风力机原理及技术应用 课后思考题及答案

第一章1.简述风能利用发展的几个阶段。现在所说的风能利用主要是指风力发电。18912030年代初，这一阶段小容量的风电机组技术基本成熟。2030206020702080年代末。1973年秋，爆发了全球性的石油危机，很多国家面临能源短缺的困境，为此提出能源供应2090年代初到现在，风力发电从小到大，从单机运行到并网发电，以及大规模风电场的建设。2.风力发电的优缺点分别是什么？本题优缺点答出主标题，并作合理性解释即可风力发电具有以下优点：（1）风能可再生。化石能源不可再生，未来会有被耗尽枯竭的一天。风能是由地球表面温差引起，是一种无限可再生的能源。（3）随着技术进步成本降低。随着技术的不断革新和推广，风力发电设备的成本正在（4）出力可智能调控。风力发电在传统功率调节技术的基础上，应用人工智能和大数（5）应用地区广泛。风力发电可以在陆地和海上应用，在世界各地都可以获得。这是与太阳能、水能等其他可再生能源相比的一大优势。风力发电的缺点：（1）受天气影响。由于风力发电是利用风能转动涡轮机产生电力，在气象条件不理想（2）稳定性有待提高。由于风能受天气等自然因素影响较大，风速的随机特性导致风（3）储存技术尚未成熟。由于发电时段和用电时段往往不一致，因此储存技术的重要（4）风电存在着间接的不可再生能源利用和污染物排放。风电本身是清洁能源，但是，（5）对生态环境的影响。大规模的风力发电项目对当地生态环境可能造成一定程度的（6）风电存在噪声问题。风电噪声包括机组的机械噪声和叶片空气动力学噪声。对于距离居民区较近的风电场，噪声问题往往很突出。对于海上风电场，没有噪声问题的制约。（7）对视觉景观的影响。很多地区的风电场不会对当地景观产生严重的负面影响，有的甚至作为观览项目之一。不过也有一些人觉得风电场对视觉景观造成负面影响而很难接受3.未来陆上风电场和海上风电场都有哪些发展趋势？开放式答题，合理即可比如以下两个方向：陆上风电技术相对成熟，未来的发展重点在于机组大型化。随着近海资源开发趋于饱和，海上风电场正向离岸更远、水深更深的海域发展。第二章1.风力机除了教材中讲的几种分类方法，你还能想到什么分类方法？按照风力机所使用的转动轴空间位置，风力机可以水平轴风力机和垂直轴风力机。按照风轮的迎风方式或者风轮相对于风向和塔架的位置，水平轴风力机可以分为两类，即迎风式风力机和顺风式风力机按照功率调节的方式，风力机主要有三种类型：定桨距风力机（或失速调节风力机、变桨距风力机（或桨距调节风力机）和主动失速调节风力机。BCD型风力机。按照发电机转速及并网方法，风力机可以分为两种类型：恒速和变速风力机。根据风力机发电输出端电压高低，风力机可以分为高压风力机和低压风力机。以上为教材中的分类，其他分类可开放式回答，合理即可2.谈一谈水平轴和垂直轴风力机的优缺点。2.3.垂直轴风力机的设计造型使得它从风中捕获风能的效率不如水2.力机必须在邻近地表的低风速、大紊流的区域运行，因此，它捕获能量的效率就更低。3.垂直轴风力机在旋转时会产生脉动转矩。3.定桨距风力机、变桨距风力机和主动失速调节风力机是怎样调节功率的？第三章1.尝试画一个风力机主要构件的布局图，并标出各个部件的功能。该图为示意，除了这几个主要部件外，需要标出传动链的几个主要部件：轮毂、主轴、齿轮箱、发电机风力机结构主要部件主要包括风轮、传动系统、塔架和基础。动电（机舱罩轮轮毂到齿轮箱的驱动转矩；承受弯矩，将风轮的其他载荷传递到机舱。塔架是支撑整个机舱和风轮的重量，并使机舱和风轮保持在风速较大的一定高度位置的3.风力机塔架越来越高，简述高塔架的利与弊。“风切变”开放式答题，合理即可以下方向供参考：基础选型与优化；疲劳寿命分析；运维友好性第四章1.尝试自己推导一下风力机风能利用系数的贝兹极限。第四章有具体推导，推导流程正确即可。将风力机视作理想风轮，就可以推导出各个速度、风轮推力、功率之间的关系。首先，在风轮轴向运用动量方程，作用在风轮上的推力等于单位时间内轴向动量的变化量，即TVAV0V1另外，推力也可看作为风轮前后的压差产生的，即

