风力发电基础知识.pdf

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1、风力发电技术基础授课内家内 容学时数1、风力发电机组概论(2)2、风资源概述(2)3、空气动力学基础(4)4、风力发电机方案设计(4)5、机组零部件(4)1、视论LL风力发电机简介1.2.风力发电机设计总论1.2.1.设计过程1.2.2.风力发动机组结构形式1.2.3.机组载荷111.风 力 发 电 机 简 介1)力发电机能量转换装置：风能令电能予=风力/于 发一玩组 W凤 S3 9几点说咫:i.风力发电机和风车pg、电 能-风力发电机(Wind turbine)风 能 今 5)基本技术咕征及发展趋势）基本技术特征水平轴、上风式、三叶片机型的发展趋势定桨距今变桨距定速型变速型Kw级MW级有齿轮

2、箱式今直接驱动式6）年要零部件简介叶裕 由叶片和轮毂组成 是机组中最重要的部件：决定性能和成本 目前梦数是上风式，三叶片；也有下风式，两叶片。叶片与轮毂的连接：固定式，可动式。叶片多由复合材料（玻璃钢）构成。6传动东 由风力发电机中的旋转部件组成。主要包括低速轴，齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承、联轴器和机械刹车。齿轮箱有两科：平行轴式和行星式。大型机组中多用行星式（重量和尺寸优势）。有些机组无齿轮箱。传动系的设计按传统的机械工程方法，主要考虑特殊的受载荷情况。机船与偏航东线 包括机舱盖，底板和偏航系统。机舱盖起防护作用，底板支撑着传动系部件。偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的大齿轮。上风式

3、采用主动偏航，由偏航电机驱动，由偏航控制系统控制。偏航刹车用来固定机舱位置。自由偏航通常用于下风式机组。发电机 主要有感应电机和同步电机两种，两者都能在并网时定速或近似定速运行。感应电机由于可靠、廉价、易于接入电网而得到更多的使用。变速运行时，电气系统的将更复杂和昂贵。选用适当的变流装置，感应电机和同步电机都可以用于变速运行。缘 东 与 基 础 塔 架 有 钢 管、桁架和混 凝 土 三 种。塔 架 高 度 通常为叶轮直径 的1 1.5倍。塔架的刚度在风力机动力学中是主要因素.对于下 风 式 机 型，必须要考虑塔影效应、功率波动和设1控 制 系 统 主 要 控 制 机 组 的 运 行 和 功 率

4、 的 产 生。控 制 系 统 主 要 包 括：传 感 器：转 速、位 置、气 流、温 度、电 流、电压等s控 制 器：机 构、电 路 和 计 算 机。工 工 功 率 放 大 器：开 关、电 气 放 大 器、液 压 泵 和 阀。致 动 器：电 机、液 压 缸、磁 铁、电 磁 线 圈。控 制 系 统 的 设 计 可 采 用 控 制 工 程 的 方 法。主 要 包 含：-限 定 扭 矩 和 功 率；使 疲 劳 寿 命 最 大 化；使 能 量 产 生 景 大 化.1.2.风 力 或 电 机 设 计 怠 於Major Componentselectncal system风力发电机的主要部件典型的水平轴风

5、力发电机：叶轮包括叶片和轮毅传动系除叶轮之外的旋转部件，主要有：主轴、齿轮箱、联轴器、机械刹车和发电机机舱包括机舱罩、底板和偏航系统塔架和基础控制系统电气系统 包括电缆、开关装置、变压器，以及变风力发电机设计的主要内来叶片数目（2或3个）叶轮的方位：上风式或下风式?叶片材料、结构和外形轮毂设计：刚性或较接功率控制：失速或变桨距定速或变速运行主动偏航或自由偏航同步电机或异步电机有齿轮箱或直接更动1.2.1.设计要求与一程经 济 性 是 风 力 发 电 机 设 计 要 考 虑 的 基 本 问 题。设 计 的 基 本 目 标 的 使 机 组 的 能 量 成 本 最 低。能 量 成 本 受 许 多 因

6、 素 影 响，但 主 要 有 两 个：机组本身的成本（机器、安装、运行、维护等）：年 发 电 量（设计和风资源）.设 计 的 基 本 要 求：一单个零部件的成本最低，重量尽可能轻；足够的强度秒受可能的极限载荷；运行可靠，最低的维护费用；足够的疲劳寿命。谀计过程|则用应用h-口平华构型h-切隼载荷h-*口I 制华设计h-7 辞.性 能h-口|2 基评价h-*U.估 计 L-口 惮 罩 设 计h-口I隼造样机h -!产品设计卜1 2 2.风力发电机总体布局 风力机总体布局中的选项：叶轮轴线的方位：水平或垂直；厂功率控制：失速，变桨距；叶轮的方位：上风式或下风式；偏航控制：主动偏航，自由偏航或固定偏

