《風(fēng)力發(fā)電原理講解》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《風(fēng)力發(fā)電原理講解（141頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 風(fēng) 力 發(fā) 電 原 理 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 風(fēng) 力 機(jī) 的 類 型 風(fēng) 電 機(jī) 組 主 要 參 數(shù) 及 設(shè) 計(jì) 級 別 水 平 軸 風(fēng) 力 機(jī) 構(gòu) 造 第 三 章 風(fēng) 力 機(jī) 分 類 和 構(gòu) 成 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 3-1 風(fēng) 力 機(jī) 的 類 型 按 容 量 劃 分 小 型 風(fēng) 力 機(jī) ： 容 量 小 于 60kW 中 型 風(fēng) 力 機(jī) ： 容 量 為 70 600kW 大 型 風(fēng) 力 機(jī) ： 容 量 為 600 1000kW（ 1MW） 巨 型 風(fēng) 力 機(jī) ： 容 量 大 于 1000kW。 單

2、機(jī) 容 量 越 大 ， 槳 葉 越 長 。 2MW風(fēng) 力 機(jī) 葉 片 的 直徑 已 經(jīng) 達(dá) 到 72m， 最 長 的 葉 片 已 經(jīng) 做 到 50m， 且 隨 著 機(jī)組 容 量 的 增 加 會 更 長 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 按 照 風(fēng) 輪 結(jié) 構(gòu) 及 其 在 氣 流 中 的 位 置 ： 水 平 軸 風(fēng) 力 機(jī) :葉 片 圍 繞 一 個 水 平 軸 旋 轉(zhuǎn) ， 旋 轉(zhuǎn) 平 按 風(fēng) 輪 結(jié) 構(gòu) 劃 分 面 與 風(fēng) 向 垂 直 。 垂 直 軸 風(fēng) 力 機(jī) : 風(fēng) 輪 圍 繞 一 個 垂 直 軸 進(jìn) 行 旋 轉(zhuǎn) 。 能源動力與機(jī)

3、械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院按 功 率 調(diào) 節(jié) 方 式 劃 分 定 槳 距 風(fēng) 力 機(jī)變 槳 距 風(fēng) 力 機(jī)主 動 失 速 型 風(fēng) 力 機(jī) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 定 槳 距 風(fēng) 力 機(jī) :葉 片 固 定 在 輪 轂 上 ， 槳 距 角 不 變 ， 風(fēng) 力機(jī) 的 功 率 調(diào) 節(jié) 完 全 依 靠 葉 片 的 失 速 性 能 。 當(dāng) 風(fēng) 速 超 過額 定 風(fēng) 速 時 ， 在 葉 片 后 端 將 形 成 邊 界 層 分 離 (湍 流 狀 態(tài))， 使 升 力 系 數(shù) 下 降 ， 阻 力 系 數(shù) 增 加 ， 從 而 限 制 了 機(jī)

4、組功 率 的 進(jìn) 一 步 增 加 。 優(yōu) 點(diǎn) :結(jié) 構(gòu) 簡 單 。 缺 點(diǎn) :不 能 保 證 超 過 額 定 風(fēng) 速 區(qū) 段 的 輸 出 功 率 恒 定 ， 并且 由 于 阻 力 增 大 ,導(dǎo) 致 葉 片 和 塔 架 等 部 件 承 受 的 載 荷 相應(yīng) 增 大 。 此 外 ， 由 于 槳 距 角 不 能 調(diào) 整 ， 沒 有 氣 動 制 動功 能 ， 因 此 定 槳 距 葉 片 在 葉 尖 部 位 需 要 設(shè) 計(jì) 專 門 的 制動 機(jī) 構(gòu) 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 變 槳 距 風(fēng) 力 機(jī) ： 葉 片 和 輪 轂 不 是 固 定 連 接 ， 葉 片 槳 距 角 可 調(diào)。

5、在 超 過 額 定 風(fēng) 速 范 圍 時 ， 通 過 增 大 葉 片 槳 距 角 ， 使 攻 角 減小 ， 以 改 變 葉 片 升 力 與 阻 力 的 比 例 ， 達(dá) 到 限 制 風(fēng) 輪 功 率 的 目的 ， 使 機(jī) 組 能 夠 在 額 定 功 率 附 近 輸 出 電 能 。 優(yōu) 點(diǎn) ： 高 于 額 定 風(fēng) 速 區(qū) 域 可 以 獲 得 穩(wěn) 定 的 功 率 輸 出 。 缺 點(diǎn) ： 需 要 變 槳 距 調(diào) 節(jié) 機(jī) 構(gòu) ， 設(shè) 備 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 ， 可 靠 性 降 低 。 目 前 的 大 型 兆 瓦 級 風(fēng) 電 機(jī) 組 普 遍 采 用 變 槳 距 控 制 技 術(shù) 。 主 動 失 速 型 風(fēng) 力 機(jī)

