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1、风力机技术及其设计译 者 序 原书前言第 1 部分空气动力学1第 1 章风力机叶片设计21. 1 简介21. 2 理论最大效率31. 3 推 动力31. 4 实 际 效率51. 5 水平轴风力机的叶片设计61. 5. 1 叶尖速度比61. 5. 2叶片的平面形状和数量71. 5. 3 配置91. 5. 4 空气动力学121. 5. 5 扭 转角141. 5. 6 非设计工况和功率调节141. 5. 7 智能叶片设计151. 5. 8 叶片形状综述171. 6 叶 片 负载171. 6. 1 气 动 负载181. 6. 2 重力和离心力负载191. 6. 3 结构负载分析191. 6. 4 挥
2、舞 弯曲201. 6. 5 摆 振 弯曲211. 6. 6 疲 劳 负载221. 6. 7 叶片结构区域221. 7 总结23参考文献24风力机技术及其设计第 2 章使用聚风环技术的高功率输出风力机272. 1 简介272. 2 风力收集加速装置的开发 （ 具有边缘的扩散器护罩， 被称为 “ 聚风环”）282. 2. 1 选择扩散器型结构作为基本形式282. 2. 2 形成涡流的环形板 （ 被称为 “ 边缘”） 的思想292. 2. 3 一种具有边缘扩散器护罩的风力机的特性312. 3 覆盖风力机具有边缘的紧凑型扩散器的开发322. 3. 1 紧凑型聚风环风力机输出性能测试的试验方法332.
3、3. 2 作为聚风环的紧凑型边缘扩散器形状的选择332. 3. 3 具有紧凑型扩散器聚风环的风力机的输出功率352. 3. 4 现 场 试验362. 4 在中国应用 5kW 风力机为农业灌溉提供稳定的电力372. 5 有效利用城市海滨的风能382. 6 总结40参考文献41第 3 章应用树脂成型工艺对使用复合材料的风力机叶片的生态模制423. 1 简介423. 2 生态模制方法433. 2. 1 生态模制的概念433. 2. 2 概率方法的应用443. 3 叶片结构、 材料和机械特性453. 3. 1 三明治结构453. 3. 2 机 械 特性453. 3. 3 几何结构和尺寸463. 4 R
4、TM 成 型 工艺473. 5 渗透性的公式化 （ 达西定律）483. 5. 1 测量渗透率原理 （ 一维流 1D）483. 5. 2 纵向渗透率与横向渗透率 （ 三维流 3D）483. 6 结果与讨论513. 6. 1 一个单向层情况下树脂流动行为的仿真513. 6. 2 两个单向层情况下树脂流动行为的仿真523. 7 总结54参考文献54第 4 章利用微分进化算法对垂直轴风力机气动外形的优化564. 1 简介564. 1. 1 可替代能源564. 1. 2 风力机类型564. 1. 3 计 算 模型57目录4. 1. 4 目标584. 2 垂直轴风力机的性能584. 2. 1 风速和叶尖速
5、度比584. 2. 2 几何形状确定594. 2. 3 性 能 预测594. 3 方 法论604. 3. 1 要求604. 3. 2 针对性模块化设计614. 4 工 具箱614. 4. 1 几何外形生成614. 4. 2 网 格 生成634. 4. 3 求 解器654. 4. 4 后 处理654. 4. 5 优化664. 5 结果684. 5. 1 网格依赖性研究684. 5. 2 基线几何形状704. 5. 3 实例 1： 3 参数优化4. 5. 4 实例 2： 4 参数优化 72 774. 6 总结81参考文献81第 2 部分发电机与齿轮系统 83第 5 章风力发电机中具有辅助绕组的感应
