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叶轮运行时叶片载荷分析
1 风轮气动载荷分析

（分类（上课）确定载荷，随机载荷，重力载荷，惯性载荷）

(1) 垂直叶轮盘面，稳定均匀流情况下：
根据叶素－动量理论，叶片单位长度上的力可以表示为叶轮平面外和平面内力：
平面外力：
（65）
平面外力：
（66）
其中：为叶尖损失因子，为叶片数目。的方向如图3-1定义。

图3-1：叶片负载旋转坐标系定义
(从轮毂中心沿叶片轴外指；下风向方向垂直于叶片轴；垂直与主轴和轴)
叶片平面外力和平面内力随半径的变化如图3-2所示，可以看出，平面外力近乎线性增长，这种变化趋势对任意机组来说都是一样的。

图3-2：叶片平面外和平面内力随半径的变化
由叶片平面外力和平面内力可计算出叶片气动弯矩负载，它随半径的变化如图3-3所示，随半径的增加线性减小。

图3-3：叶片气动弯矩负载随半径的变化

(2) 偏斜气流下
应用叶素－动量理论，可以得到如图3-4的叶根平面外弯矩和平面内弯矩变化，偏航角度+300。叶片方位角的定义为叶尖朝上为叶片00方位，随着叶片旋转不断变化，（正偏航的定义为侧风吹向叶轮转盘的方向与叶尖朝上（类似时钟指向12点）时的叶片运动方向一致。）
从图中两个风速的比较可知，20m/s风速时叶片弯矩接近正弦变化，方位角1800时达到最大。10m/s风速时叶片平面外弯矩在方位角2400时达到最大。

图3-4：叶根平面外弯矩和平面内弯矩，偏航角度+300，随叶片方位角的变化。
(3) 轴仰角下
为了避免叶片与塔架碰撞，采用主轴与水平方向有一定夹角办法，增加叶尖与塔架间隙，这种情况下的叶片气动负载变化类似偏斜气流下情况。
(4) 风切变
由于风切变的存在，风速随高度的增加而增加，呈幂指数变化关系，叶根弯矩由于风切变随叶片方位角的变化关系如图3-5所示。可以看出风速10m/s时，变化呈正弦关系，15m/s风速时由于叶片失速，叶根弯矩几乎恒定不变。

图3-5：由于风切变，叶根弯矩随叶片方位角的变化关系
(5) 塔影效果
筒形塔架比衍架式塔架塔影效果更严重，气流在塔架处分离，造成速度损失，下风向型机组尤其严重。应用叶素－动量理论，得图3-6，由图中可以看出，当叶片塔筒间隙等于塔架半径时，，低风速段（风速10m/s），叶根平面外弯矩下降厉害；如果增大间隙，会改善一些。高风速段时（风速20m/s），情况会好一些。

图3-6：塔影效果引起的叶根弯矩随叶片方位角的变化关系