风力发电讲义 第二章

1、第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第一节第一节 风力机的工作原理风力机的工作原理n风力发电机组风力发电机组由两大部分组成：由两大部分组成：n其一是其一是风力机风力机, 它的功能是将风能转换为机械能它的功能是将风能转换为机械能;n其二是其二是发电机发电机,它的功能是将机械能转换为电能。它的功能是将机械能转换为电能。n首先介绍风力机的类型和原理。首先介绍风力机的类型和原理。n一、风力机的种类一、风力机的种类n风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮旋转的风轮, ,因此因此, ,风力机依风轮的结构及其在气流中的

2、风力机依风轮的结构及其在气流中的位置大体上可分为两大类位置大体上可分为两大类: :n 一类为一类为水平轴风力机水平轴风力机,如图如图21（a）示）示n一类为一类为垂直轴风力机垂直轴风力机，如图，如图21（b）示。）示。第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第一节第一节 风力机的工作原理风力机的工作原理n（一）水平轴风力机（一）水平轴风力机n水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转, , 工作时工作时, ,风轮的旋转风轮的旋转平面与风向垂直平面与风向垂直, ,如图所示如图所示。n风轮上的叶片风轮上的叶片是径向安置的是径向安置的, ,与旋转轴相垂

3、直与旋转轴相垂直, ,并与风轮的旋转平并与风轮的旋转平面成一角度面成一角度(安装角安装角) ) 。n风轮叶片数目风轮叶片数目的多少的多少, ,视风力机的用途而定。用于风力发电的风视风力机的用途而定。用于风力发电的风力机一般叶片数取力机一般叶片数取1 14(4(大多为大多为2 2 片或片或3 3 片片) , ) , 而用于风力提水而用于风力提水的风力机一般取叶片数的风力机一般取叶片数12122424。n叶片数多的风力机通常称为叶片数多的风力机通常称为低速风力机低速风力机, ,它在低速运行时它在低速运行时, ,有较高有较高的风能利用系数和较大的转矩。它的起动力矩大的风能利用系数和较大的转矩。它的起

4、动力矩大, ,起动风速低起动风速低, ,因因而适用于提水。而适用于提水。n叶片数少的风力机通常称为叶片数少的风力机通常称为高速风力机高速风力机, ,它在高速运行时有较高它在高速运行时有较高的风能利用系数的风能利用系数, ,但起动风速较高。由于其叶片数很少但起动风速较高。由于其叶片数很少, , 在输出在输出同样功率的条件下比低速风轮要轻得多同样功率的条件下比低速风轮要轻得多, , 因此适用于发电。因此适用于发电。水平轴风力机水平轴风力机a) 高速风力机 b) 低速风力机第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第一节第一节 风力机的工作原理风力机的工作原理n水平轴风力机又有水平轴

5、风力机又有上风向与下风向之分上风向与下风向之分。n风轮在塔架的前面迎风旋转风轮在塔架的前面迎风旋转, 叫做叫做上风向风力机上风向风力机。n风轮在塔架的下风位置的风轮在塔架的下风位置的, 则称为则称为下风向风力机下风向风力机。n上风向风力机上风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮迎风。对小型风力必须有某种调向装置来保持风轮迎风。对小型风力机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力机，则利用风向机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力机，则利用风向传感元件及伺服电动机组成的传动机构传感元件及伺服电动机组成的传动机构n而而下风向风力机下风向风力机则能够自动对准风向则能够自动对准风向, 从而免除了调

6、向装置。但从而免除了调向装置。但对于下风向风力机对于下风向风力机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮, 这样这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应, 使性能有所使性能有所降低。降低。n水平轴风力机可分为水平轴风力机可分为升力型和阻力型升力型和阻力型两类两类n升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力机升力型水平轴风力机下风向风力机第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第一节第一节 风力机的工作原理