(4-15)TpA

(4-16)p0+1ρV2=p+1ρV2 (4-17)2 0 2风轮处到风轮后远场应用伯努利方程，得到p−∆p+1ρV2=p+1ρV2 (4-18)2（417和式（418，得到

02 1Δp=1ρV2−V2 (4-19)2 0 1416，得到

T=1ρAV2−V2 (4-20)2 0 1（415和式（420V0、VV1V=1V+V

(4-21)2 0 1由此可以看出，风轮平面内的速度是远前方来流速度和尾流中最终速度的算术平均值。量等于动能的变化量，所以风轮功率为P1AV2V2

(4-22)2 0 1a，定义为a1VV0

(4-23)那么，风轮处轴向速度V和尾流中轴向速度V1均可以用来流速度和轴系诱导速度因子表达，分别为

V=1−aV0 (4-24)V1=1−2aV0 (4-25)P的方程（4-22）T的方程（4-20）中，得到0PV3a1a2A00TV2aA0

(4-26)(4-27)将功率P进行无量纲化，得到功率系数PC=PP1ρV3A

=4a1−a2 (4-28)20同样地，将推力T进行无量纲化，得到推力系数TC=TT1ρV2A

=4a1−a (4-29)20将功率系数表达式对轴向诱导因子a求导，得到dCP=41−a1−3a (4-30)da可以看出，当a=1/3时，CP,max=16/27≈0.593，即风轮功率系数的理论最大值为0.593，就是熟知的贝兹极限。2.画出叶素速度三角形并进行分析。θ是叶片的局部桨距角，即弦长和风轮旋转平面的局部夹角。ϕ是叶片的局部入流角，即相对合速度和风轮旋转平面的局部夹角。α是叶片的局部迎角3.风力机载荷计算有哪些步骤？会得到什么结果？结果用来做什么？1）（34偏（）（）123）（）（5（6）7）8

第五章1.详细说明不同风速下风力机输出功率是怎样变化的。每台风力机都有由制造厂商或者第三方机构进行测试绘制的电功率输出随风速变化的曲线，即风力机的“功率曲线”，它代表功率输出（kW或MW）和风速（m/s）之间的关系。2.5m/s4m/s“空转”3m/s4.5m/s8~15m/s之间变化。风速大于切出速度，为了防止风力机被过大的机械应力损毁，风力机停机，无输出功率。2.气动功率调节的优点是什么？对比分析风力机气动功率调节的几种方法和其优缺点。气动功率调节有助于：（1）优化不同风速下的风轮叶片的气动效率；（2）保持风轮叶片和塔架在它们设计强度限度内。随着风速的增加，风功率呈风速的（如阵风引起的更高风载荷；（3）避免在电网突然中断，发电机突然失去转矩时，发电机可能会超速运转，从而损害风力机；（4）保持风轮与轮毂在它们离心力的限度内。由于风轮旋转，离心力呈旋转速度的平方增加，这样使得风轮结构对于超速更敏感；（5）完全停止风力机以便能够维修；（6）减少包括机械和气动的噪声水平。根据经验得知，来自于风轮的噪声是随着相对250米的范围内需要限制在大约45分贝。3.失速调节风力机的功率曲线桨距调节风力机——恒速功率曲线主动失速调节风力机工作在“折中”“被动失速”风力机功率曲线通常失速后主动失速调节风力机的功率曲线第六章1.叶片数量与风力机哪些性能有关？现代风力机为什么大多数都是3个叶片？叶片数量考虑以下四个方面：①要提高风轮转速就要减少叶片数，这样可使齿轮箱变速比减小，并可降低齿轮箱的费用。②要减少风轮成本就要减少叶片数。③叶片剖面的弦长与叶片数成反比。应综合把握这两个参数的尺度，合理选择。④风轮转动质量的动力平衡、振动控制问题的难易程度，风轮运转噪声的大小。现代风力机为什么大多数都是3个叶片为开放答题，合理即可，可从平衡、性能最优、美观等方面回答。2.叶片主梁的作用有哪些？（1）能够承受挥舞弯矩的作用，保证叶片主梁强度特性；（2）保证挥舞方向的刚度特性，避免叶尖挠度过大而与塔架干涉；（3）影响叶片一阶挥舞固有频率，避免与激振力共振；3.多轴承的方式有几种，优缺点分别是什么？多轴承方式可分为三点支撑方式、双轴承方式和多轴承集成在齿轮箱内的方式。（1）三点支撑。三点支撑方式通常是指一个球面滚子轴承作为主轴承，主轴胀紧套联（2）双轴承。双轴承方式是指两个主轴承共同支撑主轴形成稳定的支撑，按轴承是否具有调心能力可分为两种：挠性轴承支撑和刚性轴承支撑两种。（3）多轴承集成在齿轮箱内。多轴承集成在齿轮箱内的方式是指主轴和主轴承完全和齿轮箱集成在一起，还有双轴承及主轴集成在齿轮箱内的方式。三种多轴承方式优缺点对比如下表。支撑方式 优点 缺点三点支撑

