作用在风力机上的外载荷主要是风载荷。由于风力机包含了如叶片、塔架这样的细长部件,作用在这些部件上除引力载荷外还将产生惯性载荷。对于运行所产生的载荷,必须考虑如离心力、柯氏力(Coriolis Forces)及回转力。
在多数情况下,风力机上的载荷可以划分如下:
1)叶片气动载荷;
2)风轮叶片上的引力载荷;
3)由于旋转所产生的离心力和柯氏力;
4)由于偏航所产生的回转力;
5)塔架及机舱上的气动阻力;
6)塔架及机舱上的引力载荷。
叶片上的引力载荷产生叶片摆振方向的弯距,对变桨控制的风力机,引力载荷也将产生挥舞方向的弯距。由于叶片的旋转,作用在叶片上的引力载荷将会造成弯距周期性的变化。风轮的直径越大,作用的引力载荷越大。典型地,叶根处的弯距以风轮直径四次方的幂指数律变化,考虑风轮的面积是风轮直径的二次方,于是这就构成了制造大型风力机的巨大挑战之一。
由叶片旋转所产生的离心力,可以结合使用向后预锥叶片以补偿一些风载荷,同时也能提供更好的刚度。相反,叶片向前的预锥角会导致平均载荷的增加,如增加平均挥舞弯距,减少刚度。(https://www.xing528.com)
风轮叶片上的载荷响应很大程度上依赖于阻尼,总的阻尼是气动阻尼和结构阻尼的组合。气动阻尼取决于如下事项:
1)叶片气动外形的选择及叶片扭转的选择;
2)运行条件;
3)风速;
4)风轮频率;
5)叶片横截面的振动方向;
6)叶片截面相对于来流的运动。
结构阻尼主要取决于叶片材料。气动载荷响应是升力阻力与叶片外形特性、阻尼和风轮结构阻尼运动效应联合作用的结果。
下面将给出风力机要经受的最重要载荷形式的介绍,同时特别强调它们后面的物理机理。关于载荷更详细的介绍及如何预测这些载荷将在4.3~4.5节中给出。
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