7、航;叶轮转速：定速或变速：轮毂类型：固定式或可动式；叶片的数量。101 J、叶 桧 扣 成 的 方 伉：水 平 此 妻 近 大 多 数 现 代 机 是 水 平 轴 平 行 或 近 似 平 行 于 到面）-H A W T.水 平 轴 机 组 有 两 个 主 要 优 势：-实 度 较 低，进 而 能 量 成 本 低 于 垂 直 轴 机 组。-叶 轮 扫 略 面 的 平 均 高 度 可 以 更 高，利 于 增 加 发 电量。垂 直 轴 机 咀 的 优 势：-无 需 偏 航。-叶 片 定 弦 长，无 扭 曲。-传 动 系 位 置 可 降 低.辞C ro ss-w in dpaddlLJC ro ss-

8、w in dS av o n iv*各 升 金JLF r im a n ly l，n-，ypeCuppedM vlti-bladetfSavom u*SualitthiV eaiuri112）、叶 轮 功 阜 土 制：火 速、变架距 失速控制方式功率控制方式简单，成本较低；叶片与轮毂的连接简单；叶轮转速需单独控制（通常是用感应电机）；在较高风速下达到最大功率;传动系的设计偏安全;2）、叶 桧 功 手 也 制：火 送、变架跑 变桨距控制方式易于控制；变桨距轴承使轮毂结构较复杂;增加变桨距驱动装置,其它控制方式气动表面控制；偏航控制。3）寸 轮 方 住:上 风 式 或 下 风 式 上风式：-须主动

9、偏航；塔影效应小;WinddirectionUDwind12叶 检 方 位：上 风 灰 灰 下 风 式下风式：可自由偏航；卷少或消除叶根弯曲应力。有塔影效应（气动力减小、叶片疲劳、噪声）。4）偏 航：自由我或传动式水平轴机组必须考虑偏航问题。下风式机组多用自由式偏航；施加偏航阻尼，以限制偏航角速度和叶片中的陀螺力。上风式机组通常采用主动偏航，其中含有偏航电机、齿轮和刹车，要求塔架能承受偏航扭矩。135 J寸轮转速：定速或变速 定速机型：发电方式简单，造价低;对电网依赖程度高。叶桧柏速：定速成变速 变速机型：电气设备价高;-电螺品质好。齿轮箱1.2.3、机组聚苻 _ _ _ _ _ _ _ _

10、_ _ _ _ _ 总体布局完成后，必须考虑载荷，使机组能够承受得住.载荷以力或力矩的形式表示。机组零部件的设计考虑两种载荷：限载荷（最大载荷乘安全系数）：_ _ _疲劳载荷。作用在风力机上的载荷分为五类：稳定教荷（包括静载荷）;周期载荷；随机载荷；瞬态载荷；谐振载荷。14我苻及其来源平均风稳定载荷风剪切偏航误差偏航运动重力周期载荷滥流随机找荷风动车雒阵启停则瞬态就荷结构和激励谐振教荷现计就苻 设计风力机必须使其满足一系列条件:正常运行条件；极限条件；疲劳条件.设计过据中对载荷的考虑确嵬风的条件范围；选定关注的设计载荷情况；计算设计载荷情况对应的载荷；验算应力条件是否满足.国际或机构标准（IB

11、C、GL等）第 二 章 风 资 源 幅 述风的一般知识一乃的形成 X向与风速风的统计学一风向频率风速频率风的能量 2.1风的一般知钳一、风的形成 地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的空气.这就导致了空气的流动a.全球性气源、海风与陆风、山谷风的形成大致 风能是太阳能的一种表现形式.局 部 加 热 与 冷 却 形成风16二、风 向 与 风 逸网4向：风 向-来 风 的 方 向。通 常 说 的 西北 风、届 溷 等 即 表 明 的 就 是 风 向。陆 地 上 的 风 向 一 般 用16个 方 位 观 测。即 以 正 北 为 零 度，顺 时 针 每 转 过

12、2 2.5。为 一 个 方 位。风 向 的 方 位 图 图 示 如 下.风速：风 速 空气流动的速度.-一用空气在单位时间内流经的距离表示；单位：m/s或km/h;一是表示风能的一个重要物理量；一风速和风向都是不断变化的.瞬时风速任意时刻风的速度.具有随机性因而不可控制.测量时选用极短的采样间隔，如ls.才均风速一某一时间段内各瞬时风速的平均值.日平均风速、月平均风速等.1、风 速 的 周 期 性 变 化风速的日变化：一天之中，风速的大小是不同的.反 普 矍 或海拔较低处）一般是白天风速高,白天瓦整空（或海拔较高处）则相反，夜间风强,其逆转的临界高度约为100 150叽风速的季节制化：一年之中

