风力发电机设计资料汇总.doc

风力发电机设计资料汇总风轮风轮风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮，如图1311所示。风轮一般由23个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。风力发电场的风力机通常有2片或3片叶片，叶尖速度5070m。，3叶片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮仅降低2o3效率。甚至可以使用单叶片叶轮，它带有平衡的重锤，其效率又降低一些，通常比2叶片叶轮低6。尽管叶片少了，自然降低了叶片的费用，但这是有代价的。对于外形很均衡的叶片，叶片少的叶轮转速就要快些，这样就会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满蒽。3叶片叶轮上的受力更平衡，轮毂可以简单些，然而2叶片、1叶片叶轮的轮毂通常比较复杂，因为叶片扫过风时，速度是变化的，为了限制力的波动，轮毂具有跷跷板的特性。跷跷板的轮毂，叶片链接在轮毂上，允许叶片在旋转平面内向后或向前倾斜几度。叶片的摆动运动，在每周旋转中会明显地减少由于阵风和剪切在叶片上产生的载荷。1叶片叶片是用加强玻璃塑料(GRP)、木头和木板、碳纤维强化塑料(CFRP)、钢和铝构成的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5m，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其他特性，常用整块优质杰材加工制成，表面涂上保护漆，其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要，如图1312所示。目前叶片多为玻璃纤维增强复合材料，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小。聚酯材料较便宜，它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形在金属材料与玻璃钢之间可能产生裂纹。水平轴风轮叶片一般近似是梯形的，曲面外形复杂，叶片的主体结构主要为梁、壳结构，有以下几种结构形式。1)叶片主体采用硬质泡沫塑料夹心结构，GRP结构的大梁作为叶片的主要承载部件，大梁常用D形、O形、矩形和C形等形式，蒙皮GRP结构较薄，仅23mm，主要保持翼型和承受叶片的扭转载荷，如图1313、图13一l4所示。其特点是重量轻，对叶片运输要求较高。由于叶片前缘强度和刚度较低，在运输过程中局部易于损坏。同时这种叶片整体刚度较低，运行过程中叶片变形较大，必须选择高性能的结构胶，否则极易造成后缘开裂。D形、O形和矩形梁在缠绕机上缠绕成形；在模具中成形上、下两个半壳，再用结构胶将梁和两个半壳粘接起来。另一种方法是先在模具中成形C(或I)形梁，然后在模具中成形上、下两个半壳，利用结构胶将C(或I)形梁和两半壳粘接。2)叶片壳体以GRP层板为主，厚度在1020mm之间；为了减轻叶片后缘重量，提高叶片整体刚度，在叶片上、下壳体后缘局部采用硬质泡沫夹心结构，叶片上、下壳体是其主要承载结构。大梁设计相对较弱，为硬质泡沫夹心结构，与壳体粘接后形成盒式结构，共同提供叶片的强度和剐度，如图1315所示。其优点是叶片整体强度和刚度较大，在运输、使用中安全性好。但这种叶片比较重，比同型号的轻型叶片重2o9，6309，6，制造成本也相对较高。C形梁用玻璃纤维夹心结构，使其承受拉力和弯曲力矩达到最佳。叶片上、下壳体主要以单向增强材料为主，并适当铺设i45层来承受扭矩，再用结构胶将叶片壳体和大梁牢固地粘接在一起。在这两种结构中，：大梁和壳体的变形是。致的。经过收缩，夹心结构作为支撑，两半叶片牢固地粘接在一起。：j在前缘粘接部位常重叠，_以便增加粘接面积。在后缭糌接缝，由于粘接角的产生而变坚固了。在有扭曲变形时，粘接部分不会产生剪切损坜。关键问题是叶根的连接，它将承受所有的力，并由叶片传递到轮毂，常用的有多种连接方式。 2轮毂。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距(使叶片作俯仰转动)的所在。轮毂承受了风力作用在叶片上推力、扭矩、弯矩及陀螺力矩。通常轮毂的形状为三通形或三角形。轮毂可以是铸造结构，如图1316所示，也可丝器用焊接结构，其材料可以是铸钢也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代的优越性，如铸造性能好、容易铸成、减振性能好、应力集中敏感性低、成本低等.在风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。轮毂的常用形式主要有刚性轮毂和铰链式轮毂(柔性轮毂或跷跷板式轮毂)，刚性轮毂由于制造成本低、维护少、没有磨损，三叶片风轮一般采用刚性轮毂，刚性轮毂安装、使用和维护较简单，日常维护工作较少，只要在设计时充分考虑轮毂的防腐蚀问题，基本上可以说是免维护的，是目前使用最广泛的一种形式。