6、电机的性能评估845. 1 简介845. 2 风力发电机855. 3 提出的技术865. 4 实 验 结果895. 5 探讨与总结91参考文献92第 6 章在风力机齿轮箱中有关疲劳度评估的动态齿轮接触力的时域建模与分析946. 1 简介946. 2 风力机的时域分析956. 3 齿轮的转矩反向问题986. 4 时域仿真的统计学不确定性影响1026. 5 简化的齿轮接触疲劳分析1066. 6 总结110参考文献111风力机技术及其设计第 3 部分塔架和基础 113第 7 章基于非线性状态估计技术 （ NSET） 的风力机塔架振动建模与监测 1147. 1 简介1147. 2 塔架振动建模方法：
7、非线性状态估计技术 （ NSET）1157. 3 风力机的 SCADA 数据准备和塔架的振动分析1187. 3. 1 低于额定风速时的塔架振动分析7. 3. 2 高于额定风速时的塔架振动分析 118 1207. 4 利用非线性状态估计技术 （ NSET） 的塔架振动建模1217. 4. 1 塔架振动模型与 NSET 方法1217. 4. 2 NSET 塔架振动模型的验证1227. 5 塔架振动模型用于风轮状态的监测1247. 5. 1 叶片角度的不对称检测1257. 6 讨论与总结126参考文献127第 4 部分控制系统 129第 8 章两种基于 LQRI 的风力机叶片变桨距控制1308. 1
8、 简介1308. 2 风力机模型1318. 3 变桨距控制设计1348. 3. 1 统一变桨距控制1358. 3. 2 独立变桨距控制器1368. 4 仿 真8. 5 总 结 138 145参考文献145第 9 章变速风力机的功率控制设计1479. 1 简介1479. 2 系 统 建模1489. 3 模拟器简要说明 （ FAST）1489. 4 控 制 策略1499. 4. 1 转矩控制器1499. 4. 2 变桨距控制器1519. 5 仿 真 结果1529. 5. 1 转矩和变桨距控制1539. 5. 2 带有噪声信号的转矩和变桨距控制1589. 6 总结161参考文献161目录第 10 章
9、基于 H 的降低风力机负载的控制16310. 1 简介16310. 2 风力机模型16410. 2. 1 非线性模型16410. 2. 2 线 性 模型16410. 3 基线传统控制策略 （ C1）16610. 4 设计新控制器策略的目标16810. 5 基于 H 范数约简 （ C2） 新提出的控制策略16910. 5. 1 基于 H 范数约简的控制策略的设计10. 5. 2 发电机转矩控制器 （ H 转矩控制器） 169 17010. 5. 3 总体桨距角控制器 （ H 变桨距控制器）17310. 5. 4 H 控制算法的分析17510. 6 GH Bladed 的 结果18010. 6.
10、1 GH Bladed 中 的 External Controller18010. 6. 2 疲劳分析 （ IEC61400 - 1 第 2 版中的 DLC1. 2）18010. 6. 3 极端负载分析 （ IEC61400 - 1 第 2 版中的 DLC1. 6）18510. 7 总结186参考文献187第 5 部分环境问题 189第 11 章大型风力机的电磁干扰19011. 1 简介19011. 2 干扰的分类19011. 3 风力机控制系统的 EMI 和屏蔽19111. 4 风力机中电磁干扰的测量19211. 4. 1 电磁干扰测量的一般方面19211. 4. 2 在风力机上测量雷电产生