13、,风的速度也有变化.春 季 鳗 国 缘 疑 绊 受 翻 鼾 性 变 化 规 律 是:2、多看风遑的Ji要因素 垂直高度.物于风.与地表面摩擦的结果，越往高处风速越高.定量关系常用实验式表示：V（z）=Vr（z/zr）ay 高度z处的风速。匕.一参考高度q处的风速，测得。a 地表摩擦系数，或地表面粗糙度。取值范围：0.1（光滑）0.4（粗 糙）.地形地貌不同地形与平里地面的风速比值不同地形平蛆地面的平均风速（3-5 m/s）山涧蜜地0 950.85山背风坡0.90.8山迎风坡1.KK1.2O峡谷口或山口1.3IK1.40-18 地理位置3 海面上的风比海岸大，沿海的风比内陆大得多.障碍物风流经障

14、碍物后，将产生不规则的涡流，使风速降低。但随着远离物体,这种涡流逐渐消失。当距离大于10倍物体高度时，涡流可完全消失。启示：在障碍物附近设置风力机或多排设置风力机时的位置。2.2 风 的统计理论一、风向频率任 意 点 处 的 风 向 时 刻 都 在 改 变.但 在 一 定 时 间内（月、季、年）多次洌量，可以得到率一为次应出现的频率.风向频率的计算方法 选择观测的时间段，如月、季、年；记录每个风向出现的次数a,及总观测次数n;某风向的风向频率=n n x 100二、风也频率对于风力机的安置处，有两个重要的描述风资源的参数：风速的率和年平均风速.风速在某一时间段内平均，如10分钟；在计算风速频,

15、时，通常把风速改变的间隔定为lm/s,如4.515.5m/s,5.5-6.5m/s;按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累加值加1.把各个区间出现的次数除以总次数即得风速频率.19风 领(%)1 7-根据风况曲线通常可以看出：1.一年之中有多少时间低于启且咽速而无法起动？2.取多大的切出风速较合适？3.有多少小时可以达到额定出力？4.全年的有效风速的有多少小时？可见，风频特性和风况曲线是开发风能的重要原始资料和依据.20风 速 的W e i b u l l （威 布 尔）分布由于实测风速数据极为繁杂，且统计整理的工作量又很大，人们使用数学方式来描述风速分布情况.目前Weibull分布函数用得

16、最广.Weibull分布函数有两特征参数：形状参数/和尺度参数C对风频曲线用概率密度函数描述：p昨，C C上述的的况曲线用累计分布函数表达:P（D =l-e，2.3风能及其度量 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _一、概述 汉能是地球表面空气移动时产生的动能，即风的动能.风能液囊是可供人类开发利用的风能眄 基本公式：B-1/2,产式中 f%为单位时向内的流量质量.单位时间内的能量一功率：风能的大小用风功率密度殊度量：P=1/2 p 甲 01 0、有效风能一切入风速到切出风速之间（有效风速）的风能.这是由于风电机受到各种条件限制不可能全部检取风的理论可用能量

17、，只能利用有效的风能资源.二、中国的必能去源及其分布1、风能资源的特点 太阳辐射的能量在地球表面约有2%转化为风能，估计全球风能资源总量为1 .3万 亿k W.风能资源的优越性是可以再生、不污染环境、就地可取和分布广泛.但它的能量密度低、不稳定，并且受地形影响大.212,全 国 风 能 安 峰 分 布 状 况由 于 风 速 是 一 个 随 机 性 很 大 的 量，必 须 通 过 长时 间 的 观 测 计 算 出 平 均 风 功 率 密 度.根 据 风 的气 候 特 点，一 般 选 取 十 年 风 速 资 源 中 年 平 均 风速 最 大、最 小 和 中 间 的 三 个 年 份 为 代 表 年

18、份，分 别 计 算 该 三 个 年 份 的 风 功 率 密 度 然 后 加 以 平均，其 结 果 可 以 作 为 当 地 长 年 平 均 值.中 国 气 象 科 学 研 究 院 计 算 了 全 国900余 个 气 象站 的 年 平 均 风 功 率 密 度 值，反 映 出 全 国 风 能 资源 分 布 状 况，以 及 各 个 地 区 风 能 资 源 潜 力 的 多少.中 国 有 政 风 力 率 密 及 分 布(w/m2)中 国3 2 0 m/s风 速 全 年 搴 参 小 时 教223、中国风能登源开发前景 中 国 1 0 m 百度层的风能总储量为32.2 6亿 k W,这 稀 量 称 作“理论可

19、开发总量”.实际可供开发的量按上述总量的1/1 0估计，并考虑风能转换装置风轮的实际扫掠面积，再乘以面积系数0.785（即 1 m 直径的圆面积是边长1 m 的正方形面积的0.785）,得到中国1 0 m 高度层实际可开发的风能储量为 2 53亿 k W.这个4 量 比 1 996年全国发电总装机容量还大，说明中国风能资源丰富，但是可供经济开发的风能储量有多少尚需进一步查明.中国风能费源不畲的省区省区风能资源（万 k W）省区风能资源（万 k W）内蒙古6178山东394新a3433江西293黑龙江1723江苏238W肃1143广 东195吉 林638浙 江164河 北612福 M137辽 宁

