风力机叶片气动与风轮机构

1、摘要风力发电是目前风能的主要利用方式， 从能量转换的角度看， 风力发电机由两大部分组成， 其一是风力机， 风力机则是以风能作为一次能源转化成机械能而做功的一种动力机；其二，是发电机，它的功能是将机械能转换成电能。 水平轴风力机是目前国内外最常见的一种风力机，也是技术最为成熟的一种风力机。 水平轴风力机一般在高风速时有较高的风能利用率，在大容量风力发电行业中应用十分广泛。目前比较成熟的风力机的结构特征是：三叶片、上风向、可变浆。本文主要介绍水平轴风力机的风轮结构。 风轮是风力发电机组的核心部件之一， 主要由叶片和轮毂组成， 叶片的翼型和材料强度决定了风轮吸收风能的效率和叶片寿命。一般高速风力发电

2、机多用23片叶片。叶片安装在轮毂上，通过轮毂与主轴连接，同时，叶片相对轮毂安装叶片轴转动的称为变桨距风轮，能实现叶片桨距角控制， 可以控制风力机的转速与功率输出。风力发电基本理论贝茨理论贝茨理论的建立是假定风轮是“理想”风轮。 “理想风轮的具体条件是：1 风轮没有锥角、倾角、和偏角，全部接受风能（没有轮毂），叶片无限多，对空气流没有阻力。2 风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即 1= 2。3 风轮流动模型可简化成一个单元流管，如图所示。4 作用在风轮上的推力是均匀的。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

3、叶片前风速面积为s1，叶片扫掠面的风速面积为s及扫掠后风速面积为s2。风吹到叶片上所做的功等于将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必有v1v2,s 1s2。假设空气是不可压缩的，于是由连续条件可得s1v1=s2v2 =sv风作用在叶片上的力由欧拉定理求得f=sv（v1-v2）式中 - 空气当时密度。故风轮吸收的功率为p=fv=sv2（v1-v2）从上游至下游动能的变化为1212w= mv1 -2mv22由于从上游到下游空气质量不便，故m=s v = sv=s v111222所以12-v2w=sv（v12 ）2由于风轮吸收的功率是由动能转换而来，所以p=w2122即sv（v1-v2）=2sv（v

4、1-v 2）得到v=(v1+v )/22将 代入 得p=1s（v12 -v 22）(v1+v2)4令 dp =0, 解得：v2= v1/3 。dv2将代入得p=8s v31max27将上式除以扫掠面s 时风所具有的动能，可得风力机理论最大风能利用系数： max=pmax =16/27 0.5931 sv132上式即为贝茨理论的极限值。 表明风力机从自然风中所能获取的能量是有限的，这个有限效率的极限值为理论风能利用系数cp=0.593。而风力机的实际风能利用系数往往更低，即 cp0.593。其功率损失部分可解释为留在尾流中的旋转动能。叶素理论叶素理论是从叶素附近流动来分析叶片上的受力和功能交换。

5、叶素为风轮叶片在风轮任意半径 r 处的一个基本单元， 它是由 r 处翼型剖面延伸一小段厚度 dr 而形成的，像这样把叶片假想分割成无限多个叶素，每个叶素都是叶片的一部分，每个叶素厚度无限小，且假定所有叶素都是独立的， 叶素之间不存在相互作用， 通过各叶素的气流也不相互干扰。在分析叶素的空气动力学特征时就可以忽略叶片长度的影响。这种理论就叫叶素理论。风轮的叶素作用在每个叶素上的力仅有叶素的翼型升阻特性来决定， 叶素本身可以看成一个二元翼型，作用在每个叶素上的力与力矩沿展向积分，就可得到作用在风轮上的力与力矩。叶素受力关系翼型的几何参数与空气动力特性1. 翼型前缘。翼型的前头 a 为一圆头，称为翼

