风力发电机组载荷计算

三、研究展望
随着风力发电技术的不断发展，对风力发电机整机性能评估和载荷计算的研究 也将持续深入。未来研究可以下几个方面：
1、性能评估模型的优化：为了更准确、全面地评估风力发电机的性能，需要 进一步优化性能评估模型，考虑更多影响因素，提高评估精度。
2、载荷计算的精细化：针对不同地区、不同型号的风力发电机，开展更为精 细化的载荷计算，以适应不同环境下的运行需求。
3、维护保养优化：定期对风力发电机进行维护保养可以确保其正常运行，延 长使用寿命。优化维护保养方案可以提高维护效率，减少维护成本。
三、结论
风力发电机性能的优化对于提高风能利用率、降低能源成本、减少环境污染等 方面具有重要意义。通过叶片设计优化、控制系统优化和维护保养优化等措施， 可以实现风力发电机性能的全面提升，为可再生能源的发展提供更好的技术支 持。
1、风载计算
风载是风力发电机运行过程中所承受的主要载荷。风载计算主要是根据风速、 风向等气象数据，结合风力发电机的外形尺寸、迎风面积等参数，计算出风力 发电机所承受的风载。
2、疲劳载荷计算
疲劳载荷是由于风力发电机在运行过程中，反复承受风载、转速等因素引起的 交变应力而产生的。疲劳载荷计算主要是通过分析风力发电机的运行特性和结 构特性，结合疲劳试验数据，计算出风力发电机的疲劳载荷。
二、风力发电机性能优化的措施
1、叶片设计优化：叶片是风力发电机的重要组成部分，其设计对于风能利用 率和发电效率具有重要影响。优化叶片设计可以提高叶片的捕风能力，从而提 高风能利用率和发电效率。
2、控制系统优化：控制系统是风力发电机的关键部分，其性能直接影响风力 发电机的运行效率和稳定性。优化控制系统可以提高风力发电机的响应速度和 稳定性，减少能源损失。

我国 根 据 相 关 国 际 标 准，制 定 了 ＧＢ １８４５１．１－ ２００１《风力发电机组 安全要求》，中国船级社也 制定了 用于认证的 “风力发电机组规范２００８”。
还 有 适 用 于 海 上 风 力 发 电 机 组 的 标 准 和 规 范 ，如 ：
收 稿 日 期 ：２０１２－０１－０５； 修 回 日 期 ：２０１２－０１－１２ 作者简介：高俊云 （１９６５－），男，山西晋中人，教授级高级工程师，硕士，研究方向：机械动态测试与分 析、 机 械 故 障 诊 断 及 风 力 发 电 机 组 计 算
图 ３ ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 软 件 菜 单 模 块 和 计 算 模 块
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机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１２年第３期
得到了广泛应用。该工艺通过涂覆金属表面来提高表 面的抗磨和耐蚀性。香海热电厂锅炉超音速电弧喷涂 ＳＣＺ３６涂层水冷壁管经 过 长 期 运 行，外 观 检 查 涂 层 完 好 ，未 见 裂 纹 、脱 落 和 磨 损 等 宏 观 缺 陷 。
参考文献： ［１］ 王学武．金属表面处理技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９． ［２］ 金国，徐滨 士，王 海 斗，等．电 热 爆 炸 喷 涂 ＷＣ／Ｃｏ涂 层 组
织 和 性 能 研 究 ［Ｊ］．金 属 热 处 理 ，２００６，３１（２）：２３－２６． ［３］ 刘东雨，熊建，候世香，等．电 热 爆 炸 喷 原 位 合 成 Ｆｅ－Ａｌ系
（２）认 证 ：确 保 载 荷 计 算 应 用 了 适 当 的 方 法 ；工 况 假定全面且符合标 准 要 求；结 果 真 实 可 靠。 载 荷 计 算
报告是风力发电机组认证必须提交和确认的文件。 风力发电机组作为一个复杂的系统，子系统之间相