11、的电磁干扰19211. 5 使用矩量法来定义风力机的电磁干扰源的例子19411. 5. 1 风力机通信系统19411. 5. 2 FEKO 模型19411. 5. 3 电磁负载中的铸铁材料19411. 6 仿 真 结果19611. 6. 1 轮毂内部天线19611. 6. 2 轮毂外部天线19711. 7 总结199参考文献199第 12 章风力机中的噪声污染防治： 现状和近期发展20112. 1 简介20112. 2 噪 声源201风力机技术及其设计12. 2. 1 机 械 噪声20212. 2. 2 气 动 噪声20212. 3 噪声减小策略20612. 3. 1 机械噪声的减小20612
12、. 3. 2 气动噪声的减小20612. 3. 3方法的使用20912. 4 总结210参考文献211第 1 章风力机叶片设计Peter J. Schubel， Richard J. Crossley1. 1简介在数百年前， 人们就开始利用风车这种具有历史意义的设计， 从风中获取能量。 风车是由木头、 布和石头建造而成的。 它被用于抽水或磨玉米。 历史上的风车通常巨大、笨重而且低效。 在 19 世纪风车被使用化石燃料的发动机所取代， 并由此而实现了将电力网络分布到广阔的区域中。 但随着对空气动力学认识的深入和在材料科学上的进步， 特别是高分子聚合物的发明， 使得在 21 世纪后半叶人们重新开始
13、从风中获取能量。 今天的风能设备一般用来生产电力， 通常称其为风力机。风轮轴和转动轴线的方向决定了风力机的第一级分类。 若风力机的轴与地面相平行， 则称其为水平轴风力机 （ HAWT）。 垂直轴风力机 （ VAWT） 的轴则垂直于地面（ 见图 1- 1）。图 1- 1 轴和风轮方向的两种结构这两种类型的风力机结构从其风轮设计上可以马上分辨出， 它们具有各自不同的优势1 。 垂直轴风力机主流发展的中断可归因于其较低的叶尖速度比和难以控制风轮的速度。 垂直轴风力机起动的困难性也阻碍了它的发展， 相信直到今天也无法使其做到自起动2 。 然而， 垂直轴风力机面对风和沉重的发电机设备不需要其他额外的机械
14、装置就能3第 1 章 风力机叶片设计安装在地面上。 因此， 这种结构减轻了塔架的负担。 所以对于未来的发展， 我们不会完全无视垂直轴风力机。 目前， 一种新型的 V 形垂直轴风力机的风轮设计正在研究中， 它正是利用了垂直轴风力机的优良特性3 。 这种设计在兆瓦规模环境下并未经过验证， 还需要经过若干年的发展才能使其具有竞争力。 此外， 关于可替代性设计的问题， 水平轴风力机的普及可归因于它可以通过桨距控制和偏航控制来增强风轮控制。 因此， 水平轴风力机作为主流的设计结构而崭露头角。 并且在今天， 它被所有主要的大型风力机厂商所采用。1. 2理论最大效率风轮效率高有助于捕获风能， 并且应尽可能在
15、可负担的产生范围内将其最大化。 由流动的空气所携带的能量 （ P） 被表示为流动空气的动能之和， 见式 （1- 1）。2P = 1 AV3（1- 1）式中， 为空气密度， A 为扫略面积， V 为气流速度。对于可提取的能量大小有物理限制， 而这不依赖于设计。 风能的捕获是在流动空气的动能减小及随后风速减小这样的过程中维持的。 能量利用的大小存在一个公式， 这个公式和通过风力机的空气流速的减小有关。 100% 的能量捕获意味着最终空气流速为零以及空气的零流量。 零流量情境不可能实现， 因此利用风所有的动能是不可能的。 这个原理被广泛地接受4，5 ， 并且这个原理表明风力机的效率不可能超过 59.
