风力发电具有清洁无污染、可再生和装机灵活等优点,在世界范围内得到了大规模开发。为了充分利用风能,大量水平轴风力机安装在山区、边疆和沿海潮湿地区,在这些地区运行的风力机经常会面临环境温度低、空气含湿量大和冻雨冻雪等恶劣天气,这时风力机叶片会发生结冰现象。结冰不但会使叶片气动性能下降,导致风轮输出功率减小,还会破坏机组稳定性,导致运行事故发生。为了减小结冰带来的负面影响,有必要对风力机叶片结冰问题进行研究。研究风力机叶片结冰,首先要获得叶片表面的水滴收集系数,该参数表征了水滴在叶片表面的分布情况,是研究叶片结冰的关键基础数据。为此,建立了水滴收集系数计算模型,研究了不同参数对风力机翼型水滴收集系数的影响,分析了静止叶片和旋转叶片的水滴收集系数分布;在此基础上建立了结冰模型,研究了不同参数对风力机翼型结冰的影响,分析了风力机叶片的结冰分布规律;最后采用适合工程计算需要的方法研究了结冰对风力机载荷的影响。本文的主要研究内容如下:1.建立了风力机翼型水滴收集系数计算模型,研究了攻角、来流风速和水滴直径对翼型水滴收集系数的影响。随攻角增大,翼型表面的最大水滴收集系数减小;在大攻角失速条件下,水滴除撞击在翼型前缘外,在翼型尾缘吸力面也存在少量的水滴撞击;失速攻角越大,尾缘吸力面的水滴撞击范围和最大水滴收集系数也越大;随来流风速和水滴直径的增大,翼型表面的水滴收集系数增加。2.分析了静止直叶片叶尖三维效应对叶片水滴收集系数的影响,发现静止直叶片叶尖区域的水滴收集系数明显减小;分析了风力机叶片的旋转效应,发现旋转叶片表面的水滴收集系数沿半径方向逐渐增大;研究了大来流风速条件下,失速延迟效应对叶片表面水滴收集系数的影响,发现旋转失速延迟效应对叶片表面的水滴收集系数影响较小。3.建立了风力机翼型结冰模型,研究了攻角、来流风速、水滴直径和液态水含量对翼型结冰的影响,分析了风力机旋转叶片的结冰分布规律。随攻角增大,结冰区域逐渐往翼型压力面移动,翼型表面的最大结冰厚度逐渐减小;翼型表面的结冰量随来流风速、水滴直径和液态水含量的增加而增加;在旋转条件下,风力机叶片表面的结冰厚度沿半径方向逐渐增加。4.采用气动载荷计算模型研究了叶片结冰对失速型风力机载荷的影响。研究载荷参数包括风轮功率、风轮推力、风轮轴剪切力、叶根摆阵力矩、叶根挥舞力矩、塔基侧向力矩和塔基前后力矩。在正常湍流风条件下,叶片结冰会减小风轮功率,单个叶片结冰会引起风轮轴剪切力的不平衡。5.研究了叶片结冰对变速变桨型风力机载荷的影响。研究载荷参数包括风轮功率、风轮推力、叶根摆阵力矩、叶根挥舞力矩、叶根俯仰力矩、塔基侧向力矩、塔基前后力矩和塔基扭转力矩。在正常湍流风条件下,当来流风速小于额定来流风速时,叶片结冰会减小风轮功率;当来流风速大于额定来流风速时,叶片结冰会增加风轮推力、叶根挥舞力矩、叶根俯仰力矩、塔基侧向力矩、塔基前后力矩和塔基扭转力矩。