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。

风力发电机功率计算公式风力发电机的功率计算公式可不是个简单的玩意儿，这玩意儿对于理解风力发电的效率和能力那可是相当重要。

咱先来说说这个公式到底是啥。

一般来说，风力发电机的功率 P 可以用下面这个公式来计算：P = 0.5 × ρ × A × V³ × Cp 。

这里面的ρ 是空气密度，A 是风轮扫掠面积，V 是风速，Cp 则是风能利用系数。

那这些个东西到底是啥意思呢？咱一个一个来瞅瞅。

空气密度ρ 呢，这就好比一群人挤在一个房间里，人越多就越挤，空气密度越大，风的“力量”也就相对越大。

空气密度会受到温度、压力和湿度这些因素的影响。

比如说在大夏天特别闷热的时候，空气好像都变得“沉甸甸”的，这时候空气密度就可能会有点变化。

风轮扫掠面积 A 呢，想象一下一个大圆盘在风中转啊转，这个圆盘的大小就决定了它能“接住”多少风。

圆盘越大，能抓到的风就越多，产生的功率也就可能越大。

风速 V 就好理解多啦，风刮得越快，带来的能量自然就越大。

就像你骑自行车，顺风的时候风越大，你蹬起来就越省力，速度也能更快。

最后这个风能利用系数 Cp 有点复杂，它反映了风力发电机把风能转化为电能的效率。

这可不是个固定不变的数，它受到风机的设计、叶片的形状和转速等好多因素的影响。

我记得有一次去一个风力发电场参观，那一个个巨大的风力发电机矗立在广阔的原野上，呼呼地转着，特别壮观。

当时我就特别好奇，这些大家伙到底能发多少电呢？工作人员就给我讲了这个功率计算公式，还带着我实地看了一些数据。

比如说，他们测到当时的风速是每秒 10 米，空气密度因为当地的气候条件大概是 1.2 千克每立方米，风机的风轮直径是 80 米。

然后通过计算，就能大概知道这台风机在当时的情况下能产生多少功率的电了。

不过，要准确计算风力发电机的功率可没那么简单。

实际情况中，还有好多因素会影响到最终的发电效果。

比如说风向的变化、风机的维护情况，甚至周围的地形和建筑物都会对风产生干扰。

风电机组载荷计算指标
风电机组载荷计算指标可以包括以下几个方面：
1. 功率载荷指标：包括平均功率载荷、峰值功率载荷、功率波动指标等。

平均功率载荷指标可以衡量风电机组在一段时间内的平均负荷水平，峰值功率载荷可以衡量风电机组在最大负荷条件下的承载能力，功率波动指标可以衡量风电机组在工作过程中的功率变化情况。