16、 3% 。 这个参数就是通常所知的风能利用系数 （ Cp ）， 这里 Cp 的最大值是 0. 593， 它被称为贝兹极限（ Betz limit） 6 。 贝兹理论假设气流有恒定的线速度。 因此， 任何旋转力， 例如尾流旋转， 阻力引起的湍流或涡旋脱落 （ 叶尖损失）， 将进一步减小最大效率。 而通常能减小效率损失的因素如下： 避免较低的叶尖速度比， 它会增加尾流旋转； 选择的翼面具有较高的升阻比； 专门的叶尖几何形状。可以在参考文献 4， 6 中找到深入的解释和分析。1. 3推动力推动风轮旋转的方法能在很大程度上影响到风轮可实现的最大效率。 历史上最常使用的方法是利用阻力推动风轮旋转。 这种
17、方法让风轮的帆面与风向垂直， 依靠在盛行风方向上的阻力 （ Cd ） 来产生动力。 由于推动帆的力和旋转方向与风向一致， 这种方 盛行风指在一个地区某一时段内出现频数最多的风或风向。 译者注4风力机技术及其设计1- 1法的效率不高； 所以， 当风轮的转动速度增加时， 相对风速会减小 （ 见表 1- 1）。表两种推动力装置的比较推动力阻力升力示意图相对风速= 风速 - 叶片速度= 2 风速2 - 叶片速度 （ dr）？ 3最大理论效率16% 450% 6转回来的帆面常常处于相对而来的风中， 这使得转回来的帆面在风中产生的阻力使这种方法的效率进一步地降低。 这种方法的改进设计是依靠弧形的叶片， 它
18、在逆风转动时具有较小的阻力系数。 并且这种设计的优点是它可以在任何方向的风中工作。 在今天， 可以看到这种阻力差风轮被应用于杯形风速表和通风罩上。 然而， 它们是低效的功率生产者， 因为它们的叶尖速度比不能超过 14 。另一种可选择的推动风轮的方法是利用气动升力 （ 见表 1- 1 ）。 这种技术被应用于风车和随后的老式飞机中， 超过了 700 年的时间。 而在这期间， 对这种方法一直没有给出精确的理论解释。 今天， 由于其在数学分析中的复杂性， 使得它的空气动力学特性已经变成了它自身的一个主题。 日益复杂的有关解释升力是如何产生及对其预测的大量定理已经出现。 空气动力是由叶片翼面上的气流所产
19、生的压力和表面摩擦综合影响的结果7 。 它被认为是翼面空气改变方向 （ 也就是气流下洗） 所产生的合力8 。 对于风力机风轮最为重要的是， 在各种角度的狭窄通道中， 可以产生垂直于风向的气动升力。 这表明风轮在任何转速下， 相对风速不减小 （ 见表 1- 1）。对于升力推动风轮 （ 见表 1- 1）， 空气冲击叶片的相对速度 （ W） 是一个有关半径处的叶片速度和约为 2 / 3 风速的函数 （ 贝兹理论） 4 。 相对气流以这个速度和依赖于此速度的入射角 （ ） 到达叶片。 叶片和入射角间的夹角被称为攻角 （ ）。5第 1 章 风力机叶片设计1. 4实际效率在实践中， 风轮的设计会因受到以下
20、的轻微损失而形成累积损失： 叶尖损失； 尾流效应； 传动系统效率损失； 叶片形状简化损失。因此， 最大理论效率还尚待实现9 。 在过去的数个世纪中出现过许多种设计。 并且其中的一些在表 1- 2 中很容易被辨别。 最早的设计波斯风车， 利用阻力， 并借助由木头和布制作的帆来工作。 波斯风车与现代的萨渥纽斯风轮非常相似 （ 见表 1- 2， 第 1 种）。 这种风轮可在现在的通风罩和旋转广告标志中看到。 与其大体类似的设计是杯形阻力差风轮 （ 见表 1- 2， 第 2 种）。 这种装置可在今天被用于测量风速的风速表上， 主要是因为这种装置易于校准， 并且能在不同的风向下工作。 美国农场风车 （