7、风力机的工作原理n（二）垂直轴风力机（二）垂直轴风力机n垂直轴风力机在风向改变时无需对风垂直轴风力机在风向改变时无需对风, 如图所示如图所示。n优点：优点：n（1）可以接受来自任何方向的风）可以接受来自任何方向的风,因而当风向改变时因而当风向改变时,无需对风。无需对风。由于不需要调向装置由于不需要调向装置,使它们的结构设计简化。使它们的结构设计简化。n（2）齿轮箱和发电机可以安装在地面上）齿轮箱和发电机可以安装在地面上, 检修维护方便。检修维护方便。n垂直轴风力机可分为两个主要类别：垂直轴风力机可分为两个主要类别：n一类是利用空气动力的阻力作功一类是利用空气动力的阻力作功,典型的结构是典型的结

8、构是S 型风轮型风轮。其优点。其优点是起动转矩较大是起动转矩较大,缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流,从而对从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机它产生侧向推力。对于较大型的风力机,因为受偏转与安全极限应因为受偏转与安全极限应力的限制力的限制, 采用这种结构形式是比较困难的。采用这种结构形式是比较困难的。n另一类是利用翼型的升力作功另一类是利用翼型的升力作功, ,最典型的是最典型的是达里厄型风力机达里厄型风力机。是是水平轴风力机的主要竞争者。水平轴风力机的主要竞争者。垂直轴风力机垂直轴风力机a) S 型风轮 b)达里厄型风力机风力机的类型风力机的类型 n 1

9、、根据风力机旋转主轴的布置方向（即主轴与地面相、根据风力机旋转主轴的布置方向（即主轴与地面相对位置）分类，可分为对位置）分类，可分为水平轴风力机和垂直轴式风力机水平轴风力机和垂直轴式风力机。n2、根据桨叶受力方式不同，可分为、根据桨叶受力方式不同，可分为升力型风力机和阻升力型风力机和阻力型风力机。力型风力机。n3、根据桨叶数量不同，可分为、根据桨叶数量不同，可分为单叶片双叶片三叶单叶片双叶片三叶片和多叶片型风力机；片和多叶片型风力机；n4、根据风轮设置位置不同，可分为、根据风轮设置位置不同，可分为上风向风力机和下上风向风力机和下风向风力机风向风力机n5、根据机械传动方式不同，可分为有、根据机械

10、传动方式不同，可分为有齿轮箱型风力机齿轮箱型风力机和无齿轮箱的直驱型风力机和无齿轮箱的直驱型风力机n6、根据桨叶是否可调节，可分为、根据桨叶是否可调节，可分为定桨距（失速型）风定桨距（失速型）风力机和变桨距风力机力机和变桨距风力机 风力机的类型风力机的类型n7、根据风轮转速是否恒定，可分为：、根据风轮转速是否恒定，可分为：恒速风力恒速风力发电机组和变速风力发电机组发电机组和变速风力发电机组n8、根据风力发电机组的发电机类型不同，可分、根据风力发电机组的发电机类型不同，可分为为异步发电机型和同步发电机型异步发电机型和同步发电机型n9、根据风力发电机的输出端电压高低不同，可、根据风力发电机的输出端

11、电压高低不同，可分为分为高压风力发电机和低压风力发电机高压风力发电机和低压风力发电机n10、根据风力机的额定功率不同，可分为：、根据风力机的额定功率不同，可分为：大大型、中型、小型、微型风力机型、中型、小型、微型风力机n10kW以下风力机为微型风力机，以下风力机为微型风力机，10kW至至100kW的的为小型风力机，为小型风力机，100kW至至1000kW功率的为中型风力功率的为中型风力机，机，1000kW以上的以上的MW级风力机为大型风力机。级风力机为大型风力机。n1、风力机空气动力学的几何定义、风力机空气动力学的几何定义n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。风力机空气动力学主

12、要研究空气流过风力机时的运动规律。n（1）风轮的几何参数）风轮的几何参数n有关风轮的几何参数定义如下：有关风轮的几何参数定义如下：第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第二节风力机的空气动力学概念第二节风力机的空气动力学概念n1 1）风轮轴线：）风轮轴线：风轮旋转运动的风轮旋转运动的轴线。轴线。 n2 2）旋转平面：）旋转平面：与风轮轴垂直，与风轮轴垂直，叶片在旋转时的平面。叶片在旋转时的平面。n3 3）风轮直径）风轮直径：风轮在旋转平面：风轮在旋转平面上的投影圆的直径。上的投影圆的直径。n4 4）风轮中心高）风轮中心高：风轮旋转中心：风轮旋转中心到基础平面的垂直距离。到基

