垂直轴风力机的载荷来源及作用

垂直轴风力机的载荷来源主要有风轮气动载荷、塔架载荷、重力载荷、离心力载荷、尾流效应、叶片附冰、叶片附雪等。进行结构设计时，应充分考虑常规载荷，如风轮气动载荷、塔架载荷、重力载荷、离心力载荷以及非常规气象条件下这些载荷以及附加载荷的影响。

1.风轮气动载荷

在空气动力的作用下风轮绕立轴旋转并将风能转化成机械能。作用在风轮上的空气动力为风力机提供了动力，是风力发电的基本条件，同时也是风轮及各个零部件的最主要载荷来源。在计算叶片空气动力载荷时，通常根据叶素理论和动量理论进行分析。

2.塔架载荷

塔架作为垂直轴风力机主要承重部件，支撑风轮的正常运转，因此塔架所受载荷主要是上部结构传递的空气动力、离心力以及风轮的重力等，除此之外，由于塔架属于高耸构筑物范畴，所以作用在其上的风荷载也是影响结构安全的重要荷载。

3.重力载荷

重力载荷包括风轮自重、塔架自重、基础自重、附属设施自重、发电机自重、电器元件自重、传动系统自重、基础上的土重、土压力等。

4.离心力载荷(www.xing528.com)

风轮绕轴旋转时会产生离心力载荷，它作用在翼剖面的重心上。横杆是与叶片直接相连的构件且为结构薄弱点，因此在计算离心力荷载作用时，主要考虑离心力对横杆的作用。

5.尾流效应

由于能量的转移，风经过旋转的风力机之后，流动情况发生了很大的变化：风速减小、湍流强度增加、出现了明显的风剪切层。垂直轴风力机上游叶片尾流将影响下游叶片，致使风力机功率下降，同时风速的减小还会使下游风力机的输出功率降低，尾迹附加的风剪切和强湍流会影响下游风力机的疲劳载荷、使用寿命和结构性能。经过一段距离之后，在周围气流的作用下，风速逐渐得到恢复。这就是风力机的尾流效应。在旋转风轮的影响下，风力机尾流中包含复杂的湍流结构。根据垂直轴风力机机型的不同，湍流结构也有相应差异。

6.叶片附冰

在寒冷天气里，叶片附冰是降低风力发电机整体性能的最主要原因。风力机叶片的设计必须满足在极寒天气中附冰的运转叶片不产生损伤的要求。欧洲国家在严寒天气中最大程度地维持风机运转，以提升风力机吸收冬季丰富的风资源。叶片表面附着冰严重干扰叶片的气动性能。叶片表层附冰还会导致整个风轮质量分布不均匀，附冰产生的额外周期性离心力加剧了整机零部件的振动，缩短了风力机使用寿命。特别对于升力型垂直轴风力机而言，附着冰增加了叶片表面粗糙程度，增加了阻力系数，降低了升力系数。

7.叶片附雪

雪花很容易附着于叶片表面，结冰后增加叶片表面粗糙程度，影响风力机气动性能。同时雪花的覆盖对整机的重力载荷和惯性载荷都有影响。另外，雪花可以进入空气流通的腔体内，积雪累积容易损毁电机部件。同时，雪花隔绝了齿轮箱内部空气流通，致使机舱内生热，对敏感部件产生危害。