21、见表 1- 2， 第 3 种）， 它是一种具有大转矩升力和高风轮实度 的早期设计， 今天仍在用它进行抽水。 荷兰风车 （ 见表 1- 2， 第 4 种） 是另一种早期升力型风车的例子。 它被用于研磨谷物， 现在它已从主流的应用中消失， 但也有少量的荷兰风车作为旅游景点被保留了下来。 达里厄垂直轴风力机 （ 见表 1- 2， 第 5 种） 具有现代空气动力学的翼型叶片设计。人们对这种风力机有着广泛的研究， 并且随着近期的发展， 可以看到这种类型的风轮再次出现2，3 。 尽管如此， 至今， 这种风力机设计仍然不能和现代的水平轴风力机相比。由于三叶片翼型风力机 （ 见表 1- 2， 第 6 种） 具
22、有高效能和易于控制的特点， 它已经变成了风力机工业的标准。 随着国际供应链建立的完善， 可以预见这种风力机在未来的统治地位。表 1- 2 现代及历史上的风轮设计序号设计风力机类型应用推动力峰值效率图示1萨渥纽斯风轮垂直轴从历史上的波斯风车到今天的通风设备阻力16%2杯形垂直轴现今的杯形风速表阻力8% 风轮实度是指风力机叶片在风轮旋转面投影的总面积与风通过风轮面积 （ 风扫掠面积） 之比。 译者注6风力机技术及其设计（ 续）序号设计风力机类型应用推动力峰值效率图示3美国农场风车水平轴从 18 世纪到今天， 在农场中用于抽水、研磨谷物、 发电升力31%4荷兰风车水平轴16 世纪用于研磨谷物升力27
23、%5达里厄风轮（ 打蛋器）垂直轴20 世纪用于发电升力40%6现代风力机水平轴20 世纪用于发电升力叶片数量效率143%247%350% 峰值效率取决于设计， 所引用的值是到目前为止设计的最大效率1 。1. 5水平轴风力机的叶片设计现在对于水平轴风力机的关注， 是由于它在风力机工业中的统治地位。 叶片形状和设计的很小改变都会对水平轴风力机造成很大的影响。 本节简要讨论了影响水平轴风力机叶片性能的主要参数。1. 5. 1叶尖速度比叶尖速度比被定义为风轮叶片速度和相对风速间的关系。 叶尖速度比是有关优化风轮尺寸中最重要的设计参数， 它的计算如下： = rVw式中， 为叶尖速度比， 为转速 （ ra
24、d / s）， r 为半径， Vw 为风速。（1- 2）在选择适当的叶尖速度比时， 效率、 转矩、 机械应力、 空气动力特性和噪声等方面应当被考虑到 （ 见表 1- 3）。 可以通过使用较高的叶尖速度比来提高一台风力机的效率4 ， 然而当考虑到增加叶尖速度比带来的一些负面因素时， 如增加噪声、 空气动力的7第 1 章 风力机叶片设计应力和离心力等， 这种方法并不会对效率带来显著的提高 （ 见表 1- 3）。表 1- 3 叶尖速度比设计考虑因素叶尖速度比低高数值叶尖速度比在 1 2 时被认为是低的叶尖速度比大于 10 时被认为是高的应用传统的风车和抽水主要是单叶或双叶的技术原型转矩增大减小效率下
25、降明显低于 5， 由于高转矩会产生旋转尾流4在 8 后无显著增加离心力减小按转速的 2 次方增加4气动力减小与转速成比例关系减小风轮实度面积增加， 要求 20 个以上的叶片显著减小叶片外形大很窄空气动力学简单的苛刻的噪声接近 6 次方的速度增加4欲获得较高的叶尖速度比就需要减少叶片翼型的弦宽度， 以至形成狭长的叶片外形。 这样可以节约材料， 降低制造成本。 离心力和气动力的增加与较高的叶尖速度比有密切联系。 这些力的增加就意味着难以保证结构的完整性并难以避免叶片故障。 当叶尖速度比增大时， 叶片的空气动力学设计就变得越来越重要。 设计用于较高相对风速的叶片在较低速度下会产生最小的转矩。 这导致
26、了相应的风力机有较高的切入风速10 并且难以自起动。 噪声的增加也与叶尖速度比增大有关。 气动噪声会以接近 6 次方的速度随叶尖速度比的增大而增大4，11 。 现代的水平轴风力机中， 两叶片的风轮通常使用 9 10 的叶尖速度比； 三叶片的风轮通常使用 6 9 的叶尖速度比1 。 我们发现使用上述叶尖速度比可有效地将风动能转化为电能1，6 。1. 5. 2叶片的平面形状和数量水平轴风力机风轮叶片的理想平面形式， 是利用叶素动量 （ BEM） 方法， 通过贝兹极限、 局部气流速度和翼型升力计算出弦长而确定的。 有一些定理是关于计算最优弦长的， 这些计算很复杂1，4，10，12 。 其中最简单的是