2. 轮毂载荷指标：包括轮毂挥舞角、轮毂转矩、轮毂测力计等。

轮毂挥舞角可以描述风电机组叶片在运行过程中的振动情况，轮毂转矩可以衡量叶片受到的转矩作用，轮毂测力计可以测量风电机组轮毂的受力情况。

3. 塔筒载荷指标：包括塔筒振动、塔筒转矩、塔筒测力计等。

塔筒振动可以描述风电机组塔筒在运行过程中的振动情况，塔筒转矩可以衡量塔筒受到的转矩作用，塔筒测力计可以测量风电机组塔筒的受力情况。

4. 叶片载荷指标：包括叶片振动、叶片转矩、叶片测力计等。

叶片振动可以描述风电机组叶片在运行过程中的振动情况，叶片转矩可以衡量叶片受到的转矩作用，叶片测力计可以测量风电机组叶片的受力情况。

这些指标可以通过传感器和监测装置进行监测和测量，以提前发现风电机组载荷异常和故障，并采取相应的维修和保养措施，确保风电机组的安全和可靠运行。

风电载荷计算
风电载荷计算是指对风力发电机组在不同工作状态下所受到的风载荷进行分析和计算。

风电系统在工作过程中会受到来自风的水平和竖向载荷，这些载荷可能对组件和结构产生一定的影响。

风电载荷计算主要包括以下几个方面：
1. 风能资源评估：通过对风场进行测量和分析，确定不同位置和高度上的风速和风向分布情况，作为风电载荷计算的基础数据。

2. 风机负荷计算：根据风能资源评估结果，结合风机的设计参数和性能曲线，计算风机在不同风速下的受力情况，包括扭矩、转速、风轴力等。

3. 风塔负荷计算：风塔作为风机的支撑结构，承受着风机本体以及叶轮的重力和振动力。

风塔负荷计算应考虑到这些力的影响，以确保风塔的稳定性和安全性。

4. 叶片负荷计算：叶片是风机系统中最容易受到风载荷影响的部件，其受力情况直接影响到叶片的强度和可靠性。

叶片负荷计算需要考虑到风速、风向、叶片角度等因素，并结合叶片的结构特性进行分析。

5. 基础负荷计算：风机的基础承受着风机本体和风塔的重力，同时还要抵抗风场对风塔的推力。

基础负荷计算应该考虑到这
些力的影响，以确保基础的稳固和安全。

总之，风电载荷计算是风力发电系统设计的重要环节，通过合理的计算和分析可以评估风电系统的受力情况，为系统的设计和运行提供可靠的依据。

根据负载情况计算作用在风轮轴上的反转矩。
根据风轮、变速箱、发电机系统的动力平衡确定系统 的旋转加速度、速度以及下一时刻的参考方位角。
有了载荷以后，就可以根据叶片运动方程进行 响应计算。对于弹性响应来说，它会影响叶素的气 动载荷，因此需回到第一步去重新计算。这个过程 重复进行直到弹性响应的精度达到要求。
初始风速为额定风速，在极端连续阵风基础上 同时伴随极端风速变化（ＥＣＤ）情况下正常功率输
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图５ ＤＬＣｌ３风速、侧滑角、桨距角 和转速时厨历程
Ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ，ｓｉｄｅｓｌｉｐ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ ｖｓ．ｓｐｅｅｄ ｔｉｍｅ ｅｏｕｒｓｅ（ＤＬＣ １３）
阻尼采用通用模型——瑞利（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）模型描
述，它的主要优点是运动方程的非耦台性。阻尼模
型有形式：
Ｃ—ａＭ＋腿
式中；ｏ，ｐ为模态常数。
文现：在＝设文：卜．。＋ｏ…５（Ｘ ＋Ｘ。）出
Ｘ，＝Ｘ卜址＋０．５（Ｘ卜Ⅱ＋Ｘ。）Ａｔ
—Ｘ卜。＋Ｘ卜．∞出＋０．２５（Ｘ卜。＋Ｘ。）Ａｔ２
（·）为对时间的导数。将它们代入运动方程，并经
整理得
。
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２—Ｆ——ｃ（工—卜—。＋—Ｏ一—５Ｘ丽。血百）一丽戤面Ｘ卜万ｍ＋膏丽卜驴出出—＋—０ ２—５胃卜—。出～２）
其中下标ｆ一出是指￡前～时刻的量。这样就把当 前的加速度与当前的力和前一时刻的位移、速度和 加速度联系起来，以提高迭代计算的收敛性能。
பைடு நூலகம்

如果叶片是下风向安装且固接在轮毂上，叶片与旋转轴的 夹角小于90度，则正常运行时的弯曲应力将明显减小，这 是由于此时气动力所产生的弯矩与离心力所产生的弯矩相 互抵消的缘故。
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如果图中的角选得好，合力矩可为零，此时叶片只承受拉 应力。 设T是风轮轴向推力，B是叶片数，P是作用于每一个叶片 的离心力，则
风轮的旋转效应
当风轮绕塔架中心轴偏转时，正在旋转着的风轮桨叶除产 生气动力外，还产生离心力及旋转惯性力。两个旋转运动 的叠加作用在桨叶中产生了附加力矩。设 为风轮旋转角
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速度，1 为风轮偏转角速度，I为桨叶相对于旋转轴的惯性 矩，则在桨叶根部处的附加总力矩为
(1 a) 1 • 计算来流角 arctan (1 b) l • 计算梢部损失系数F 2 B Rr f F arccos(e ) f 2 R sin • 计算风力机性能。
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1 3a b 4a 1
风轮的性能计算
不在最佳运行状态时
该力矩应叠加到由气动力和重力等所产生的弯矩中去。
几种供强度校核用的外载荷计算法 苏联法捷耶夫的暴风雨工况校核 或
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也可写成：
在强度校核时，在单个叶片的分布采用三角（如图）。由此， 可以算得各剖面弯矩分布等外载。
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荷兰ECN公式
ECN公式以及下面的联邦德国DFVLR公式，丹麦的 RIS公式，Fs 在叶片上分布都采用三角形分布，Fs 是作 用在叶片 上的最大载荷并作为强度校核用。该载荷不但 考虑了暴风工况，还考虑了动态疲劳等因素，但所得的 计算结果各公式差别较大，这反映了各公式的来源（实 验结果）的差别。下面列出ECN公式。