20、606海南6423第三章风力机会态动力学基础叶片的空气动力特性叶轮的空气动力模型3.1 会 卷 动 力 学 的 基 本 信 念一、流蜘 气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。流线：一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.一描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方向。一流场中众多流线的集合称为流线簇.一般情况下，各流线彼此不会相交如图所示.绕过物体的流线簇24 绕过障碍物的流线：C 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.不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同考虑几种形状的物体，它们的截面尺寸相同，但侧面般状各异，对气流的阻碍作用（用阻

21、力系数度*）不同.、阻 力 与 升 力 阻力当气流与物体有相对运动时，气流对物体的平行于气流方向的作用力.升力：先定性地考察一番飞机机翼附近的流线.当机翼相氢气流保持图示的方向与方位时，在机式上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的.25 根据流体运动的质量守恒定律，有连续性方程A2V2+A3V3其中：4.V分别表示截面积和速度.下标1、2、3分别代表前方或后方、上表面和下表面处.一 相 塞 伯 整 利 方 博：一P=Pf+1/2*pV/即：气体总压力=修压力+动压力=恒定值考察翼型剖面气体流动的情况：上面突出,流场横截面面积减小，空气流速大,EPV2 V,.而由伯努利方程，必使：P2 P,即静压力

22、藏小.下真面平缓，V 3-X,使其几乎保持原来的大气压，即：P3=珞结论：O由于机具上下表面所受的压力差，使得机翼得到向上的作用力花力.三、翼型的气动特性1、翼型的几何描述 前缘与后缘：目 0 B：长度称为弦长，记为C.一我长是具型的基本长度，也称几何弦.一此外，具型上还有气动弦，又称零升力线.26 上真面：凸出的典型表面.下翼面：平缓的翼型表面.中瓠线：鼻型内切IH圆 心 的 连 线.对 称 翼 型 的 中 孤 线与翼弦重合.厚 度：翼弦垂直方向上上下奥面间的距离.厚度分布：沿着翼弦方向的厚度变化.弯度：翼型中弧线与翼弦间的距离.2,作 用 在 翼 型 上 的 气 动 力重要概念：攻角气流速

23、度与翼弦间所夹的角度，记做a,又 由于机具上下表面所受的压力差，实际上存在着一个指向上具面的合力，记为R.一阻力与升力：R在风速方向的投影称为盟力，记为优而在垂直于风速方向上的投影称为升力，记为一气动力矩：合力R对(除自己的作用点外)其它点的力矩，记为M.又称扭转力矩.为方便使用，通常用无量刚数值表示具剖面的气动特性，故定义几个气动力系数：升力系数：CL=L/(1/2/C)阻力系数：CD=D 1(112 p/C)气动力矩系数：Cw=M/(1/2此处，L.。，M分别为翼型沿晨向单位长度上的升力、阻力和气动力矩.3,翼 斜 面 的 升 力 特 性用 升 力 系 数 攻 角a变化的曲线(升力特性曲线

24、)来描述.如图.在之间，G与a呈近似的线性关系表明祐着a的增加，升力L逐渐加大.当g/工 时，Q达到最大值。“皿 为临界选角或失速透鱼.当下降。时，Q 当a=4(vO)时，CL=0,表 明 无 升 力.a0称为零升力角，对应零升力线。用阻力特性曲线来描迷:4,翼 割 面 的 阻 力 特 性两个特征参数：最小阻力系数C”,“加及对应攻角a(Dmin说明：极曲线上的每一点比应一种升阻比及相应的攻角状态,如、C tcD B in 等.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e最大，故切点处的升阻比CL/Cgtg e最大，对应的攻角为最有利攻角a有利.六、压力中心压力中心：气动合力的

25、作用点，为合力作用线与翼弦的交点.c一作用在压力中心上由只有升力与阻力，而无力矩.一压力中心的位置通常用距前缘的距离表示，约在0.25倍弦长处.七、嚼，诺敦对翼型省动力特性的影响 关于雷诺数一层流与紊流：两种性质不同的流动状态.雷诺数是用来界定两种状态的判据.雷诺数的表达形式：Re=VC/v 临界雷诺数Recr:Relecr一雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力之比.雷诺数的影响*考虑对NACA算型升力曲线和阻力曲线的影响.陋着雷诺数的增加：升力曲线斜落,最大升力系数与失速攻角均增加；最小阻力系数减小；一升阻比增加.29 3.2叶轮变先动力学基础叶轮的作用:一、叶轮的几何描述 叶轮轴线：叶轮旋转的