27、建立在贝兹最优理论上的 见式（1- 3）1 。 对于叶尖速度比为 6 9 的叶片， 若具有可忽略其阻力和叶尖损失的翼型截面， 那么贝兹动量理论可以给出很好的近似1 。 在低叶尖速度比的实例中， 高阻力翼型截面和叶片截面围绕着轮毂， 这种方法可能是不正确的。 在这种情况下， 尾流损失和阻力损失应当被考虑4，12 。 贝兹方法给出了现代风力机叶片的基本形状 （ 见图 1- 2）。 然而， 弦宽度为叶片截面前后缘间连线长度。 译者注8风力机技术及其设计在实践中， 会经常使用更先进的优化方法12 - 14 。图 1- 2 典型的风力机叶片平面图和区域划分V2 + U2wCopt = 2n r 98Uw
28、d ， Vr =（1- 3）CL Vr式中， r 为半径 （ m）， n 为叶片数量， CL 为升力系数， 为当地的叶尖速度比， Vr 为当地气流合成速度 （ m / s）， U 为风速 （ m / s）， Uwd 为设计风速 （ m / s）， Copt 为最优弦长。假设具有一个合理的升力系数， 利用叶片最优化算法得到的叶片平面主要依赖于设计叶尖速度比和叶片的数量 （ 见图 1- 3 ）。 为低叶尖速度比设计的风轮具有较高的风轮实度， 这个值是叶片面积与风轮扫掠面积的比值。 减小风轮实度可以有效地减少材料的用量， 从而缩减成本。 因此， 这个问题就与高叶尖速度比有关 （ 见 1. 5. 1
29、节）。图 1- 3 不同叶尖速度比和叶片数量时所对应的最优叶片平面形状19第 1 章 风力机叶片设计在实践中， 通常会简化弦长以便于生产。 这种简化涉及一些增加弦长时的线性化问题 （ 见图 1- 4）。 相应的损失意味着， 这种简化可通过显著地缩减成本来证实其合理性。图 1- 4 简化为理想弦长导致的效率损失15在效率方面， 对于最佳弦尺寸 见式 （ 1 - 3 ） ， 叶片的数量可以忽略不去考虑。 然而， 在实际情况中， 当考虑损失时， 与三叶片相比， 两叶片设计产生 3 % 的损失， 单叶片产生 7 % 13 % 的损失 6 。 一种四叶片的设计可使边际效率增加， 而它未被证明需要额外的叶
30、片生产成本。 当选择了适当的叶片数量后， 风力机塔架的负荷也应当被考虑 6 。 四叶片、 三叶片、 两叶片和单叶片设计会各自导致动态负荷的增加 16 。风力机巨大的尺寸和其所在的位置会给人强烈的视觉冲击， 所以它给人的视觉影响是应当被考虑到的。 据说三叶片的设计在转动过程中会显得流畅平滑。 因此， 它更能给人带来审美上的愉悦感。 更快的单叶片和两叶片的设计在转动过程中会有明显的急跳动作1 。 当三叶片风轮安装到固定位置时， 被认为会显得更有序17 。1. 5. 3配置一种有可以同时减少风轮机舱重量和制造成本的方案是使用较少数量的叶片16 。然而， 极性非对称风轮的结构动态特性和平衡困难性也是显
31、而易见的16 。 对于单叶片和两叶片风轮， 增大的磨损、 低劣的审美特性和鸟类保护等问题都需要考虑到17，18 。在满足环境、 商业和经济的共同制约的情况下， 三叶片风力机 （ 见图 1- 5） 作为最有效的设计被广泛使用 （ 见表 1- 4）。 因此， 在今天的大型风力机行业中它也占据着统治地位。 现代的商用风力机包括有复杂的控制系统和安全系统、 远程监控以及防雷设施（ 见表 1- 5）。10风力机技术及其设计图 1- 5 一台现代大型风力机的典型结构 （ www. desmoinesregister. com） 图 1- 5 中风力机的构成如下： 风轮： 风轮是由安装在轮毂上的叶片所构成。