，在设计中，应保证轮毂有足够的强度，并力求结构简单，在可能条件下(如采用叶片失速控制)，叶片采用定桨距结构，即将叶片固定在轮毂上 (无俯仰转动)，这样不但能简化结构设计，提高寿命，而且能有效地降低成本。风力机的基本参数与基本理论31风力机空气动力学的基本概念1风力机空气动力学的几何定义风力机空气动力学主要研究空气流过风力机时的运动规律。(1)风轮的几何参数。有关风轮的几何参数定义如下(见图I一330)。1)风轮轴线：风轮旋转运动的轴线。2)旋转平面：与风轮轴垂直，叶片在旋转时的平面。3)风轮直径：风轮在旋转平面上的投影圆的直径，如图1331所不。4)风轮中心高：风轮旋转中心到基础平面的垂直距离，如图1331所不。5)风轮扫掠面积：风轮在旋转平面上的投影圆面积。6)风轮锥角：叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜度，如图1332所不。7)风轮仰角：风轮的旋转轴线和水平面的夹角，如图1332所不。8)叶片轴线：叶片纵向轴线，绕其可以改变叶片相对于旋转平面的偏转角。9)风轮翼型(在半径r处的叶片截面)：叶片与半径为r并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面。10)安装角或桨距角：在叶片径向位置(通常为1O0叶片半径R处)叶片翼型弦线与风轮旋转面间的夹角p。(2)翼型的几何参数(见图1333)。1)前缘与后缘：翼型的尖尾点B称为后缘，圆头上0点为前缘。2)翼弦：连接前、后缘的直线0B，称为翼弦。0B的长度称为弦长，记为c。弦长是翼型的基本长度，也称几何弦。此外，翼型上还有气动弦，又称零升力线。3)翼型上表面(上翼面)：凸出的翼型表面0MB。4)翼型下表面(下翼面)：平缓的翼型表面0NB。5)翼型的中弧线：翼型内切圆圆心的连线，对称翼型的中弧线与翼弦重合。6)厚度：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。7)弯度：翼型中弧线与翼弦间的距离。8)攻角：气流相对速度与翼弦间所夹的角度，记做a，又称迎角、冲角。2流线概念气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。流线：在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线。流线描述了该时刻各气体质点的运动方向(切线方向)。一般情况下，各流线彼此不会相交。流线簇：流场中众多流线的集合称为流线簇，如图1334所示。当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。不同形状的物体对气流的阻碍效果也各不相同。3阻力与升力(1)升力和阻力试验。很多人都有放风筝的体验，当手抓着风筝奔跑时，前缘稍稍朝上，会感到一种向上的升力，如果前缘朝下一点，会感到一个向下的力，在向上和向下的升力之间，有一个角度，不产生升力，称做零升力角。在处于零升力角时，会产生很小的阻力。升力和阻力是同时产生的，将风筝的前缘从零升力角开始慢慢地向上抬起，开始时升力增加，阻力也增加，但升力比阻力增力的快得多，感觉风筝明显受到向上的升力作用；到某一个角度之后，升力突然下降，但阻力继续增加，感觉风筝明显受到向后的阻力作用，这时的功角大约是2O。，其实水平轴风力机的叶片受力情况也与风筝类似，如图1335所示。当坐在帆船上时，可以看到风帆在开始有一面受风的阻力作用，并做弯曲运动，当帆船弯曲运动到一定角度时，另一面受风，继续做弯曲运动。达里厄垂直轴风力机就是利用空气的阻力作用转换风能的。(2)升力和阻力产生机理。气动升力和阻力是像飞行器的机翼产生的一种力，当气流与机翼有相对运动时，气体对机翼有垂直于气流方向的作用力升力，以及平行于气流方向的作用力阻力，如图1335所示。下面就来定性分析飞机机翼附近的流线及压力变化情况。当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上、下面流线簇的疏密程度是不尽相同的。1)根据流体运动的质量守恒定律，有连续性方程：2)根据流体运动的伯努利方程，有式中P0气体总压力；P气体静压力。下翼面处流场横截面面积A3变化较小，流速u3几乎保持不变，进而静压力P：P。上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速增大，u2矶，使得P2O，气流为层流。在之间，CL与a呈近似的线性关系，即随着a的增加，升力FL逐渐加大，气流仍为层流。当时，Cl达到最大值Clmax；。a。，称为临界攻角或失速攻角。当时，C。将下降，气流也变为紊流。当时，cl=0，表明无升力。称为零升力角，对应零升力线。翼型剖面的阻力特性用阻力系数C，随攻角a变化的曲线(阻力特性曲线)来描述，如图1337所示。