26、轴线.旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面.叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角安装角（重要病念）.半径r处的桨叶剖面：距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面.桨的旋夹桨为:上与的称记角面线面又，装剖弦平，角安叶塞转角距P O 半径/处叶片截面的几何桨里：在，处几何螺旋线的螺距。可以从几个方面来理解：-几何螺旋线的描述:一此处的螺旋升角为1一该几何螺旋线3 与 处翼剖面的弦线相切.一桨距值：H=2JO-tg B半径r,螺旋升角830二、贝 兹 理 论1.贝兹理论中的假设一叶轮是理想的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；一气流始终沿着叶轮轴线；一叶轮处在单元流管模型中

27、，如图.一流体连续性条件：SJ1=SV=S2V22.对叶轮应用卷流冲量原理屿轮所受的轴向推力：F=m(VrV2)式中upiS匕为单位时间内的流量质量 叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为：P=FV=pSV2(Vl-V2)313、动 能 定1理 的 应 用 基本公式：=7/2 m V2(m同上)单位时间内气流所做的功功 率：P=l/2 m V2-=1/2 oSV V2在 叶 轮 前 后，单位时间内气流动能的改变量：O=1/2 pSV(V2,-V22)此既气流穿越叶轮时，被被轮吸收的功率。因此：pSV2(Vl-V2)=1/2(V2r V22)整理 得：V=J/2(V)+V2)即穿越叶轮的风速为

28、叶轮远前方与远后方风速的均 值。4.贝或极限 引入轴向干扰因子进一乐讨论。令：V=V1(1-a)=V-U则 有：V2=V(l-2a)其 中：一轴向干扰因子，又称入流因子。U=V/a轴向诱导速度。讨 论：当a 叁时，V2 Ot 因此X V 0,有/a。的范围：%a。一由于叶轮吸收的功率为P=AP=1/2(V-V2)=2 pS Viaf 1-a)令dP/da=O,可得吸收功率最大时的入流因子。解得：a=/和4=/?。取a=l/3,得D Pmax=16/27(1/2 pSV!)注煮到/2 pSV是远前方单位时间内气流的动能一功率，并比义风能利用系数Cp为:Cp=P/(l/2 p S V,)于是最 大

29、 风 能 利 用 系 数 为:Cpmax=Pmax/(1/2 pSV)=16/270.593此乃贝兹极限。32三、叶 理 论I、基本思想 将叶片沿展向分成若干微段一叶片元素一叶素;视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；作用在每个叶素上的力互不干扰；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 端面：一桨叶的径向距离I 处取微段，展向长度dr。一在旋转平面内的线速度：U=r%翼型剖面：一 弦 长 安 装 角4 -一 设V为来流的风速，由于有线速度u,气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记 为w。一 定 义w与叶轮旋转平面的夹角为人流角，记为则 有 叶 片

30、 翼 型 的 攻 箱 翦-a=0-仇3、叶 素 上 的 受 力 分 析 在卬的作用下，叶素受到一个气动合力元4R,可先解为平行于卬的阻力元/)和垂直于W的升力兀dLo 另 一 方 面,R还可分解为推力元“尸和扭矩元 了,由几何关系可得：dF=dLcos 0+dD sin(/dT=r(dLs in 什 dD cos 勿33 由于可利用阻力系数和升力系数。分别求得dD 和 dL:dLl/2pCiW：CdrdD=l/2pCDW：Cdr故和c/7可求。将叶素上的力元沿展向积分，得：一作用在叶轮上的推力：F=fdF一作用在叶轮上的扭矩：T=JdT一叶轮的输出功率：P=fdT（o=G）T第8章风力发电机组

31、方米设计内求1.叶 松 立 径2.颊 定 速3.叶 轮 我 速4.叶 冲 数5.功 率 控 制6.制 动 系 皱7.如 切 文 速 运 行婀8.发 电 机 粪 翻9.传 动 系1 0.塔 橐 的 相 友1 1 人*4 金 历 0 班34票 机 组 总 体 方 案 机 组 设 计 等 级：IEC I 级 机 组 容 量：L3MW 风 轮 直 径：62m 叶 片 数 量：3额 定 风 速 参 数：14m/s,风 轮 额 定 转 速：19rpm 主 轴-齿 轮 箱 支 撑 形 式：三点 支 撑 风 轮 布 置 形 式：上风向 轮 毂 高 度：60m/70m4.1 叶 桧 或 桎 _ _ _ _ _

32、_ _ _ _ _ _ _ _ _ _1、风 轮 直 径 D 风轮直径D主要取决于两个因素：风力机额定产额 定 风 速Hr 计算公式的推导：叶轮输出功率：P,=l/2 Ct,pSV=P/(rj2)于 是：P=1/2 C M；ntrl2D2 7t/4 直径D的简化计算公式：D 2=8P/(rrCpp 7 为 匕。=5尸/V/其中，可取 G=0.45,p 工 1.25,力%=0.9风 桧 直 隹D的 确 定除此之外，风轮直径选择时还应考虑：最小能量成本(费用/kWh/年)。如某1.3M W 机型对应的风轮直径为54 62m。根据调电资料显示，额定功率值/单位风轮扫掠面积的比值C/N )O如某1.3