6、型的前缘。2. 翼型后缘。翼型的尾部 b 为尖形，称为翼型的后缘。3. 翼弦。翼型前缘 a 与翼型后缘 b 的连线 ab称为翼弦。4. 攻角 。翼弦与合成风速的夹角称为攻角。5. 安装角 。风轮旋转平面与翼弦所成角度即为安装角， 亦称桨距角，节距角。6. 入流角 。合成风速与风轮旋转平面的夹角， =+7.dl 、dd。气流流经翼型表面时，会产生垂直于来流方向的升力 dl，和平行于来流方向的阻力 dd。其中：dl=12ccldr2wdd=12ccd2wd r式中， c-弦长；cl- 升力系数；cd- 阻力系数；8. 轴向力 dfa, 切向力 dft 。为了方便分析问题，将 dl、dd 分解为：驱

7、动风轮旋转的切向力 dft 和轴向力 dfa。其中：dfa= dlcos+ddsin1 2= wcdr (cl cos+cdsin )2dft= dlsin -ddcos= 12cdr(cl sin -cdcos)2w9.dq: 作用在风轮叶片半径r 处，宽度为 dr叶素上的气动推力； dt:风轮旋转面 r 处，宽度为 dr 的 圆环上所产生的转矩。其中：dq=bdfa=1b2cos+csin )wcd (c2rld=1 b2wccxdr21 bdt=rbdft=rw2cdr(cl sin -cdcos)2=1b2rwccdr2y式中， b为叶片数，并定义轴向和切向系数为cx=ccos+csi

8、n ldc = csin -c cosyld动量 - 叶素理论气流通过风轮使其产生转矩，同时风轮对气流也有影响。此时叶素截面的气流发生变化， 气流速度形成垂直和平行于风轮旋转平面的两个分量。因此，引入轴向诱导因子a 和切向诱导因子b。设风轮旋转角速度为 ，来流风度为 v，则在半径为 r 处的叶素的合成速度w为：w=v2 (1 - a)2 + 2r 2 (1 + b)2进行气动分析诱导因子是绝对不能忽略的，可通过迭代求出诱导因子a 和 b，这也造成了气动设计的复杂性。风轮叶片叶片是风力机最基础和最关键的部件，也是风力发电机接受风能的最主要部件。其叶片的良好设计， 可靠的质量和优越的性能是保证机组

9、正常稳定运行的决定因素。 由于恶劣的环境和长期的运转，对叶片的基本要求有如下方面：1 高效接受风能的翼型。如naca6族层流翼型、 seri翼型等，可根据不同部位选用不同翼型的组合设计，以使叶片的功率利用性能得到优化。2 合理的结构。叶片应有最佳的结构强度、疲劳强度、力学性能，能承受自重、离心力、挥舞、摆振等给予叶片的弯矩，拉力，并能承受极端恶劣条件的考验。目前叶片的剖面结构有： o 型梁、 d 型梁、矩形梁、双工梁、主副梁等。3 叶片的弹性、旋转时的惯性和真动频率都要正常，传递给整个发电系统稳定性要好，不可引起整个机组发生强烈共振。4 材料选择。要考虑经济性、密度、强度、可回收、阻燃、寿命等多方面因素。目前常用材料包括： 铝合金挤压成型、 玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料等5 不允许产生过大噪声。不得产生强烈的电磁干扰和光反射，应有航空标志等。6 叶片应有良好的密封， 如挡雨环等，并有排出叶片内部积水的措施。7 耐紫外线照射性能好，并有防雷措施，安装接闪器，引接线将电流引向大地。轮毂轮毂是连接叶片与风轮主轴的重要部件， 用于传递风轮的力与力矩到后面的机构， 由此叶片上的载荷可以传递到机舱或塔架上。 轮毂多由高强度球墨铸铁制成，原因是轮毂结构复杂用浇注工艺可以铸出。轮毂内部变桨机构用于对风轮转速、功率的控制和