在时，Cd随a的增加而逐渐加大。在时，Cd达最小值CDmin(3)极曲线。在风力机的设计中往往更关心升力和阻力的比值，即升阻比F。F。以及最佳升阻比。通过极曲线(又称艾菲尔曲线)来讨论，如图l一338所示。1)极曲线上的每一点对应一种升阻比及相应的攻角状态，如等。2)为了得到最佳升阻比，可从原点作极曲线的切线，由于此时的夹角最大，故切点处的升阻比最大，对应的攻角为最有利攻角。(4)翼型的压力中心。翼型的压力中心为气动合力的作用点，也即合力作用线与翼弦的交点。压力中心的位置通常用距前缘的距离表示，作用在压力中心上的只有升力与阻力，而无力矩。332风力机基本理论1贝兹理论(1)贝兹理论中的假设。贝兹理论是世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整理论，它是1919年由贝兹(Betz)建立的。贝兹理论的建立，首先假定风轮是“理想风轮”，即： 1)风轮叶片全部接受风能(没有轮毂)，叶片无限多，对空气流没有阻力。2)空气流是连续的、不可压缩的，气流在整个叶轮扫掠面上是均匀的。3)叶轮处在单元流管模型中，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称平行风轮轴线的)，如图1339所示。分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动空气对风轮叶片所做的功。设风轮前方的风速为V1。，训是实际通过风轮的风速，V2是叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前风速面积S、叶片扫掠面的风速面积S及扫掠后风速面积s2。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必V2V1，S2S1.由流体连续性条件可得 (2)风轮受力及风轮吸收功率。应用气流冲量原理，风轮所受的轴向推力：式中，为单位时间内通过风轮的气流质量，ID为空气密度，取决于温度、气压、湿度，一般可取风轮吸收的功率(即风轮单位时间内吸收的风能)为(3)动能定理的应用。应用动能定理，可得气流所具有的动能为则风功率(单位时间内气流所做的功)为在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量为此即气流穿越风轮时，被风轮吸收的功率。因此整理得在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量为即穿越风轮的扫风面的风速等于风轮远前方与远后方风速和的一半(平均值)。(4)贝兹极限。下面引入轴向干扰因子进一步讨论。则有式中a轴向干扰因子，又称人流因子；U=v1a轴向诱导速度。讨论a的范围：当a=0.5时，v2=0,因此a0.5又vv1，有1a0 所以0.5a0由于风轮吸收的功率为令解a=1和a=1/3，可得吸收功率最大时的入流因子。取a=1/3，这里是远前方单位时间内气流的功率，并定义风能利用系数cp为于是最大风能利用系数为此乃贝兹极限，它表示理想风力机的风能利用系数cp的最大值是0593(风轮理论可达的最大效率)。对实际使用的风力机来说，二叶片高性能风力机效率可达047，达里厄风力机效率可达035。Cp值越大，则风力机能够从自然风中获得的能量百分比也越大，风力机效率越高，即风力机对风能的利用率也越高。2叶素理论(1)叶素理论的基本思想。1)将叶片沿展向分成若干微段叶片元素，即叶素。2)把叶素视为二元翼型，即不考虑叶素在展向的变化。3)假设作用在每个叶素上的力互不干扰。4)将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。(2)叶素模型。1)叶素模型的端面：在桨度dr在旋转平面内的线速度：U-rw。2)叶素模型的翼型剖面：翼型剖面的弦长C，安装角假设v为来流的风速，由于U的影响，气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为W。W与叶轮旋转平面的夹角为人流角，记为Y，则有叶片翼型的攻角为；(3)叶素上的受力分析(见图134O)。在W的作用下，叶素受到一个气动合力dR，可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。另一方面，dR还可分解轴向推力元dF。和旋转切向力元dF。由几何关系可得扭转元dT为由于可利用阻力系数C。和升力系数C。分别求得dD和dL：故dR和dT可求。将叶素上的力元沿展向积分，得作用在叶轮上的推力为：dR作用在叶轮上的扭矩：dT叶轮的输出功率：dTw-wT333风力机性能参数1风能利用系数CP风能利用系数C，是指风力机的风轮能够从自然风中获得的能量与风轮扫掠面积内的未扰动气流所含风能的百分比。风能利用系数是评定风轮气动特性优劣的主要参数。风的能量只有部分可被风轮吸收成为机械能，因此风能利用系数定义为式中P实际获得的输出功率，kw；r空气密度，kgm。