风载荷计算标准一、风速确定在进行风载荷计算时，首先需要确定建筑或结构物所在地的平均风速。

风速应根据气象站或气象雷达的观测数据进行确定，同时还应考虑风速的平均变化率和极端风速的影响。

根据不同建筑或结构物的特点，可以采用风洞实验方法对风速进行测量和模拟。

二、风载系数计算风载系数是风载荷与基本风压的比值，基本风压是指距地面10米高度处，统计所得的50年一遇的最大风速压力。

根据建筑或结构物的迎风面形状、尺寸和高度等特征，以及风速和风向的变化情况，可以通过风载系数计算出建筑或结构物所受到的风载荷。

三、风载压力分布根据风载系数计算出的风载荷，需要按照一定的方式分布到建筑或结构物的各个面上。

一般情况下，风载压力沿建筑物高度方向分布呈梯形，根据风载压力分布函数和建筑或结构物的形状、尺寸等参数，可以计算出各个面上的风载压力。

四、结构抗风设计在进行建筑或结构物的抗风设计时，需要综合考虑建筑或结构物的刚度、强度、稳定性等因素。

在设计中应尽量避免共振效应，同时还应考虑风速变化对结构受力的影响。

根据结构形式和受力特点，可以采用不同的抗风措施，如增加支撑、改变形状、增加重量等。

五、风振分析风振是指建筑或结构物在风的作用下产生的振动现象。

在进行建筑或结构物的设计时，需要进行风振分析，以确定建筑或结构物的自振频率和阻尼比等参数。

通过对风振进行分析，可以预测出建筑或结构物在各种风速下的振动响应，从而采取相应的措施进行抗风设计。

六、疲劳强度评估由于风载具有随机性和不稳定性，长时间的作用下可能会对建筑或结构物造成疲劳损伤。

因此需要对建筑或结构物进行疲劳强度评估，以确定其抗疲劳性能。

在评估中需要考虑风载作用下的应力变化和应力集中等因素，同时还应考虑材料和结构的特性。

根据评估结果可以采用相应的措施进行加固和维护等处理。

七、风洞实验在进行建筑或结构物的抗风设计时，可以进行风洞实验以确定其气动性能和稳定性等方面的性能。

在实验中可以在不同的风速和角度下对模型进行测量和分析，同时还可以观察和分析建筑或结构物的涡旋脱落和振动响应等情况。

对IEC 61400-1（第四版）中风电机组载荷计算部分的解读与分析＊文|高俊云I E C61400-1（Wi n d e n e r g y generation systems―Part1: Design requirements 风能发电系统⸺分：设计要求）是陆上风力发电机组设计的国际标准。

该标准定义了风力发电机组从选型到最终完成设计全过程的最低技术要求。

目前，1999年2月发布的IEC 61400-1第二版已经废止，国内外大部分的风电机组整机制造商都是按照2005年8月发布的IEC 61400-1第三版及2010年10月发布的增补1进行陆上风电机组的设计。

IEC 61400-1第三版发布距今已有约15年的时间，我国通过翻译以等同采用的方式于2012年推出了GB/T 18451.1―2012。

经过十多年的发展，风力发电技术取得了长足进步，风电机组额定功率已从千瓦级跨入兆瓦级时代。

机组的安装地点也越来越广，从普通地区扩展到高海拔地区、高温地区、山地、寒冷地区及台风影响区。

风电机组装机容量的不断增加，对电网的适用性，如低电压穿越、高电压穿越等，也提出了更严格的标准。

特别是近年来适用于低风速区的长叶片机组的开发，对机组可靠性和载荷优化控制提出了很高的要求，出现了独立变桨、激光测风前馈控制等许多新的降载控制技术。

这些变化和发展使得标准中存在的一些不足逐渐显现，如机组安全等级覆盖范围较小、湍流模型和载荷外推方法以及安全系数选取的合理性不足、未考虑覆冰对叶片气动性能的影响、机组可靠性设计和评估指标不够明确等。

