二、叶片的空气动力特性
1.叶片上的载荷特性
风力发电机组上的周期性载荷主要分为空气动力载荷、重力载荷、惯性载荷（包括离心力和回转应力）、操纵载荷和其他载荷（如温度载荷和结冰载荷等）。
叶片上所受的载荷如图1-13所示。
图1-13 叶片上的载荷
（1）叶片的基本载荷
叶片的受力主要有三种：空气动力、离心力和重力。
①空气动力载荷 空气动力载荷是风力发电机组最主要的动力来源，其中叶片是最主要的承载部件，它使叶片承受弯曲和扭转力，主要依据叶素理论和动量理论进行计算。
载荷的大小与风轮直径、叶根半径、叶片上单位长度翼型截面的风力（相对风速）、空气密度等正相关，也与所选翼型有关。
②离心力载荷 离心力载荷使叶片受到拉伸、弯曲和扭转力。它自旋转中心沿半径向外作用在翼剖面的重心上，与重力载荷相互作用，会给叶片带来很大的作用力。
载荷的大小与叶片的密度、风轮角速度、叶片截面积、风轮旋转半径正相关。
③重力载荷 重力载荷对叶片产生摆振方向的弯矩，使叶片承受拉压力、弯曲和扭转力，是叶片的主要疲劳载荷，主要有重力拉压力、重力剪力和重力弯矩、重力扭矩。
（2）叶片的动态载荷
叶片在空气动力、重力和离心力作用下，会产生振动。主要振动形式有：
①挥舞 叶片在垂直与旋转平面方向上的弯曲振动；
②摆振 叶片在旋转平面内的弯曲振动；
③扭转 叶片绕其变距轴的扭转振动。
这三种机械振动和空气动力交织作用，形成气动弹性问题。如果这种相互作用是减弱的，则振动稳定，否则会出现颤振和发散。这种不稳定运动的破坏力极强。
叶片动态分析最重要的是频率计算，叶片固有频率须离开共振频率一定距离。共振安全率为叶片固有频率离开共振频率的距离（%）。
由于发电机转速有一定的波动，故要求叶片的固有频率避开共振频率的范围应该大一些。
（3）屈曲失稳现象
大型风电叶片采用中空结构形式，在弯曲气动载荷作用下，叶片局部受压区域可能由于刚度下降而发生突然损坏。
叶片后缘空腔较宽，易发生失稳。
（4）叶片强度
叶片的强度分为疲劳强度和破坏强度。
2.风力发电机组的主要特性系数
除在第二节中已经讲述的风力发电机组的主要参数——风能利用系数、叶尖速比外，风力发电机组的主要特性参数还有转矩系数CT、推力系数CF、功率调节方式等。
为了便于把气流作用下风力发电机组所产生的转矩和推力进行比较，引入转矩系数和推力系数：
式中 T——风轮气动转矩，N·m；
F——推力，N。
ai见表1-1，风力发电机组参数关系曲线见图1-14。
表1-1 推力系数公式中的 ɑi表
图1-14 风力发电机组参数关系曲线图
功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节三种方式。失速调节风力发电机组风轮气流特性见图1-15。
图1-15 失速调节风力发电机组风轮气流特性
风力发电机组叶片叶型叠合图见图1-16。
图1-16 风力发电机组叶片叶型叠合图
当风穿过风轮扫风面后，由于风轮运动和塔架的存在，使得风速受到影响，进而影响风力机捕获风能的效率。其中主要有以下方面的影响。
（1）风剪切影响
叶片旋转过程中，单个叶片会因为高度不断变化而使风速产生周期性的变化，进而使得气动转矩产生周期性的变化。
（2）塔影效应
叶片旋转过程中，空气流会周期性地经过塔架，在叶片与塔架之间产生绕流、紊流等作用，同样会影响气动转矩，对下风向风力发电机组尤其重要。
（3）尾流效应
相邻的风力机之间也会相互影响，前面的风力机风轮旋转产生的气流变化会对后面的风力机风速特性产生影响，即尾流效应影响。
习 题
1.风力发电机组上的载荷主要分为 、 、 、 和 。
2.叶片动态分析最重要的是 。
3.风力发电机组的主要特性系数有 、 、 、 和 。
4.风力发电机组功率调节方式主要有 、 和 。
5.当风穿过风轮扫风面后，由于风轮运动和塔架的存在，使得风速受到影响，进而影响风力机捕获风能的效率。其中主要有 、 和 。