；A风力机的扫掠面积，m。；口风速，mS。不同类型的风轮其风能利用系数是不同的，并网型风力发电机组的风能利用系数一般都应在04以上。2叶尖速比叶尖速比，简称尖速比，风轮叶片叶尖的线速度与风速u之比用A表示，即得式中v叶叶片尖端线速度，ms；v风速，ms；n风轮转速，rmin；R风轮转动半径，m。尖速比与风轮效率是密切相关的，只要风力发电机没有超速，运转处于较高尖速比状态下的风力发电机，风轮就具有较高的效率。低速风轮，取小值；高速风轮，取大值。表131给出了风轮叶片数与尖速比A的匹配值。3升阻比(失速)、风在叶片翼型上产生的升力F。与阻力F。之比称为翼型的升阻比，用LD来表示，即L/D=Fl/FD=Cl/CD式中Cl升力系数；cd阻力系数；Fl升力，N或kN；，Fd阻力，N或kN。翼型的升阻比(LD)值越高则风力发电机组的效率越高。在攻角达临界值之前，升力F。随攻角a的增加而增加，阻力Fo随迎角的增加而减小。当攻角增加到某一临界值a。，时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时风轮叶片突然丧失支承力，这种现象称为失速。4实度SA风力机实度的定义是：风轮的叶片面积之和与风轮扫掠面积之比值，用SA表示。风力机实度是标志风力机性能的重要特征系数。实度大小取决于尖速比，一般来说，实度大的风力机属于叶尖速比小的大扭矩、低转速型，如风力提水机；而实度小的风力机则属于叶尖速比大的小扭矩、高转速型，对风力发电机，因为要求转速高，因此风轮实度取得小。自启动风力发电机组的实度是由预定的启动风速来决定的，启动风速小，要求实度大。通常风力发电机组实度大致在520这一范围。5设计风速(额定风速)研风力发电机达到额定功率输出时规定的风速叫额定风速。6切入风速口。风力发电机开始发电时，轮毂高度处的最低风速叫切人风速(通常34ms)。7切出风速铆。风力发电机组正常运行的最大风速，称为切出风速；风力发电机组结构所能承受的最大设计风速叫安全风速。8风力机功率风力机功率是指风力机轴的输出功率，风力机轴功率大小是评价风轮气动特性优劣的主要参数。它取决于风的能量和风轮的风能利用系数，即风轮的气动效率。风力机功率与转速、风速的关系如图1341所示，以风速为变量，表示了输出功率和风轮转速之间的关系。一般来说，风力机在无负载时达到最高转速(图中曲线A所示)，随着负荷的增加，转速降低，当与负荷平衡时，转速就保持稳定。如果负荷增加到S点，则输出功率和转速降低，叶片失速。9风力发电机功率风力发电机功率是指风力发电机的输出功率，可用式(1329)来计算，即式中C，风能利用系数CQ传动装置及发电机韵效率系数。风力发电机的额定输出功率是与机组配套的发电机铭牌功率，其定义是在正常工作情况下，当风速达蓟额定风速时，风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率。风力发电机的功率会随风速变化，在风速很低的时候，风力发电机风轮会保持不动，当到达切入风速时，风轮开始旋转并牵引发电机开始发电，随着风力越来越强，输出功率会增加。当风速达到额定风速时，风电机会输出其额定功率。此后风速再增加，由于风轮的调节，功率保持不变，定桨距风轮因失速有个过程，超过额定风速后功率略有上升，然后又下降。当风速进一步增加，达到切出风速时，风力发电机会刹车与电网脱开，不再输出功率，以免受损。在风力发电机组产品样本中都有一个功率曲线图，如图1342所示。 水平轴风力发电机根据风一风轮一塔架三者相对位置的不同，根据风轮的迎风方式又可以分为上风型和下风型。风轮安装在塔架的上风位置迎风旋转的(风首先通过风轮再穿过塔架)，即风力发电机的风轮总是面对风来的方向，风轮在塔架“前面”，叫做上风型风力发电机。风轮安装在塔架的下风位置的(风首先通过塔架再穿过风轮)，即风力发电机的转子总是与风向相反，风力发电机的风轮在塔架“后面”，则称为下风型风力发电机。上风型风力发电机必须有某种调向装置来保持风轮迎风，下风型风。力发电机则能够自动对准风向，从而免除了调向装置。但对于下风型风力发电机，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，塔架干扰了流经叶片的气流，形成所谓塔影效应，使风力发电机性能有所降低。如图311所示。上风型风力发电机组在偏航系统(机构)失效时可能会转化为下风型风力发电机组。什么是低速型和高速型风力机? 低速型和高速型风力机是根据风力机的转速来划分的。 风力磨面机和提水机具有非常低的转子速度(rrain)而不适宜用来发电。但是它们有非常大的力矩，非常适合于提水。风力磨面机转子的效率大约为30，提水时的转换效率约为l8。拥有很好翼型的“托举型”风力发电机组有很高的转子速度和很高的效率。什么是直驱式和变速式风力发电机组? 根据风轮机与发电机之间的连接方式可将风力发电机组分为直驱式和变速式。 带有增速齿轮箱的风力发电机组称为变速式风力发电机组。齿轮箱用来提高高速轴的转速。 直驱式风力发电机组没用齿轮箱，风轮直接驱动发电机，称为直驱式风力发电机组。