13、础平面的垂直距离。n5 5）风轮扫掠面积）风轮扫掠面积：风轮在旋转：风轮在旋转平面上的投影圆面积。平面上的投影圆面积。n6）风轮锥）风轮锥角角：叶片相：叶片相对于和旋转对于和旋转轴垂直的平轴垂直的平面的倾斜度。面的倾斜度。n7）风轮仰）风轮仰角角：风轮的：风轮的旋转轴线和旋转轴线和水平面的夹水平面的夹角。角。n8 8）叶片轴线）叶片轴线：叶片纵向轴线，绕其可以改变叶片相对：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（安装角）。于旋转平面的偏转角（安装角）。n9 9）风轮翼型）风轮翼型（在半径（在半径r r处的叶片截面）：叶片与半径为处的叶片截面）：叶片与半径为r r并以风轮轴为轴线的

14、圆柱相交的截面。并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面。 n1010）安装角或桨距角）安装角或桨距角：在叶片径向位置（通常为：在叶片径向位置（通常为 100100叶片半径叶片半径R R处）叶片翼型弦线与风轮旋转面间的夹角处）叶片翼型弦线与风轮旋转面间的夹角，如图所示。如图所示。（2 2）有关翼型几何形状定义如下：）有关翼型几何形状定义如下：1 1）前缘与后缘）前缘与后缘：翼型的尖尾点：翼型的尖尾点B B称为后缘，圆头上称为后缘，圆头上O O点为点为前缘前缘n2 2）翼弦）翼弦：连接前、后缘的直线：连接前、后缘的直线OBOB，称为翼弦。，称为翼弦。OBOB的长的长度称为弦长，记为度称为弦长，记为 C

15、C。弦长是翼型的基本长度，也称几。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。何弦。此外，翼型上还有气动弦，又称零升力线。n3 3）翼型上表面（上翼面）翼型上表面（上翼面）：凸出的翼型表面：凸出的翼型表面OMBOMB。（2 2）有关翼型几何形状定义如下：）有关翼型几何形状定义如下：n4 4）翼型下表面（下翼面）翼型下表面（下翼面）：平缓的翼型表面：平缓的翼型表面ONBONB。n5 5）翼型的中弧线）翼型的中弧线：翼型内切圆圆心的连线，对称翼型：翼型内切圆圆心的连线，对称翼型的中弧线与翼弦重合。的中弧线与翼弦重合。n6 6）厚度）厚度：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。

16、：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。n7 7）弯度）弯度：翼型中弧线与翼弦间的距离。：翼型中弧线与翼弦间的距离。n8 8）攻角）攻角：气流速度与翼弦间所夹的角度，记做：气流速度与翼弦间所夹的角度，记做 ，又，又称迎角。称迎角。2、流线概念、流线概念n流线：流线：在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连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，各流线彼此不会相交。动方向（切线方向）。一般，各流线彼此不会相交。n流线簇：流线簇：流流场中众多流场中众多流线的集合称线的集合称为流线

17、簇。为流线簇。3、阻力与升力、阻力与升力（1 1）升力和阻力试验）升力和阻力试验放风筝的体验放风筝的体验 帆船的体验帆船的体验 （2）升力和阻力产生机理）升力和阻力产生机理翼型压力分布与受力翼型压力分布与受力 221CSvF2LL21SvCF221SvCFDD222dLFFFCL 和和 Cd分别是翼型的升力系数和阻力系数分别是翼型的升力系数和阻力系数n（2）翼型剖面的升力和阻力特性）翼型剖面的升力和阻力特性n 为方便使用，通常用无量刚数值表示翼剖面的气动为方便使用，通常用无量刚数值表示翼剖面的气动特性，故定义几个气动力系数：特性，故定义几个气动力系数：n 升力系数：升力系数：n n 阻力系数：

