风力发电机组的载荷及坐标系表示方法

风力发电机组的载荷是指外部环境和操作系统作用在其部件上的力或力矩。风力发电机组载荷分析计算的目的是为了计算在特定工况下结构的应力和应变，进而进行极限强度校核和疲劳强度校核。大型风力发电机组所受载荷情况非常复杂，目前载荷分析计算需要借助于大型辅助设计软件进行。

风力发电机组的辅助设计软件是应用气体弹性力学来建立数学模型的。气体弹性力学是研究气动特性和弹性变形之间相互作用的学科。载荷计算的气弹模型主要建立在叶素-动量定理的基础上。叶素-动量定理把风流场转换成作用在风力机结构上的载荷。

风力发电机组结构的离散建模常用两种方法。一种是有限元法，另一种是模态分析方法。两种方法都已应用气弹模型编制出相应的应用软件。目前，已经有几种用于风力发电机组载荷及变形预测的软件得到广泛应用，本书前文已做了简要介绍。绝大多数软件提供时域解，少数软件提供频域解。

尽管应用计算机软件可以较为准确地预测风力发电机组的载荷及变形，但是在初步设计时，设计者还是需要一些简易的解析表达式计算结构载荷。本书在本章和以后各章将介绍一些常用关系式，供读者参考。同时，这些简易解析表达式计算结果还可以与应用软件的计算结果相互验证。

一般情况下，风力发电机组各个部件的负载是用不同的坐标系表示的。为了统一负载的表示方法，本书做了如下的规定。

1.塔架坐标系

塔架坐标系（O_t，x_t，y_t，z_t）的坐标原点O_t位于塔顶中心，x_t轴顺风向，z_t轴铅垂向上，x_t轴与y_t、z_t轴符合右手定则，如图4-1a所示。

2.机舱坐标系

机舱坐标系（O_n，x_n，y_n，z_n）的坐标原点O_n位于机舱中心，z_n轴与z_t轴同向，x_n轴与x_t轴成夹角γ（偏角），x_n轴与y_n、z_n轴符合右手定则，O_n与O_t之间的距离为z_tn，如图4-1a所示。

3.轮毂坐标系

轮毂坐标系（O_h，x_h，y_h，z_h）的坐标原点O_h位于轮毂中心，y_h轴与y_n轴同向，x_h轴与x_n轴成夹角_η（风轮仰角），x_h轴与y_h、z_h轴符合右手定则，O_h与O_n之间的距离为z_nh，如图4-1b所示。(www.xing528.com)

4.风轮坐标系

风轮坐标系（O_r，x_r，y_r，z_r）的坐标原点O_r与O_h重合，x_r轴（为风轮旋转轴）与x_h轴重合，z_h轴与z_r轴成夹角ψ（方位角），x_r轴与y_r、z_r轴符合右手定则，风轮坐标系跟着风轮旋转，如图4-1c所示。

5.叶片坐标系

叶片坐标系（O_b，x_b，y_b，zb）的坐标原点O_b位于叶片轴线锥角起点处，z_b轴沿叶片轴线指向外，y_b轴与y_r轴同向，x_b轴与y_b、z_b轴符合右手定则，O_b与O_r之间的距离为z_rb，z_b轴与z_r轴成夹角χ（风轮锥角），叶片坐标系跟着叶片旋转，如图4-1d所示。

6.剖面坐标系

剖面坐标系（O_s，x_s，y_s，z_s）的坐标原点O_s位于叶片剖面与叶片轴线的交点处，y_s轴平行于剖面几何弦线指向后缘，z_s轴与z_b轴都沿叶片轴线指向外，x_s轴在剖面平面内垂直于y_s轴，x_s轴与y_s、z_s轴符合右手定则，O_s与O_b之间的距离为z_bs，如图4-1e、f所示。

图4-1 风力发电机组载荷坐标系

a）塔架坐标系 b）机舱坐标系 c）轮毂坐标系 d）风轮坐标系 e）叶片坐标系 f）剖面坐标系

力和力矩的表示方法规定：x_t方向的力表示为F_xt，x_t方向的力矩（按右手定则）表示为M_xt，以此类推。