风轮机静止状态下空气动力载荷的分析模型

《Renewable Energy》：An analytical model of aerodynamic load on wind turbines in parked states

停机状态下风电机组空气动力载荷解析模型研究提出任意方位角、偏航角和桨距角耦合作用的解析模型，经OpenFAST验证误差小于10%，实现频域高效预测，为结构安全设计提供理论支撑。

　　风力发电机的气动载荷估算对于结构设计和安全性评估至关重要，尤其是在停机状态下。停机状态下，气动载荷的变化受到多种因素的影响，包括方位角、偏航角和俯仰角的组合。这些参数共同决定了风力发电机在不同风向和风速条件下的受力情况。然而，目前针对任意停机状态下风力发电机气动载荷的快速统计估算分析模型仍较为匮乏。因此，本文提出了一种适用于任意停机状态的气动载荷分析模型，以满足在频域中对气动载荷进行高效且精确估算的需求。

研究背景表明，随着传统化石能源的日益枯竭以及全球气候变化的加剧，能源开发与利用正面临前所未有的挑战。在此背景下，可再生能源，尤其是风能，成为推动全球能源转型的重要方向。风力发电机作为风能开发的主要工程载体，其大型化和多样化趋势带来了新的技术挑战，特别是在结构设计和运行安全方面。其中，气动载荷的准确预测是确保风力发电机稳定运行和安全设计的关键因素之一，因此吸引了众多研究者的关注。

在正常运行状态下，风力发电机通常处于迎风旋转状态，此时转子的气动载荷占据主导地位。然而，风力发电机在运行过程中也需要进行定期维护和检查，且在极端风况、设备故障或电力中断等特殊场景下，必须进入停机状态。停机状态下，风力发电机的受力情况与运行状态截然不同，其载荷主要受到方位角、偏航角和俯仰角的影响。这些参数的变化会显著改变风力发电机所面对的风区以及叶片的攻角，从而影响整体的气动载荷。尽管最优的停机状态是使转子与风向对齐并适当调整叶片角度以降低气动载荷，但实际的停机状态往往是这些参数的任意组合。这种组合的不确定性使得停机状态下的气动载荷预测变得复杂，增加了结构损坏的风险。

此外，标准IEC 61400-1明确规定了在设计载荷情况（DLC）6.2中必须考虑360度的偏航偏移，这进一步强调了研究风力发电机在任意停机状态下气动载荷特征的重要性。因此，建立一个能够全面考虑方位角、偏航角和俯仰角耦合作用的气动载荷分析模型具有重要的工程价值和理论意义。

近年来，已有研究尝试分析停机状态对风力发电机气动载荷的影响。例如，通过计算流体力学（CFD）模拟和风洞实验，研究者探讨了方位角对转子气动载荷和叶片-塔筒相互作用的影响。然而，由于不同研究中偏航角和俯仰角设置的不一致性，关于方位角对气动载荷影响的共识尚未达成。这种不一致性主要源于这些参数之间的耦合效应，其对气动载荷的影响显著。同样，关于偏航角和俯仰角对气动载荷影响的研究也显示出类似的现象。这些研究初步揭示了不同停机状态参数对气动载荷的作用机制，为优化停机策略提供了参考。然而，多数现有研究仅关注单个参数的影响，缺乏对所有停机状态参数耦合效应的系统性分析。这种研究空白主要源于停机状态的多样性以及风载荷的随机性。此外，为了获得可靠的气动载荷设计值，通常需要大量的时域模拟和统计分析，这在风力发电机初步设计阶段显著降低了效率。

为了解决上述问题，本文提出了一种适用于任意停机状态的气动载荷分析模型。该模型通过引入坐标变换公式，能够全面捕捉方位角、偏航角和俯仰角的耦合效应。研究指出，实际气动载荷主要由两部分构成：一部分直接由风速引起，另一部分则来源于风力发电机的气动阻尼效应。本文主要关注风速引起的载荷部分，并在后续研究中进一步探讨气动阻尼效应的影响。模型的建立基于对风力发电机叶片和塔筒的气动载荷计算理论，并通过频域方法进行分析，从而实现了对气动载荷的快速统计估算。

在模型验证部分，本文利用OpenFAST软件进行数值模拟，并将模拟结果与所提出的分析模型进行对比。验证结果表明，所提出的模型在预测平均气动载荷和波动气动载荷方面均表现出较高的准确性，相对误差通常低于10%。此外，研究还发现，气动载荷随风速的平方呈线性增长，但在停机状态下，其与停机状态参数之间存在非线性关系。这一发现对于优化风力发电机的停机策略和提高其在极端条件下的安全性具有重要意义。

模型的提出为风力发电机在任意停机状态下的气动载荷分析提供了新的思路。相比于传统的时域模拟方法，该模型能够在频域中快速计算气动载荷的统计特性，从而显著提高计算效率。这一方法不仅有助于深入理解不同停机状态参数对气动载荷的影响机制，还为参数敏感性分析提供了支持。同时，该模型的建立也为风力发电机结构设计和标准制定提供了理论依据，有助于提高风力发电机在各种运行条件下的安全性和可靠性。

在实际应用中，该模型可用于风力发电机的快速设计评估，特别是在应对极端风况和设备故障等特殊情况时。通过对模型的验证，研究者可以更准确地预测风力发电机在停机状态下的气动载荷，从而为结构设计和维护策略提供科学依据。此外，该模型还可以作为风力发电机在不同停机状态下性能评估的工具，为风力发电机的优化运行和长期维护提供支持。

本研究的主要贡献在于提出了一个适用于任意停机状态的气动载荷分析模型，并通过详细的理论推导和数值验证，证明了该模型在预测风力发电机气动载荷方面的有效性。模型的建立不仅填补了现有研究在停机状态参数耦合效应方面的空白，还为风力发电机的结构设计和安全性评估提供了新的方法和工具。未来的研究可以进一步探讨气动阻尼效应的影响，并结合实际风况数据，提高模型的适用性和准确性。此外，该模型还可以扩展至其他类型的风力发电机，以适应更广泛的应用场景。