18、阻力系数： n翼型剖面的升力特性用升力系数翼型剖面的升力特性用升力系数CL随攻角随攻角 变化的曲线变化的曲线（升力特性曲线）来描述。（升力特性曲线）来描述。如图。如图。2L2SvFCL2D2SvFCDn当当 =0时，时， CL0，气流为层流。，气流为层流。n在在 0 CT（15左右）之间，左右）之间，CL与与 呈近似的线性关系，即呈近似的线性关系，即随着随着 的增加，升力的增加，升力FL逐渐加大。气流仍为层流。逐渐加大。气流仍为层流。n当当 = CT时，时，CL达到最大值达到最大值CLmax。 CT称为称为临界攻角或失速临界攻角或失速攻角。攻角。当当 CT时，时，CL将下降将下降, 气流也变为

19、紊流。气流也变为紊流。n当当 = 0( CDmin时，时，CD随随 的增加而逐渐加大。的增加而逐渐加大。 在在 CDmin时，时，CD随随 的增加而逐渐减小。的增加而逐渐减小。 在在 = CDmin时，时，CD达最小值达最小值CDmin。第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n 水平轴风力发电机组组成：水平轴风力发电机组组成：n水平轴风力机部分：水平轴风力机部分：主要由风轮、风轮轴、低速联轴器、塔主要由风轮、风轮轴、低速联轴器、塔架及对风装置（调向装置）组成。架及对风装置（调向装置）组成。n发电机部分：发电机部分：主要由增速器、高

20、速轴联轴器、发电机、调速装主要由增速器、高速轴联轴器、发电机、调速装置、制动器等组成。置、制动器等组成。 本节主要介绍本节主要介绍风力机风力机部分。部分。n一、风轮一、风轮n 风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由23 个叶片和轮毂所组成个叶片和轮毂所组成, 其功能是将风能转换为机械能。其功能是将风能转换为机械能。n1、叶片：、叶片：叶片的构造如图所示叶片的构造如图所示。n小型风力机小型风力机的常用整块优质木材加工制成的常用整块优质木材加工制成, 表面涂上保护漆表面涂上保护漆, 其根其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧

21、紧。有的采用玻部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。有的采用玻璃纤维或其它复合材料蒙皮则效果更好。璃纤维或其它复合材料蒙皮则效果更好。第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件风力机的叶片构造风力机的叶片构造n叶片是用加强玻璃塑料（叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、）、木头和木板、碳纤维强化塑料（碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝构成的。）、钢和铝构成的。n小型的风力发电机小型的风力发电机:如叶轮直径小于米，选择材料

22、通如叶轮直径小于米，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其它特性，常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其它特性，常用整块优质木材加工制成常用整块优质木材加工制成, 表面涂上保护漆表面涂上保护漆, 其根部其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。n大型风机大型风机:叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。更为重要。n目前叶片多为玻璃纤维增强复合材料（目前叶片多为玻璃纤维增强复合材料（GRP) ，基体材，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。料为聚酯树脂或环氧树脂。n环氧树脂环氧树脂比聚酯树脂强

23、度高，材料疲劳特性好，且收缩比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小。变形小。n聚酯材料聚酯材料较便宜，它在固化时收缩大，在叶片的联接处较便宜，它在固化时收缩大，在叶片的联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许生裂纹。璃钢之间可能许生裂纹。 n大、中型风力机使用木制叶片时大、中型风力机使用木制叶片时：n（1）一般用很多纵向木条胶接在一起）一般用很多纵向木条胶接在一起(图图a) ,以便于选以便于选用优质木料用优质木料,保证质量。保证质量。n（2）有些木料叶片的翼型后缘部分可填塞质地很轻的）有些木料叶片的翼型后缘部分

24、可填塞质地很轻的泡沫塑料泡沫塑料, 表面再包以玻璃纤维形成整体表面再包以玻璃纤维形成整体(图图b) 。第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n不仅可以减轻重量不仅可以减轻重量, 而且能使翼型重心前移而且能使翼型重心前移(重心移至靠重心移至靠前缘四分之一弦长处最佳前缘四分之一弦长处最佳) 。以减少叶片转动时所产生。以减少叶片转动时所产生的不良振动的不良振动,对于大、中型风力机叶片尤为重要。对于大、中型风力机叶片尤为重要。n（3）为了减轻叶片重量）为了减轻叶片重量, 有的叶片用一根金属管作为受有的叶片用一根金属管作为受力梁力梁, 以蜂

