如何优化标题是关键——均匀稳定空气流下的载荷

首先假设空气流均匀稳定地流经风轮扫掠面，那么水平轴风轮叶片承受着稳定的气动力。垂直轴风轮则不同，Darrieus风轮或类似结构风轮在均匀流场中承受着随时间发生改变的载荷。

水平轴风轮叶片上的风载荷，很大程度由从叶片根部到叶尖的有效风速变化来决定。此外，风轮叶片的结构形状也影响着风载荷在叶片上的分布。图7-2所示为叶片弦线方向的载荷分布图，其载荷导致叶片产生了弦向弯曲应力；图7-3所示为拍向的风载荷分布图，反映了轴向推力导致叶片在拍向的弯曲应力。从两图可以看出，由于叶片的扭曲，从起动风速到切出风速，叶片载荷分布轮廓明显不同。在弦向分布，随着风速的提高，叶片弦向承受的风载荷增大，且为均匀分布；但在切出风速24m／s时，叶片根部承受的载荷最大，且从叶根向叶尖移动，载荷逐渐在减小。在拍向方向，随着风速的增加，叶片整体载荷增大，且叶尖比叶片根部承受着更大的载荷；但当风速为切出风速时，叶片根部拍向承受着最大风载荷，叶尖载荷几乎最小。扭角是在额定风速经优化得到的，因而只有在额定风速下的气动载荷才接近于理论最佳值。在其他风速，特别是较额定风速更高的风速，会在接近于轮毂的部分产生气流分离，这导致气动载荷发生巨大改变。

图7-2　叶片弦向载荷分布

图7-3　叶片拍向载荷分布

在整个叶片长度上对载荷进行积分，便可得出整个叶片的载荷和力矩。弦向载荷提供了风轮旋转力矩，推力载荷分布提供了整个风轮轴向推力，如图7-4所示。载荷和力矩这两个参数本质上决定了整个风力机的静态载荷水平。在变桨距控制风轮中，风轮力矩和轴向推力增加到某一值后下降，使得风轮控制系统将捕获的风能控制在额定功率附近。因此，在额定功率点风轮推力是最大的，然后下降。(www.xing528.com)

图7-4　风轮在稳定气流下的力矩和轴向推力

在定变桨风力机中，靠气动失速来限制功率输出，因此风轮在到达额定功率后，轴向推力继续增加，或者保持在一个恒定的水平。正因为如此，变桨距风力机的风轮承受着更高的空气动力载荷。

将百年一遇的最大阵风作为风力机的最大静载荷，此时叶片迎风且静止，叶片安装角达90°。设CD为叶片垂直于风向的阻力系数。作用在［r，r+dr］叶素上的力为

计算和经验表明，某些大型风力机，在风轮迎风静止状态下，叶片经得起60m／s左右的大风。

在进行叶片结构强度计算时，对叶尖速比λ＜4的低速风轮和斜置高速风轮，应主要考虑叶轮迎风静止状态下的应力；而对叶片与转轴垂直的固定轮毂高速风轮，则应主要考虑风轮正常运转状态下的应力，因为即使静止时迎着强风，其应力也比伴有阵风的正常运转状态下小。