32、 叶片的形状像飞机的机翼， 并且利用升力原理将风能转化为机械能。 叶片的长度可以达到 150ft （1ft = 0. 3048m）， 这相当于半个足球场的长度。 变桨距驱动器： 当风力变得过强时， 叶片可被旋转以减少总的升力。 机舱： 风轮与机舱相连接。 机舱位于塔架的顶部并且在其内部装有多种部件。 制动： 机械制动可作为叶片桨距制动效果的后备， 或作为维护用停车制动。 低速传动轴： 连接到风轮。 齿轮箱： 与风轮连接的低速轴的速度范围是从大型风力机上的 20r / min 直到住宅单元风力机上的400r / min。 大部分生产电力的发电机需要传动齿轮将速度增加到 1200 1800r /
33、min。 一些小型风力机使用直接驱动系统， 这样就不再需要齿轮箱。 高速传动轴： 连接到发电机。 发电机： 将风轮产生的机械能转化为电能。 不同的设计会分别产生交流电或直流电。 这些电能可能会被用于附近的设备， 存储于蓄电池或传送到电网上。 热交换器： 用于冷却发电机。 控制器： 一种计算机系统， 会在风力机起动或停止时进行自诊断测试， 并能在风速改变时对风力机进行调整。 操作人员可以远程运行系统检测， 以及通过调制解调器输入新的参数。 风速表： 测量风速， 并将其数据发送到控制器上。 风向标： 探测风向， 并将其数据发送到控制器上。 之后控制器会调整 “ 偏航”， 或者说调整包括风轮和机舱的
34、头部。 偏航驱动： 保持风轮面向风。 塔架： 因为在高处风速会增加， 所以越高的塔架可使风力机获得越多的能量。11第 1 章 风力机叶片设计表 1- 4 风力机尺寸和重量配置的选择风力机名称桨 距 （ P） 或失速 （ S）风轮直径/ m叶片数量机舱和风轮重量/ kg单位扫掠面积重量/ （ kg / m2 ）Mitsubishi MWT - 1000（1MW）P573未指明未指明Nordex N90 （2. 3MW）P9038450013. 3Nordex N80 （2. 5MW）P8038050016Repower 5M （5MW）P1263未指明未指明Siemens SWT - 3. 6
35、- 107（3. 6MW）P107322000024. 5Siemens SWT - 2. 3 - 93（2. 3MW）P93314200020. 9Gamesa G90 - 2MW（2MW）P90310600016. 7Gamesa G58 - 850（850kW）P5833500013. 3Enercon E82 （2MW）P823未指明未指明GE wind 3. 6sl （3. 6MW）P1113未指明未指明Vestas V164 （7. 0MW）P1643未指明未指明Vestas V90 （2MW）P90310600016. 7Vestas V82 （1. 65MW）P82395000
36、18表 1- 5 典型 2MW 风力机技术参数风轮直径90m扫掠面积6362m2转速9 19r / min转动方向顺时针 （ 从前面观察）重量 （ 包括轮毂）36t头部重量106t叶片数量3长度44m翼型Delft 大学和 FFA - W312风力机技术及其设计（ 续）材料预浸环氧玻璃纤维 + 碳纤维重量5800kg塔架管式模块化设计高度重量3 节67m153t4 节78m203t5 节100m255t齿轮箱类型1 行星级， 2 螺旋级变速比1 100散热油泵与油冷却器油加热器2. 2kW2. 0MW 发电机类型双馈电机电压AC690V频率50Hz转速900 1900r / min定子电流15