一般小型风力发电机组都是直驱的，没有齿轮箱。风力发电机组有哪些不同的叶片类型? 根据叶片的数量可将风力发电机组分为二叶片、三叶片和多叶片 风力发电机组的叶片可以有两片、三片甚至更多。 叶片的形状(翼形)主要有变截面叶片和等截面叶片这两种。 变截面叶片在叶片全长上各处的截面形状及面积都是不同的，等截面叶片则在其全长上各处的截面形状和面积都是相同的。 在某一转速下通过改变叶片全长上各处的截面形状及面积，使叶片全长上各处的攻角相同，这就是变截面叶片设计的初衷。可见变截面叶片在某一风速下及其附近区域具有最高的风能利用效率，脱离这一区域风能利用效率就会显著下降。 等截面叶片在任何风速下总有一段叶片的攻角处于最佳状态，因此在可利用的风速范围内等截面叶片的风能利用效率几乎是一致的。 一段叶片的效率总不如叶片全长的效率高，所以在变截面叶片的最高效率风速点及附近区域的风能利用率要远高于等截面叶片。 等截面叶片的制造工艺远优于变截面叶片，特别是在发电机组功率较大时变截面叶片几乎是很难制作的。风力发电机的叶片越多发电越多吗？ 从计算风能的公式可以看出，风能与风力发电机组风轮的扫风面积成正比，而与叶片的数量无关，因此理论上说，叶片数量的多少与风力发电机组获得的风能无关，风力发电机的发电量也与叶片数量无关，甚至有采用一个叶片的风力发电机，如图31 2所示，也有采用46个叶片的，如图31 5图31 7所示。但大多数风力发电机从技术和经济考虑，采用23个叶片，如图31 3和图31 4所示。叶片长度和风力发电机输出有什么关系? 由风能公式得知，风力发电机获得的风能与风轮的扫风面积成正比，所以增加叶 片长度可以有效地提高风能捕捉量，对水平轴的风力发电机而言，风轮的扫风面积为：A=r；这里r可近似看成叶片的长度(严格说，r是叶尖到转轴中心的长度)。因此，叶片长度增加一倍，获得的能量将增加三倍。如图318所示。 但叶片最大弯曲变形程度(叶片外端极限挠度)正比于叶片长度的4次方。叶片最大扭曲变形程度(叶片外端绕自身轴线极限转角)正比于叶片长度的3次方。二者均严重影响叶片的升力，因此叶片长度过度增加是无意义的。 风轮通常在350ms风速下都是转动的，这其中包含了许多共振点(物体的共振频率并非只有一个)，叶片的共振不仅造成自身损坏而且可能引起其他零部件共振，所以叶片的长度不能仅仅根据空气动力学来计算，还应根据各零部件的震动频率进行修正。单纯根据叶片长度来推算风力发电机的功率是不正确的风力发电机的叶片应该满足哪些最基本要求? 叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。恶劣的环境和长期不停地运转，对叶片的要求有： 密度轻且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负载的考验； 叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负载稳定性好，不得在失控(飞车)的情况下在离心力的作用下拉断并飞出，亦不得在风压的作用下折断，也不得在飞车转速以下范围内产生引起整个风力发电机组的强烈共振； 叶片的材料必须保证表面光滑以减小风阻，粗糙的表面亦会被风“撕裂”； 不得产生强烈的电磁波干扰和光反射； 不允许产生过大噪声； 耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好； 成本较低，维护费用最低。用于加工叶片的材料有哪些? 用于加工叶片的材料有木头、金属、工程塑料、玻璃钢等。 (I)木制叶片及布蒙皮叶片 近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。 (2)钢梁玻璃纤维蒙皮叶片叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃 二钢蒙皮的结构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢管及D型型钢从 ，叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强 、度梁。 i (3)铝合金等弦长挤压成型叶片 用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可连续生产，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，因为目前世界各国尚未解决这种挤压工艺。另外，铝合金材料在空气中的氧化和老化问题也值得研究。 (4)玻璃钢叶片 所谓玻璃钢(glass fiber reinforced plastic，简称GFRP)就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其他部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质量还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进，其单位(kW)成本较低，如图319所示。 (5)碳纤维复合叶片 随着风力发电产业的发展，对叶片的要求越来越高。对叶片来讲，刚度也是一个十分重要的指标。研究表明，碳纤维(carbon fiber，简称CF)复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料，但价格昂贵，影响了它在风力发电上的大范围应用。因此，全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究，以求降低成本。 叶片的翼型是根据空气动力学原理设计的，是决定风轮效率和工作情况的决定性因素。 目前还有人尝试用竹子作为叶片材料的。无锡瑞尔竹风科技有限公司自主研发的800kW竹质复合材料风力发电机叶片2008年7月中旬在河北张北风场成功安装完毕，风力发电机组并网发电。叶片的形状(翼形)有哪些，各有什么优缺点 叶片的形状(翼形)主要有变截面叶片和等截面叶片这两种。 变截面叶片在叶片全长上各处的截面形状及面积都是不同的，等截面叶片则在其全长上各处的截面形状和面积都是相同的。 作用在叶片上的风矢量是空气流动的主方向和叶片旋转方向的矢量和。 叶片旋转方向的风速不仅与叶片的转速有关，还与叶素的位置有关(v=wr)。 可见叶片上各处风矢量的方向和大小都是不同的。 在某一转速下通过改变叶片全长上各处的截面形状及面积，使叶片全长上各处的攻角相同，这就是变截面叶片设计的初衷。可见变截面叶片在某一风速下及其附近区域具有最高的风能利用效率，脱离这一区域风能利用效率就会显著下降。 等截面叶片在任何风速下总有一段叶片的攻角处于最佳状态，因此在可利用的风速范围内等截面叶片的风能利用效率几乎是一致的。 一段叶片的效率总不如叶片全长的效率高，所以在变截面叶片的最高效率风速点及附近区域的风能利用率要远高于等截面叶片。 等截面叶片的制造工艺远优于变截面叶片，特别是在发电机组功率较大时变截面叶片几乎是很难制作的。 、 还有一种带变桨器的叶片。这种叶片在其全长上各处的截面形状及面积都是固定的。在不同的风速下通过变桨器给予叶片不同的扭曲度以实现攻角的优化。它的效率介于上述两种叶片之间。但这种叶片要很好地优化韧性与强度的关系。这种叶片至今没有得到大面积推广。叶片是如何生产加工的? 微型风力发电机的叶片一般用木头手工制作、金属冷冲压成型或注塑成型的工艺方法。 小型风力发电机的叶片一般用金属或玻璃钢挤压成型。图320所示为玻璃钢叶片挤压成型。 大型风力发电机的叶片一般用玻璃钢手工制作。 1风轮 叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂等。风轮是风力发电机接受风能的部件。现代的风力发电机的叶片数，常为l4枚叶片，常用的是2枚或3枚叶片。由于叶片是风力发电机接受风能的部件，所以叶片的扭曲、翼型的各种参数及叶片结构都直接影响叶片接受风能的效率和叶片的寿命。 叶片尖端在风轮转动中所形成圆的直径称风轮直径，亦称叶片直径(关于叶片的扭曲、翼型参数见第三章)。 图24(a) 美国MOD-1型大型水平轴风力发电机结构 1转盘座；2一调向制动器；3一调向电机；4低速联轴器；5一增速器； 6一机舱底座；7一励磁机；8一交流发电机；9高速轴联轴器；10高速 轴制动器；11机舱；l2爬梯；l3变桨距控制轴承；l4一变桨距液压 油缸；1卜变桨距控制连杆；l6一叶片；l7一轮毂；l8-风轮轴轴承；l9一 转盘轴承；20一三相交流电输出集电环；21一风轮接合器 图2-4(b) 美国M0n0型风力发电机结构 1一左调向电机；2左调向减速器；3-右调向电机；4-右调向减速器 5-调向传动轴；6-发电机；7高速轴；8一高速轴接合器；9-低速制动 器；l0低速轴；11-调速装置；l2一增速器；13一调向制动盘；l4一调向制动器15-叶片 叶片又可分为变桨距叶片和固定桨距叶尖可变桨距或叶尖有阻尼器两种叶片，其作用都是为了调速。 从叶片结构上又可分为木制叶片、铝合金挤压成型的等弦长叶片、钢制叶片、钢纵梁玻璃钢叶片、玻璃钢叶片等。由于叶片在转动中，距转动中心不同半径的线速度也不同，接受风能也不同。为了叶片各部接受风能大体一致，叶片往往做成从叶跟到叶尖是渐缩的，并且扭转一定角度，这种叶片称扭曲叶片。现代大、中型风力发电机都采用扭曲叶片。叶片安装在轮毂上，有些调速装置就安装在轮毂内。第一节风力机的基本原理空气的流动就是风。风是由于地球自转及纬度温差等原因致使空气流动形成的。风能在这里指的是风的动能。 关于风力机的理论有几种，如贝茨(Betz)理论，萨比宁(Sabinin)理论，葛劳渥(Glauert)理论，斯特法尼亚克(Stefaniak)理论，许特尔(Hutter)理论等。本节主要介绍贝茨理论及葛劳渥理论。一、贝茨(Betz)理论 世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整的理论是l919年由A贝茨(Betz)建立的。