25、窝结构、泡沫塑料或轻木作中间填充物以蜂窝结构、泡沫塑料或轻木作中间填充物,外面外面再包上一层玻璃纤维再包上一层玻璃纤维(图图c) 。n（4）为了降低成本）为了降低成本, 有些中型风力机的叶片采用金属挤有些中型风力机的叶片采用金属挤压件压件, 或者利用玻璃纤维或环氧树脂抽压成型或者利用玻璃纤维或环氧树脂抽压成型(图图d) 。但整个叶片无法挤压成渐缩形状但整个叶片无法挤压成渐缩形状,即宽度、厚度等不能变即宽度、厚度等不能变化化,难以达到高效率。难以达到高效率。第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n有些小型风力机叶片：有些小型风力机叶

26、片：n为了达到更经济的效果为了达到更经济的效果, 叶片用管梁和具有气动叶片用管梁和具有气动外形的较厚的玻璃纤维蒙皮做成外形的较厚的玻璃纤维蒙皮做成(图图e) 。或者用。或者用铁皮或铝皮预先做成翼型形状铁皮或铝皮预先做成翼型形状, 加上铁管或铝管加上铁管或铝管,用铆钉装配而成用铆钉装配而成(图图f ) 。n今后的趋势今后的趋势： 除小型风力机的叶片部分采用木质除小型风力机的叶片部分采用木质材料外材料外,中、大型风力机的叶片今后的趋势都倾中、大型风力机的叶片今后的趋势都倾向于采用玻璃纤维或高强度复合材料。向于采用玻璃纤维或高强度复合材料。第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第

27、三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n2、轮毂、轮毂n轮毂是风轮的枢纽轮毂是风轮的枢纽, 也是叶片根部与主轴的连接也是叶片根部与主轴的连接件。件。所有从叶片传来的力所有从叶片传来的力,都通过轮毂传递到传都通过轮毂传递到传动系统动系统,再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距是控制叶片桨距(使叶片作俯仰转动使叶片作俯仰转动) 的所在。的所在。n在设计中应保证足够的强度在设计中应保证足够的强度,并力求结构简单并力求结构简单,在在可能条件下可能条件下(如采用叶片失速控制如采用叶片失速控制) ,叶片采用定叶片采用定桨距结构桨距结构,即将叶片固定在轮毂上即

28、将叶片固定在轮毂上(无俯仰转动无俯仰转动) ,这样不但能简化结构设计这样不但能简化结构设计,提高寿命提高寿命,而且能有效而且能有效地降低成本。地降低成本。三通形 三角形第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n二、调速或限速装置二、调速或限速装置n作用：作用：保证风力机不论风速如何变化转速总保持保证风力机不论风速如何变化转速总保持恒定或不超过某一限定值。恒定或不超过某一限定值。n类型：类型：大致有三类大致有三类:n一类是一类是使风轮偏离主风向使风轮偏离主风向,另一类是另一类是利用气动阻利用气动阻力力,第三类是第三类是改变叶片的桨距角

29、。改变叶片的桨距角。第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n(1) 偏离主风向超速保护偏离主风向超速保护（如图）（如图）n小型风力机叶片一般固定在轮毂上。为了避免在超过设小型风力机叶片一般固定在轮毂上。为了避免在超过设计风速的强风时风轮超速甚至叶片被吹毁计风速的强风时风轮超速甚至叶片被吹毁, 常采用使风常采用使风轮水平或垂直旋转的办法轮水平或垂直旋转的办法,以便偏离风向以便偏离风向,达到超速保护达到超速保护的目的。的目的。n本装置的关键是本装置的关键是把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂直的距离直的

