 错误!未定义书签。

2.5塔影效果.................................................................................................. 错误!未定义书签。

2.6偏斜气流修正.......................................................................................... 错误!未定义书签。

1.5MW双馈变速恒频风力发电机组载荷计算报告沈阳工业大学风能技术研究所2008年3月15日目录1、概述 (3)2、坐标系的说明 (3)3、输出载荷 (4)4、机组原始参数 (5)5、计算参数 (5)6、计算工况 (6)7、极端载荷 (7)8、疲劳载荷 (34)8.1叶片、塔架、主轴承的等效载荷、 (34)8.2 雨流循环计数图 (48)9、机组模态 (68)1、概述根据机组的原始参数，通过Blade工具软件，根据IEC标准二类机组安全条件计算出机组各工况载荷。

2、坐标系的说明在计算过程中用到的坐标系有叶片坐标系、轮毂坐标系、机舱坐标系、塔架坐标系。

如下图所示，图1 叶片坐标系图2 轮毂坐标系图3 机舱坐标系图4 塔架坐标系3、输出载荷根据设计需要输出如下载荷：1）叶片根部载荷；2）轮毂中心载荷；3）塔架项部载荷；4）塔架根部载荷；5）偏航轴承载荷。

4、机组原始参数本计算报告所需机组参数来源于《1.5MW双馈变速恒频风力发电机组设计》文件。

5、计算参数额定功率 1500 kW 轮毂高额定风速 12.5 m/s 安全等级 ⅡA轮毂高 65 m 极端平均风速（10 min）V50（50年一遇） 42.5 m/s V1（1年一遇） 31.88 m/s 极端风速( 3s)Ve50（50年一遇） 59.5 m/s Ve1（1年一遇） 44.63 m/s 运行风速范围 3.5～25 m/s 风场年平均风速 8.5 m/s 威布尔形状因子 2风剪切指数 0.2风速垂直倾斜度 8 deg 停机桨距角 90 deg 风轮不平衡质量叶片1 0 kg叶片2 40 kg叶片3 40 kg 风轮叶片气动不平衡叶片1 0 deg叶片2 0.3 deg叶片3 -0.3 deg 结构阻尼叶片 0.7 %塔架 0.5 %变桨速率 ±10 deg/s 正常机械刹车风轮转速 2 rpm 紧急刹车风轮转速 24 rpm 紧急停机发电机功率 1650 kW6、计算工况载荷工况载荷因子DCL1.1初始风速为额定风速和切出风速，正常湍流风速模型(NTM)下功率输1.35出，偏航误差±10°。