贝茨理论的建立是假定风轮是理想的，全部接受风能(没有轮毂)，叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称平行风轮轴线的)，这时的风轮称“理想风轮”。 分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动空气对风轮叶片所做的功。设风轮前方的风速为v1，v是实际通过风轮的风速，v2是叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前风速面积s1，叶片扫掠面的风速面积s及扫掠后风速面积s2。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必V2sl。如图3.1所示。 图31贝茨(Betz)理论计算简图V1-叶片前的风速；v-风经过叶片时的速度；v2-风经过叶片后的速度；Sl-叶片前的风速的面积；s-风经过叶片时的面积；s2-风经过叶片后的面积 于是 风作用在叶片上的力由欧拉定理求得 式中空气当时的密度。 风轮所接受的功率为经过风轮叶片的风的动能转化式中空气质量。 N=T 因此，风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率N分别为 风速是给定的，N的大小取决于v2的值，得，N是v2的函数，对N微分求最大值，得令其等于0，求解方程，得求Nmax得令16/27=0.593 为Cp，称作贝茨功率系数，有Nmax=而正是风速为vl的风能T，故Nmax=CpT Cp= 0593说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率Nmax为风吹过叶片扫掠面积s的风能的593。贝茨理论说明，理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是 593。 通常风力机风轮叶片接受风能的效率达不到593，一般设计时根据叶片的数量、叶片翼型、功率等情况，取025045。 二、风力发电机叶片的概念 贝茨理论提供了风能的基本理论，没有提供风力机叶片的几何形状，因为贝茨理论假定的是理想风轮。风轮叶片的几何形状不同则其空气动力特性也不同。我们在未讨论叶片的几何形状及其空气动力特性之前，先明确几个概念和术语。 (1)叶尖速比。叶尖速比，简称尖速比，风轮叶片尖端的线速度与风速v之比，用来表示式中 V-叶片尖端线速度，ms； v风速，ms； n风轮转速，rmin； R-风轮转动半径，m。 低速风轮，取小值；高速风轮，取大值。表3-1给出了风轮叶片数与尖速比的匹配值。 法国L瓦多特(Romani)设计的Best Romani风力发电机，试验一种尖速比大的风轮，使原风力发电机的风轮转数由437rrain，=7增到风轮转数71rmin，=11373，此时叶尖线速度达v=112ms，结果一个叶片损坏。埃菲尔试验室的负责人和这台风力发电机的设计者L瓦多特估计,100m/s是风轮叶尖线速度的极限值。 (2)翼的前缘。在图3-2中，翼的前头A为一圆头，称为翼的前缘。图3-2翼的概念及翼的受力分析 (3)翼的后缘。翼的尾部B为尖型，即翼的尖尾称翼的后缘。 (4)翼弦。翼的前缘A与后缘B的连线称翼的弦，AB的长是翼的弦长L，亦称翼弦。 (5)翼的上表面。在图3-2中，翼弦上面的弧面，即弧度ACB弧面称翼的上表面。 (6)翼的下表面。翼弦下部的弧面，即弧度ADB弧面称翼的下表面。 (7)翼的最大厚度h。翼的上表面与下表面相对应的最大距离称翼的最大厚度h。一般翼的最大厚度距前缘占弦长的20一35，当厚度表达为弦长的函数称厚弦比或称相对厚度，通常为10l5。 (8)翼展。叶片旋转直径，即风轮转动直径称为翼展。 (9)叶片安装角。风轮旋转平面与翼弦所成的角称叶片安装角。在扭曲叶片中，沿翼展方向不同位置叶片的安装角各不相同，用i表示。 (10)迎角。翼弦与相对风速所成的角称迎角，亦称攻角。 (11)展弦比。翼展的平方与翼的面积Sy之比，即风轮直径的平方与叶片面积之比，称展弦比，用Rz来表示 式中Lm平均弦长，m； Sy叶片面积，m2； R风轮转动半径，m。 (12)翼的气动俯仰力矩。各种翼型总有一个点，空气动力F作用在这个点的力矩为零，此点称压力中心。当叶片纵梁没有通过这个点就会对纵梁形成力矩，这个力矩称气动俯仰力矩。压力中心至前缘的距离，设计时通常取O25-030。气动俯仰力矩表达式为：式中Sy叶片面积； Cm俯仰力矩系数； L翼的弦长。 (13)失速风吹在翼型上时使翼产生升力FL和阻力FD，升力与阻力之比称作翼型的升阻比，用LD来表示式中 CL_升力系数； CD阻力系数； FL升力，N或kN； CD阻力，N或kN。 升力随迎角的增加而增加，阻力FD随迎角的增加而减小。当迎角增加到某一临界值cr时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时风轮叶片突然丧失支承力，这种现象称为失速。