风力发电机外部载荷分析与响应

施加在风力发电机上的外部载荷主要为风载荷。由于风力发电机由细长的部件组成，如叶片和塔筒，运行时将产生惯性载荷和重力载荷，施加于这些部件之上。由于运行产生的载荷，如离心力、地转偏力和回转力，必须同时予以考虑。

多数情况下，风力发电机的载荷可以这样分类^[116]:

1)叶片的空气动力载荷；

2)动叶片的重力载荷；

3)由于旋转产生的离心力和地转偏力；

4)由于偏航产生的回转载荷；

5)塔筒和机舱受到的空气动力拖曳力；

6)塔筒和机舱受到的重力载荷。

动叶片承受的重力载荷会引起叶片沿弦的弯曲力矩（或称为扰矩)。对于变桨风力发电机，重力载荷还会引起叶轮面法线方向的弯曲力矩。由于叶片的旋转，重力载荷效应将是周期性变化的弯曲力矩。叶轮直径越大，重力载荷效应越大。通常，叶片根部的弯曲力矩与叶轮直径呈4次方关系，因此是风力发电机大型化的挑战之一。

离心力是由于叶片的旋转引起的，可以用来与叶轮面向后的锥形弯曲协同作用，补偿一些风载荷，并提供更多的刚度。相反，叶轮面向前的锥形弯曲将导致平均载荷的增加，因为平均翼展方向的弯曲力矩增加，且刚度降低了。(www.xing528.com)

动叶片对载荷的响应在很大程度取决于阻尼。总阻尼由空气动力阻尼和结构阻尼组成。空气动力阻尼取决于:

1)叶片的空气动力轮廓与扭旋；

2)运行条件；

3)风速；

4)旋转频率；

5)叶片截面的振动方向；

6)叶片与入流的相对运动。

结构阻尼效应受叶片材料的影响很大。空气动力载荷响应在很大程度上是升力和拖曳力与叶片轮廓特性和阻尼共同作用的结果，其中包含旋转结构的运动效应。

本节将对风力发电机最重要的载荷进行介绍，并侧重背后的物理过程。