37、00A （690V 时 ）机械设计由两个球面轴承支承的主轴传动系统， 通过轴承箱直接将侧向负荷传递到框架上制动器利用一个辅助液压盘式制动的全顺桨空气动力制动在紧急情况下使用 防雷依照 IEC 61024 - 1 标准， 导体直接将雷电从叶尖两侧引导至根部连接处， 并从这里通过机舱和塔架引入位于地基的接地系统。 因此， 叶片和敏感的电器组件得以被保护控制系统发电机是双馈电机 （ DFM）， 它的速度和功率通过 IGBT 和脉宽调制 （ PWM） 的电控方式来进行控制。 星地协作网络为风力机、 气象塔和变电站的实时操作和远程控制提供了方便。 TCP / IP 架构具有网络接口。 预测维护系统被用于
38、早期检测风力机主要部件的潜在老化或故障1. 5. 4空气动力学空气动力学性能是设计高效能风轮的基础19 。 风力机所产生的能量是由气动升力所提供的， 因此有必要通过适当的设计使这种力最大化。 有一种对抗阻力的力， 它会阻13第 1 章 风力机叶片设计碍叶片的运动。 这种力也会由摩擦力所产生。 必须要减小这种力。 那么， 很显然， 叶片翼型的截面应具有大的升阻比 见式 （ 1- 4 ）。 在设计风轮叶片时通常会选择大于3020 的升阻比19 ：升阻比 = 升力系数 = CL（1- 4）阻力系数CD我们可以免费获得类似 XFOIL21 这样的软件。 这类软件可在除去过失速、 过度攻角和翼面厚度的条
39、件下对叶片翼型进行精确的模拟。 虽然有这样的软件， 对叶片翼型的升力和阻力系数的数学预测依然是有困难的22，23 。 传统上， 在给定攻角和雷诺数24 后， 使用有关升力和阻力的表格对翼面进行测试。 历史上的风力机翼面设计曾来自于飞机技术， 并使用相似的雷诺数和相似的适应于叶尖条件的截面厚度。 然而， 对风力机具体的翼面外形应予以具体的设计考量， 这是由于工作环境和机械负荷的不同造成的。污垢对飞行器翼面的影响可以不被考虑， 因为在它们飞行的海拔， 昆虫和其他一些微粒可以被忽略。 而风力机长期在地平面附近工作， 这里聚集的大量昆虫和灰尘颗粒是一个问题。 这些聚集物被认为是一种污染， 它会对升力的
40、产生形成不利的影响。 因此， 在具体的风力机翼面设计中就要降低其对这种污染的敏感度25 。根据风力机叶片的结构要求， 意味着厚度与弦长之比较大的翼面形状被用在叶根部区域。 这样的翼面形状几乎不会用在航空工业中。 厚的翼型截面， 其升阻比通常较小。所以在设计风力机叶片时应特别考虑提升厚翼型截面的升力25，26 。美国国家航空咨询委员会 （ NACA） 4 位数和 5 位数翼型设计 被用于早期的现代风力机上1 。 NACA 翼型的截面几何形状可通过数字分类显示出来。 在表示 NACA 翼型的数字中， 第 1 位数字指的是弯度与弦长之比的最大值； 第 2 位数字是最大弯度的位置（ 数值表示在弦的第几
41、个十等分处）； 第 3 位和第 4 位数字表示最大厚度和弦长的百分比24 。 一些风力机具有特殊的翼型， 例如 Delft 大学23 、 LS、 SERI - NREL、 FFA6 和RISO26 这些品牌的风力机。 这些具有特殊翼型的风力机的出现， 为风力机行业中的特殊需求提供了有针对性的替代品。攻角是相向而来的气流与翼面弦线间的夹角， 并且 CL 和 CD 所引用的数值都是相对于攻角的。 在整个叶片的长度上使用单一的翼型是一种低效的设计19 。 叶片上的每个部分都具有不同的相对空气速度， 有不同的结构要求。 因此， 叶片上不同部分的翼型应有相应的调整。 在叶片的根部， 这里截面的最小厚度较大， 这是加强叶片负载能力的关键， 这也导致了叶片在这部分有较厚的侧面外形。 在靠近叶片尖部的地方， 其负载减小并具有更高的线速度和对气动特性更为苛刻的要求，