30、距离, 从而产生一个偏心距。相对的一侧安装一副从而产生一个偏心距。相对的一侧安装一副弹簧弹簧, 一端系在与风轮构成一体的偏转体上一端系在与风轮构成一体的偏转体上,一端固定在一端固定在机座底盘或尾杆上。预调弹簧力机座底盘或尾杆上。预调弹簧力,使在设计风速内风轮偏使在设计风速内风轮偏转力矩小于或等于弹簧力矩。当风速超过设计风速时转力矩小于或等于弹簧力矩。当风速超过设计风速时,风风轮偏转力矩大于弹簧力矩轮偏转力矩大于弹簧力矩,使风轮向偏心距一侧水平或垂使风轮向偏心距一侧水平或垂直旋转直旋转, 直到风轮受力力矩与弹簧力矩相平衡。在遇到直到风轮受力力矩与弹簧力矩相平衡。在遇到强风时强风时, 可使风轮转到

31、与风向相平行可使风轮转到与风向相平行,以达到停转。以达到停转。偏离主风向超速保护偏离主风向超速保护 改变叶片的桨距角第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n(2) 利用气动阻力制动利用气动阻力制动n将减速板铰接在叶片端部将减速板铰接在叶片端部, 与弹簧相连。在正常情况下与弹簧相连。在正常情况下, 减速板保持在与风轮轴同心的位置减速板保持在与风轮轴同心的位置;当风轮超速时当风轮超速时,减速减速板因所受的离心力对铰接轴的力矩大于弹簧张力的力矩板因所受的离心力对铰接轴的力矩大于弹簧张力的力矩, 从而绕轴转动成为扰流器从而绕轴转动成为扰流

32、器, 增加风轮阻力起到减速作用。增加风轮阻力起到减速作用。风速降低后它们又回到原来位置。风速降低后它们又回到原来位置。n叶尖扰流器叶尖扰流器是将叶片端部是将叶片端部(约为叶片总面积的十分之一约为叶片总面积的十分之一) 设计成可绕径向轴转动的活动部件。正常运行时叶尖与设计成可绕径向轴转动的活动部件。正常运行时叶尖与其它部分方向一致其它部分方向一致,并对输出扭矩起重要作用。当风轮超并对输出扭矩起重要作用。当风轮超速时速时, 叶尖可绕控制轴转叶尖可绕控制轴转60或或90, 从而产生空气阻从而产生空气阻力力, 对风轮起制动作用对风轮起制动作用,叶尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧叶尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧机

33、构来完成机构来完成,也可由伺服电机驱动。也可由伺服电机驱动。第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n(3) 变桨距调速变桨距调速（如图）（如图）n采用桨距控制除可控制转速外采用桨距控制除可控制转速外,还可减小转子和还可减小转子和驱动链中各部件的压力驱动链中各部件的压力, 并允许风力机在很大的并允许风力机在很大的风速下运行风速下运行, 因而应用相当广泛。因而应用相当广泛。n1）离心摆式变桨距调速机构：）离心摆式变桨距调速机构：n风轮转速增加时风轮转速增加时, 旋转配重或桨叶的离心力随之旋转配重或桨叶的离心力随之增加并压缩弹簧增加并压

34、缩弹簧, 使叶片的桨距角改变使叶片的桨距角改变, 从而使受从而使受到的风力减小到的风力减小, 以降低转速。当离心力等于弹簧以降低转速。当离心力等于弹簧张力时即达到平衡位置。张力时即达到平衡位置。第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n2）液压机构来控制叶片的桨距）液压机构来控制叶片的桨距n在大型风力机中在大型风力机中, 常采用电子控制的液压机构来控制叶常采用电子控制的液压机构来控制叶片的桨距。片的桨距。例如例如,美国美国MOD20 型风力发电机利用两个装型风力发电机利用两个装在轮毂上的液压调节器来控制转动主齿轮在轮毂上的液压调节器

35、来控制转动主齿轮,带动叶片根部带动叶片根部的斜齿轮来进行桨距调节的斜齿轮来进行桨距调节;美国美国MOD21型风力发电机则型风力发电机则采用液压调节器推动连接叶片根部的连杆来推动叶片。采用液压调节器推动连接叶片根部的连杆来推动叶片。n特点特点：改善风力机的起动特性、发电机联网前的速度调：改善风力机的起动特性、发电机联网前的速度调节节(减少联网时的冲击电流减少联网时的冲击电流) 、按发电机额定功率来限制、按发电机额定功率来限制转子气动功率以及在事故情况下转子气动功率以及在事故情况下(电网故障、转子超速、电网故障、转子超速、振动等振动等) 使风力发电机组安全停车等。使风力发电机组安全停车等。第二章第