33、M W 机型约为405W/IO2,由此可算得D=64m另外，可参照国外同类机型。35其 它 泰 敦 的 磷 丈1）叶轮中心离地面高度取 决 于 安 装 地 点（山谷、丘陵等），垂立风梯 度，安装条件，单机容量等因素。2）叶轮锥角,一叶片和旋转平面的夹角。一 减 少 气 动 力 引 起 的 叶 根 弯 曲 应 力（对卜风式风 力 机）；一 防 止 叶 片 梢 部 用 苔 架 碰 撞（对上风式）。3）叶轮倾角Z?叶轮转轴与水平面的夹角。减少叶片梢部与塔架碰撞的机会。4 2颔麦风速Vr 额定风速Vr：机组达到额定功率时的风速。0 00“C4CC功 率(kw)毋人.功平切山风选一变 误 如 乂 枪一定

34、 诔 聆 以 枪NCC2 0 0；CC切 入 风 运/Vr=15m/s-3 2 a e 8 IO 12 14 4 W 2 0 2 2 2 4 26 2 30不 逑t 领定风送vr巧 额定风速与部件成本的关系成本与修定风速无关的部件成本修 定风速变化的部件成本ni定风建二次方交化的部件成本H 定风镇三次方变化的部件部件成本“部件成本部件成本部件%s4.2叶片18.3由轮箱123发电机7.5控制立4.2桢26吹1.7并网8.3装配11主输4 2运，X0硒10.8偏航4.2塔架175合计12.S57314.215.836领 定 风 速Vr Vr太高，机组将很少达到额定功率，传动系和发电机的成本偏高，

35、提高了能量成本；Vr过低，叶轮及其支撑的成本相对于发电量过高。统计数据表明，从成本最低的角度出发，优化的额定风速与年平均风速的比值关系Vro/Vave大致为1.52,其中变桨距机组：1.671.77失速型机组：224.3 叶 桧定 转 速考虑因蟀：尺 量 制 匚叶片弦长（实度）与转速的平方成反比.重量控制二风轮转速增加后，叶片的重量（成本）将增加，但传动系统、机舱和塔架的费用降低，因此在考虑风轮转速时要进行优化，兼顾两者的费用。嘎芭限制匚风轮叶片所产生的气动噪音与叶尖线速度的五次方成正比，通常限制叶尖线速度小于65m/s.视觉影响：从环保角度考虑,风轮转速增加对人的视觉会产生一种冲击。4.4、

36、叶 片 数 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _1）、尖速比九叶轮的叶尖线速度与风速之比。是一个重要设计参数。与叶片数及实度有关。用于风力发电的高速风力机，常取较大的尖速比。尖速比在515时，具有较高的风能利用系数Cp。通常可取6-8。37CpX曲线叶片教2）、实度入 定义：叶蕊的叶片面积之和与风轮扫面积之比。它是和圾比密切相关的一个重要参数。取值：对于风力发电机而言，由于尖速比较高，要求有较高的转速和起动风速，因此，可取较小的实度。通常大致在5 20%之间。作用：一决运叶轮的力矩特性，尤其是起动力矩；一决定叶轮的重量与材料成本叶 片 数3）、叶片数和尖速比的对应关系:尖速比

37、叶片数目风力机类型1-2420低速3 738中速588752412高速 由于叶片数少的风力机在高尖速比运行的具有较高的风能利用系数，适合于发电。叶 片 戴 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _4）三 叶 片 和 两 叶 片:叶片数3 9 2：叶片弦长增加50%或转速增加22.5%.在相同尖速比时，两叶片的Cp约是三叶片的1/3。两者的最大Cp接 近，但两叶片发生在较大尖速比时。两叶片提高转速后增加了脑噪声。三叶片转动的视觉效果好于两叶片。三叶片的风力机运行和功率输出较平稳，两叶片的可降低成本。叶 片 散叶片数对载荷的影响:源于风剪切的稳定栽荷（以叶根挥舞弯短1。表

38、示）随机羲荷弯曲骤荷三 叶 片 通两叶片机组两叶片机组增加的百分比%主轴弯短13M2Mo22%机舱俯仰力矩l5Mo、1O（1YO S2，）22%机舱偏航力矩0MosinZ F22%39M.5.功 率 控 制 方 或1）（被 动）失速控制 最简单的控制方式，利用高风速时升力系数的降低和阻力系数的增 加，限制功率输出的增加,在高风速时保持近似恒定。j dF=dLcos 0+d D sin（/）1 dT=r（dLsin 0-dD c o s（/）dL=1/2 p Ci.W C drI dD=1/2 p CD W C dr作用在叶轮上的扭矩：T=fdT又 型 的 升 力 特 械 和M力 特 性尚士wv