自2011年开始，国际电工委员会（IEC）组织包括北京鉴衡认证中心在内的多家国际风电机组认证机构、整机生产厂家、相关科研机构等，进行IEC 61400-1（第四版）的编写工作，2019年2月该版标准正式发布。

对比IEC 61400-1第三版及增补1，该版标准结合了近年来风电机组设计技术的发展，不仅标准名称由第三版的“Windturbine”（风电机组）改为了“Windenergy generation systems”（风能发电系统），而且新版标准的内容对多个部分，如载荷仿真、控制系统、结构计算、可靠性、场址适应性评估等，都进行了修订和增补。

第6章 结构荷载本项目分析内容包括结构的强度和屈曲分析、单工况动力分析和动力耦合分析。

因此，结构分析荷载分为静荷载和动荷载。

静荷载包括风机运转荷载、风、浪、流和冰荷载；动荷载包括风机运转荷载、风、浪、流、冰和地震荷载。

6.1 强度与屈曲分析荷载 6.1.1 风机运行荷载风力发电机组运行时，其叶片上的风荷载和风机偏航引起的荷载通过结构和传动机构作用在塔架顶端，因此，DnV 规范规定，海上风电机组基础结构设计应考虑风电机组的荷载。

这部分荷载包括：风轮上的静风压引起的荷载、湍流和尾流引起的荷载、风力发电机偏航引起的荷载和风力发电机组的重力荷载等。

中华人民共和国机械工业部标准（JB/T10300-2001）对风力发电机组的荷载计算做出了具体的规定： 6.1.1.1 正常运行荷载1、风轮上的气动荷载 (1) 作用在风轮上的平均压力作用在风轮扫掠面积A 上的平均压力H p 由下式计算：2H FB 12r p C V ρ=（6.1.1） 式中：C FB =8/9；ρ——空气密度； V r ——额定风速。

代入系数值并经量纲转换后得：2H 1800r V p =（kN/m 2） （6.1.2）式中：V r 的量纲为m/s 。

(2) 作用在塔架顶部的力为：XH H F p A = （6.1.3）(3) 湍流、风斜流和塔尾流的影响利用气动力距风轮中心的偏心距e w 来考虑湍流以及风斜流和塔尾流的影响：22w rwR e V = （6.1.4） 式中：R ——风轮半径；w ——任一方向风的极端风梯度，取w =0.25m sm或风速梯度的1.5 倍（二值中取较小值）。

由于此偏心距而产生最大附加力矩为：YH H w M p Ae = （6.1.5）或ZH H w M p Ae = （6.1.6）(4) 扭矩XH M 由最大输出功率P e1 确定：e1XH P M ωη=（6.1.7）式中：ω——风轮转动角速度；η——发电机和增速器的总效率系数。

兆瓦级风力发电机叶片载荷计算
庄恒东;黄辉秀;徐阳
【期刊名称】《玻璃钢/复合材料》
【年(卷),期】2014(000)005
【摘要】风力发电机组处于复杂的运行环境中,其部件载荷预测工作极为重要.本文主要介绍兆瓦级风力发电机叶片(以下简称叶片)的载荷来源、分类以及载荷计算方法,并以一款6MW碳纤维叶片为例,基于GH Blade软件计算叶片的极限载荷与等效疲劳载荷.
【总页数】5页(P37-40,12)
【作者】庄恒东;黄辉秀;徐阳
【作者单位】连云港中复连众复合材料集团有限公司,连云港 222006;连云港中复连众复合材料集团有限公司,连云港 222006;连云港中复连众复合材料集团有限公司,连云港 222006
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.兆瓦级大型风力发电机叶片的无损检测 [J], 徐阳;刘卫生;乔光辉
2.兆瓦级风力发电机叶片的气动特性分析 [J], 周丹;孙文磊;李祥雨
3.兆瓦级风力发电机叶片动力学响应分析 [J], 潘虹;孙文磊;何连英
4.兆瓦级风力发电机组叶片动态载荷分析 [J], 麻俊杰
5.基于ANSYS的兆瓦级风力发电机叶片结构动力学分析 [J], 颜爱平
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