图33是升力系数CL和阻力系数cD随迎角口的变化曲线；表33是叶片剖面翼型与升阻比(LD)的关系。在负迎角时，升力系数随负角的增加而减小，达到最小值CLmin；阻力系数随负角的减小而降低，对不同翼型叶片其都能对应一个最小值；而后随迎角的增大而增大。图3-3升力系数CL和阻力系数CD随迎角变化 (14)风轮。风轮就是叶片安装在轮毂上的总成。 (15)叶片。叶片是接受风能的基本部件。叶片的翼型及扭曲、叶片的数量和尖速比都直接影响叶片接受风能的效率。 (16)叶片旋转平面。叶片转动时所形成的圆面。 (17)风轮直径。叶片转动扫掠面的直径，亦称叶片直径。 三、风轮叶片的空气动力学 1风轮叶片所受的力 风以速度v吹到叶片上，见图32，叶片受到空气动力 F开始转动。空气的总动力F分解在相对风速方向的一个力FD，称作阻力；另一个垂直于阻力FD的力，称作升力FL。FL就是使静止的叶片在风速v吹在叶片上时使叶片转动的力。 式中空气密度； Cr空气动力系数； CD阻力系数； CL升力系数； Sy叶片面积。 2叶片的速度 由图32可知 式中 相对速度，ms； u叶片转速，ms；风速，ms。式中 叶片角速度，rads；叶片计算速度点至转动中心之距，m； n叶片转数，rmin。 3叶片的受力及风轮的功率 将叶片一部分视为一个积分元，空气总动力的积分元为dF，它作用在叶片上的升力积分元dFL及阻力积分元dFD，dFL和dFD都随叶片迎角a的变化而变化。叶片转动的转矩及风轮功率都是这些积分元沿叶片积分的结果。 进而得 式中 风轮角速度，rads； dM转矩积分元。 dM，dN表达如下式中 ri叶片积分元距叶片转动中心之距离，In； 相对风向角，=a+。因而风吹到叶片上使风轮获得的功率、有效功率及效率分别表达如下式中 N叶片接收的风能功率，w或kW； Ne叶片接收风能的有效功率，w或kW； M叶片接受风能使风轮转动的扭矩或称转矩，Nm或kNm。 四、葛劳渥的风能旋涡理论 空气流流经风轮后缘形成旋涡，一个旋涡靠近轮毂，另一个旋涡靠近叶尖。也即风经过叶片后气流随后成为螺旋状，而叶片后缘的气流也成为螺旋状，进而形成以风轮轴线为轴的气流螺旋线。如图34(a)、(b)所示。图34风轮旋涡与磁场旋涡(a)多叶片低速风轮；(b)高速风轮；(c)磁场旋涡 空间给定一点的风速，可以看作是直线运动的风速和旋涡诱导速度的合速度，而旋涡诱导速度又是三个旋涡速度的合速度。第一个旋涡是附着在叶片上的旋涡附着涡，第二个旋涡是螺旋后缘旋涡和第三个旋涡的中心涡旋涡。风轮有k个叶片，就有3k个旋涡环量。 葛劳渥旋涡理论是以叶片接受风能旋转出现的旋涡模拟通电导线的磁场旋涡诱导出的理论及运算公式。图34(c)中所示是磁场的旋涡系，它是由一根中心导线及流经的电流KI,k为经线数，与风轮叶片数k相同的导线，每根导线流过的电流为I，这有如k条流量为I的小河汇流到中心流量为KI的大河一样。中心导线的电流磁场Hc和经导线电流磁场HM及Hc和HM方向相反，在圆面上的合磁场为HD，即距离平面后ri处的合磁场为在圆面内从中心向外r处的合成磁场强度为 环形螺线管所产生的磁场与螺线管电流磁场相似，其电流磁场为Hs=nLI，其中nL是单位长度的导线数。在螺线管末端圆面上所产生的电流磁场为Hs2= nLI2。 现在再考虑风轮旋涡与磁场旋涡的相似及相对应的关系。环形磁场2HD相当于周向诱导风速vy，风以一定转速绕自身轴线旋转，与叶片的转向相反。在风轮面内环形电流磁场HD相当于风轮周向诱导速度vy/2及诱导转速ny2，圆面前的电流磁场为零，相当于风轮前面旋转速度为零。设V是风轮后旋涡系的轴向诱导风速，相当于轴向电流磁场nLI，与风速v1的方向相同。在旋转平面内轴向诱导速度仅为vy2，相当于电流磁场nLI2。因此合成风速： 风通过风轮时的风速风通过风轮后的风速将上述二式消去vy，得 这与贝茨理论导出的v=(v1+v2)是相同的。 葛劳渥旋涡理论是通过与风轮后及风轮上空气流的旋涡与相似导线的磁场理论得到的。它的结果与贝茨理论结果一致，都证明了最理想的风能利用效果是593。贝茨风能理论是风力机设计的最基本理论。到目前为止还没有发现有突破贝茨风能效率的风力机。贝茨理论是假想建立在“理想风轮”的情况下得到的，没有给定理想风轮叶片的形状、翼型、迎角、叶片扭曲等直接影响风轮接受风能的各种条件，因此，在设计风力发电机时，要注意考虑叶片接受风能的各种要素。第二节风力发电机设计计算在贝茨理论的基础上，通过实践总结出了设计风力机的经验公式，可以为从事风力机、风力发电机的设计者提供设计的依据。 一、风力机的有效功率 风力机的有效功率Ne(w)可由下式求得式中 K单位换算系数，见表3-3 Ca空气高度密度换算系数，它是指不同海拔高度空气密度的修正值，见表3-4 ； Ct空气湿度密度修正系数，温度不同时空气密度也不同，见表3-4； S风轮叶片扫掠面积，m2； v，风速，ms； 风力机全效率。风力机的全效率一般取= 2550。低速风力机取小值，13叶片高速风力机取大值；一般设计时高速风力机取3050。参