39、.tJOJ主要优点：控制简单，百K”级多用。主饕缺点：1、功率曲线由叶片的失速特性决定，功率输出不稳定,甚至是不确定的。2、阻尼较低，振动幅度较大，易疲劳损坏。3、高风速时，气动载荷较大，叶片及塔架等受载较大。4、在安装点需要试运行，优化安装角。5、低风速段，叶轮转覆较低时的功率输出较高.402）支 蔡 距 茂 制 高 风 速 时，通 过 转 动 整 个 或 部 分 叶 片 减 小 攻 角,进 而 减 小 升 力 系 数，达 到 限 制 功 率 的 目 的。主 要 优 点：更 多 获 取 风 能；提 供 气 动 刹 车；减 少 作 用 在 机 组 上 的 极 限 载 荷；桨 距 角 的 变 化

40、-速 率：5 0中普更高；-范 围：运 柠 时0 35 ；刹 车 时。90 o0 0时，叶 尖 弦 线 位 于 转 动 平 面 内。系 距 角 的 改 变支 桨 距 控 制 主 要 缺 点：增 加 一 或 三 套 变 桨 距 系 统（电动或液 压 驱 动）3）主 功 火 速 控 制采用失速叶片保证功率调节简单可靠；利用桨距调节在中低风速区优化功率输出，高风速区维持额定功率输出；在临界失速点，通过桨距 调节跨越失速不稳定区。主动失速的技术将点：与传统失速功率调节相比：可以补偿空气密度、叶片粗糙度、翼型变化对功率输出的影响,优化中低风速的出力 额定点之后可维持额定功率输出 叶片可顺桨，刹车平稳，冲

41、击小，极限载荷小立 动 夫 也 与 收 动 火 速.的 功 率 段 式主 动 火 速 控 制与变桨距功率调节技术相比：受 阵 风、湍流影响较小，功率输出平稳，无需特殊的发电机桨距仅需微调，磨损少，疲劳载荷小4 7.定 速 与 变 速 运 行定速运行：控制简单，但不能最大限度获得风能。主要问 题：定桨距机组在低风速运行时的效率较低 由于转速恒定，而 风 速 变 化（如运行风速范围为325m/s）；如果设计低风速时效率过高，叶片会过早失速。发电机本身在低负荷时的效率问题一 当 P30%的额定功率时，效率90%：但 Pv25%的额定功率时，效率将急剧下降。解决办法：两速运行和变速运行。走 速 与 变

42、 也 运 行1）双 速 运 行将发电机分别设计成4极和6极。一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到 1/5 1,如600瞒 机 组：6极-150Kw4 极-600K w1.3M W 机 组：6 极-250K w4 极-1300K w特 点：叶轮和发电机在低风速段的效率提高；与变桨距机组在额定功率前的功率曲线差别缩小.定 送 与 变 速 运 行风 速 发 也 机 的 功 率 曲 线:2 J支 速 运 行优点：在低风速段，改变叶轮转速保持最佳尖速比：叶轮的低速运行降低了噪声：叶轮像飞轮一样，调节气动扭矩的波动，使之平稳传给传动系；通过变流器与电网相连，电能闪烁降低，品质提高。两种变速方

43、式：宽幅变速：叶轮转速从o到额定转速，发电机静子通过变流器与电网连接.窄幅变速：叶轮转速从30 50%电机同步转速到额定转速。发电机静子直接连接电网，转子通过滑环和变流段与由欧滓辖一变 速 运 行 其它变速运行方式1.变滑差运行2.变速齿轮箱3.自动变速箱4 8.发电机类型 风力发电机中使用的发电机通常有两种：同步电机：定速机组较少采用感应电机：定速机组较多采用 从动力学的角度看，四同步电机可以看作一个扭转弹簧：弹性扭矩正比于转子磁场和静子磁场的角度差。异步电机可看作一个扭转阻尼器：阻尼扭矩正比于转子磁场和静子磁场的转速差。在周期性的气动扭矩的作用，传动系要求较大的阻尼。因此定速风力发电机更多

44、地使用异步发电机而不是同步发电机。发电机类型叶轮输出的周期性气动扭矩次 电 机 类 型同 步 发 电 机 和 异 步 发 电 机 的 简 化 模 型叶轮电网同步电机传动发电机连接叶轮电网异步电机发电机-1 Z I传动连接发 电 机 类 型 定 速 机 组 使 用 同 步 电 机，它 是 一 b两 弹 簧 两 质量 系 统。在 叶 轮 的 周 期 性 扭 矩 作 用 下，由于传动 系 没 有 阻 尼 而 易 发 生 扭 转 振 动。定 速 机 组 使 用 异 步 电 机，电 机 相 当 于 一 个 扭 转阻 尼。可 以 抑 制 传 动 系 可 能 发 生 的 扭 振。叶 轮 的 周 期 性 扭