36、二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n三、三、 调向装置（对风装置）调向装置（对风装置）n下风向风力机的风轮能自然地对准风向下风向风力机的风轮能自然地对准风向, ,因此一般不需要进行调因此一般不需要进行调向控制，上风向风力机则必须采用调向装置向控制，上风向风力机则必须采用调向装置, , 常用的有以下几种常用的有以下几种: :n(1) 尾舵尾舵（如图（如图 ）n主要用于小型风力发电机主要用于小型风力发电机,它的优点是能自然地对准风向它的优点是能自然地对准风向, 不需要不需要特殊控制。特殊控制。n(2) 侧风轮侧风轮（如图（如图 ）n在机舱

37、的侧面安装一个小风轮在机舱的侧面安装一个小风轮, 其旋转轴与风轮主轴垂直。如果其旋转轴与风轮主轴垂直。如果主风轮没有对准风向主风轮没有对准风向, 则侧风轮会被风吹动则侧风轮会被风吹动, 产生偏向力产生偏向力, 通过蜗通过蜗轮蜗杆机构使主风轮转到对准风向为止。轮蜗杆机构使主风轮转到对准风向为止。尾舵调向尾舵调向侧风轮调向侧风轮调向第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n(3) 电动机驱动的风向跟踪系统电动机驱动的风向跟踪系统(偏航系统偏航系统)n大型风力发电机组一般采用大型风力发电机组一般采用电动机驱动的风向跟踪系统电动机驱动的风向

38、跟踪系统n偏航系统组成偏航系统组成：由电动机及减速机构、偏航调节系统和：由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。扭缆保护装置等部分组成。n偏航调节系统包括偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件风向标和偏航系统调节软件。风向标。风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号, , 通过偏通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度航系统软件确定其偏航方向和偏航角度, ,然后将偏航信然后将偏航信号放大传送给电动机号放大传送给电动机, ,通过减速机构转动风力机平台通过减速机构转动风力机平台, , 直到对准风向为止。直到对准风向为止。n如机舱在同

39、一方向偏航超过如机舱在同一方向偏航超过3 3 圈以上时圈以上时, , 则则扭缆保护装扭缆保护装置置动作动作, ,执行解缆；当回到中心位置时解缆停止。执行解缆；当回到中心位置时解缆停止。第二章第二章 风力机的基本理论与结构风力机的基本理论与结构第三节风力机的主要部件第三节风力机的主要部件n四、塔架四、塔架n作用作用：支撑风力机的重量：支撑风力机的重量, 承受吹向风力机和塔架的风承受吹向风力机和塔架的风压压,承受风力机运行中的动载荷。承受风力机运行中的动载荷。n塔架的刚度和风力机的振动有密切关系。塔架的刚度和风力机的振动有密切关系。n水平轴风力发电机的塔架主要可分为水平轴风力发电机的塔架主要可分为

40、管柱型管柱型和和桁架型桁架型n管柱型塔架管柱型塔架可从最简单的木杆可从最简单的木杆, 直到大型钢管和混凝土直到大型钢管和混凝土管柱。管柱。小型风力机塔杆为增加抗弯矩的能力小型风力机塔杆为增加抗弯矩的能力,可以用拉线来加强。可以用拉线来加强。n圆柱形塔架对风的阻力较小圆柱形塔架对风的阻力较小,特别是对于下风向风力机特别是对于下风向风力机,产生紊流的影响要比桁架式塔架小。产生紊流的影响要比桁架式塔架小。n桁架式塔架桁架式塔架常用于中小型风力机上常用于中小型风力机上,其优点是造价不高其优点是造价不高,运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。很大的紊流。n五、传动机构五、传动机构n组成：组成：风力机的传动机构一般包括风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器轮箱、联轴节和制动器等等( (如图如图) ) 。n但有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上但有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上, , 不需要低速不需要低速传动轴。