三点支撑风轮，传统的静定结构，弹性支撑简单

齿轮箱输入端承受除扭矩以外的附加载荷，即附加的弯矩和轴向力，可靠性难保证主轴承2点与弹性支撑2点形成过静定双轴承 齿轮箱只承受扭矩，可靠性好

支撑，不可沿用传统弹性支撑，需定制弹性支撑多轴承集成在齿轮箱内

结构紧凑，重量稍轻 齿轮箱的维护性差，需特制弹性支撑4.滑动行星轮的优势有哪些？滑动行星轮的优势主要有：（1）几乎没有磨损，提高产品可靠性；（2）降低噪音和振动水平；（3）提高传动效率；（4）低成本和高扭矩密度。第七章1.制造叶片的材料主要有哪些？思考一下还有哪些材料可以用来制造叶片。GRP熟；碳纤维增强复合材料（RP，优点：比刚度/比强度极高，可显著减重并增强抗疲劳性能。还有树脂，纳米增强复合材料，热塑性复合材料等可以用来制造叶片2.通常有两种形式，刚性轮毂和柔性轮毂，其中刚性轮毂是风力发电机组最常见的结构。HT250以上的普通铸铁、铸钢等。采用铸铁轮毂可发挥其良好的金属疲劳、易于切削加工等特性，适用于批量生产。3.V形焊接坡口，然后在滚弯机上弯出半圆锥形。两个半圆锥形的对焊应使用自动气体风力机性能测试主要包括哪些内容？

第八章叶片气动力测试、功率曲线测试、叶片结构静力测试、动态疲劳测试、机械载荷测试、噪声测试等。风洞速压控制系统是低速风洞控制系统的核心，简述其控制原理。,以高精度速压和温度传感器为反馈，通过温度补偿和智能闭环控制，达到稳速压、稳风速的控制要求。当选择稳转速控制方式(由试验管理计算机或本控人机界面给出选择指令)制，以达到快速性、高精度速压(风速)控制的要求。测力试验是风洞试验中最基本的试验项目，在测力试验中采用风洞天平进行测量，采用的天平种类有哪些？并简述其原理。在测力试验中采用的天平种类有应变天平和压电天平。(力和力矩),具有体积小结构简单、造价低、使用灵活及维护方便等特点，广泛应用于风洞测力试验。（2）压电天平。压电天平是利用压电材料受力后在其表面产生电荷的压电原理来测量作用在模型上的气动载荷，主要用于脉冲型风洞中模型测力试验。压电天平具有结构简单、刚度大、载荷范围宽、频率响应快的特点。阐述叶片静力测试和疲劳测试的目的。风电叶片全尺寸结构静力测试是通过载荷等效模拟的方法来验证叶片在极限载荷条件下的承受能力，以确保叶片实际运行的安全可靠性。叶片疲劳测试的目的是在一个合理的置信度下证明：按相应标准制造出的某型号叶片，第九章风力发电机组叶片故障诊断的常见方法有哪些？X风电机组齿轮箱的故障诊断方法有哪些？发电机和变桨距系统故障时，诊断方法分别有哪些？变桨系统故障诊断分析方法：基于故障模式及影响分析的变桨系统故障