45、矩 将 出 现 在 叶 片 的 通 过 频 率，该 频 率 常 常 和 连 接 电 网 的 小 型 同 步 机 的 固 有 振动 频 率 非 常 接 近。变 速 机 组 的 电 机 不 是 直 接 连 接 电 网，因 此 可 以使 用 同 步 电 机。对 同 步 电 机 的 使 用，人 们 曾 经 做 过 许 多 尝 试。发 电 机 类 型 一直接驱动式机组 对于旋转电机的功率输出可表示为：P=KDLn如果降低转速，则需增加长度/,或直径。显然增加直径更经济。因此直驱式机组通常采用大直径而较短的长度。感应电机聚求很小的气隙，以保证适当的气隙磁通密度。而同步电机的转子上带励磁系统，可以在大气隙时

46、运行。由于机械和热力学的原因，小气隙的大电机是难以制造的。因此，直驱式机组使用同步电机，永磁激励或励磁绕组激励。使用同步电机，在电机接入电网前，需要增加一个频率固定的逆变器，因此可以变速运行.464.9.传动余支撑的方景1）低速轴的支撑 前后轴承结构传动余支撑的方奈 主轴一齿轮箱一体式结构传动余文那的方/_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _后轴承置于齿轮箱内的结构47传动分支撑的方,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 直驱式机组的低速轴连接叶轮轮毂和发电机转子中空结构，被机舱底板的伸出部分悬臂支撑。信 动 余 文 办 的 方 索2）高速轴及发电机支撑发电机

47、通常安置在齿轮箱后部、机舱底板的延伸段上，通过高速轴及弹性联轴器与齿轮箱输出轴相连。发电机轴线通常偏离低速轴轴线。为解决电缆缠绕问题，有垂直安置电机的方案。传 动 余 支 撑 的 方 东机舱内传动系4.1 0.缘 森 的 削 度 风 力 发 电 机 的 稳 定 性 是 最 主 要 的 特 性 之 一.因 此 设 计中 的 关 键 问 题 之 一 是 避 免 由 于 叶 轮 气 动 推 力 的 周 期 性作 用 导 致 塔 架 共 振。悬 臂 式 塔 架 比 瑞 索 式 塔 架 的 变 桨 和 扭 转 刚 度 高。但 抵抗 相 同 的 弯 矩 需 用 的 材 料 较 多。在 相 同 刚 度 时，

48、栅 格 式 塔 架 所 用 材 料 约 为 圆 筒 式 塔 架的 一 半。栅 格 式 塔 架 由 于 大 星:钗 接 点 的 存 在，具 有 比圆 筒 式 塔 架 更 高 的 结 构 阻 尼.如 果 叶 片 的 通 过 频 率 与 塔 架 的 自 然 频 率 一 致 时，塔 架可 能 发 生 过 大 的 应 力 和 变 形。叶 片 的 转 动 频 率 可 以 忽 略，因 为 只 有 当 叶 片 之 间 的 气动 外 形 有 偏 差 时，才 会 引 起 周 期 性 载 荷。绻4的刚度_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 塔架的分类：一 叶 轮 转 动 频 率：1 P,叶

49、片通过频率：3P刚塔和柔塔：设塔架一阶弯曲固有频率为。则刚塔：f 3P柔塔：1P f 3P（另称为刚塔）高柔塔：f 1P（另称为柔塔）.如果塔架满足虚度要求，则它的刚度基本取决于塔架高度和直径的比值。比值越大，塔架越柔。刚塔的优势在于，运行时不会发生共振，噪声很小。但需用的材料太多，超过强度的需要。因此,通常多用柔塔。缘森的刚度例1某L3MW风力发电机组选用柔性塔架，风轮转速为19rpm时风轮的转动频率和叶片的通过频率分别为：fr=19rpm/60s=0.317HzflO=0.951Hz因此，塔架的固有频率f庐满足：0.317Hzf00.951Hz实际设计的塔架频率f。为6 56Hz,满足要求

50、。49绿东的刖度_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _例2某变速风力发电机组选用柔性塔架，叶轮转速为1 I r p m 和2 2 r p m 时叶轮的转动频率和叶片的通过频率分别为：”f r l=l l r p m/6 0 s=0.1 8 3 H z.f r 2=2 2 r p m/6 0 s=0.3 6 6 H zr f b l =0.5 4 9 H zt f b 2 =1.0 9 8 H z因此，塔架的固有频率f 鹿满足：0.3 6 6 H z f0 Mechanism at root支桨距轴承 变桨距轴承类似起重机的回转支撑，介于单个叶片和轮毂之间，使叶片可以相对其轴