6、： 工 作 原 理 相 當(dāng) 于 以 上 兩 種 形 式 的 組 合 。利 用 葉 片 的 失 速 特 性 實(shí) 現(xiàn) 功 率 調(diào) 節(jié) ， 葉 片 與 輪 轂 不 是 固 定 連接 ， 葉 片 可 以 相 對 輪 轂 轉(zhuǎn) 動 ， 實(shí) 現(xiàn) 槳 距 角 調(diào) 節(jié) 。 當(dāng) 機(jī) 組 達(dá) 到額 定 功 率 后 ， 使 葉 片 向 槳 距 角 向 減 小 的 方 向 轉(zhuǎn) 過 一 個 角 度 ，增 大 來 風(fēng) 攻 角 ， 使 葉 片 主 動 進(jìn) 入 失 速 狀 態(tài) ， 從 而 限 制 功 率 。 優(yōu) 點(diǎn) ： 改 善 了 被 動 失 速 機(jī) 組 功 率 調(diào) 節(jié) 的 不 穩(wěn) 定 性 。 缺 點(diǎn) ： 增 加 了 槳 距

7、調(diào) 節(jié) 機(jī) 構(gòu) ， 使 設(shè) 備 變 得 復(fù) 雜 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 高 傳 動 比 齒 輪 箱 型 ： 優(yōu) 點(diǎn) ： 由 于 極 對 數(shù) 小 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 體 積 小 ； 缺 點(diǎn) ： 傳 動 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 ， 齒 輪 箱 設(shè) 計(jì) 、 運(yùn) 行 維 護(hù) 復(fù)雜 ， 容 易 出 故 障 。 直 接 驅(qū) 動 型 ： 采 用 多 級 同 步 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) ， 讓 風(fēng) 輪 直 接帶 動 發(fā) 電 機(jī) 低 速 旋 轉(zhuǎn) 。 優(yōu) 點(diǎn) ： 沒 有 了 齒 輪 箱 所 帶 來 的 噪 聲 、 故 障 率 高 和 維 護(hù)成 本 大 等 ， 提 高 了 運(yùn) 行 可 靠

8、性 。 缺 點(diǎn) ： 發(fā) 電 機(jī) 極 對 數(shù) 高 ， 體 積 比 較 大 ， 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 。 半 直 驅(qū) 型 ： 上 述 兩 種 類 型 的 綜 合 。 中 傳 動 比 型 風(fēng) 力 機(jī)減 少 了 傳 統(tǒng) 齒 輪 箱 的 傳 動 比 ， 同 時 也 相 應(yīng) 減 少 了 多 極同 步 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 的 極 數(shù) ， 從 而 減 少 了 發(fā) 電 機(jī) 的 體 積 。按 傳 動 形 式 劃 分 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 通 過 傳 動 系 統(tǒng) 連 接 風(fēng) 輪 和 發(fā) 電 機(jī) ， 使 發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 達(dá)到 所 需 要 的 轉(zhuǎn) 速 。 并 網(wǎng) 風(fēng) 電 機(jī) 組 所 用 交 流 發(fā)

9、 電 機(jī) 的 同 步轉(zhuǎn) 速 為 為 發(fā) 電 機(jī) 磁 極 對 數(shù) ； 為 電 網(wǎng) 頻 率 ， 50Hz。 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速 較 低 ， 約 1020r/min， 而 發(fā) 電 機(jī) 要 輸 出50Hz的 交 流 電 功 率 ， 當(dāng) 發(fā) 電 機(jī) 的 磁 極 對 數(shù) 不 同 時 ， 要 求轉(zhuǎn) 子 的 轉(zhuǎn) 速 也 不 同 。 如 當(dāng) 磁 極 對 數(shù) 為 2時 ， 要 求 發(fā) 電 機(jī) 其轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 速 在 1500r/min左 右 ， 這 時 需 要 在 風(fēng) 輪 與 發(fā) 電 機(jī) 組之 間 用 齒 輪 箱 進(jìn) 行 增 速 。 如 果 發(fā) 電 機(jī) 組 的 極 對 數(shù) 足 夠 大， 使 得 發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 與

10、風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速 接 近 ， 就 不 需 要 增 速 齒 輪箱 。 60 ( / min)fn rpp f 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 恒 速 型 風(fēng) 力 機(jī) ： 發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 恒 定 不 變 ， 不 隨 風(fēng)速 的 變 化 而 變 化 。 變 速 型 風(fēng) 力 機(jī) ： 發(fā) 電 機(jī) 工 作 轉(zhuǎn) 速 隨 風(fēng) 速 時 刻 變化 而 變 化 。 主 流 大 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 組 基 本 都 采 用變 速 恒 頻 運(yùn) 行 方 式 。 多 態(tài) 定 速 風(fēng) 力 機(jī) ： 發(fā) 電 機(jī) 組 中 包 含 兩 臺 或 多 臺發(fā) 電 機(jī) ， 根 據(jù)

11、 風(fēng) 速 的 變 化 ， 可 以 有 不 同 大 小 和數(shù) 量 的 發(fā) 電 機(jī) 投 入 運(yùn) 行 。 按 發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 變 化 劃 分 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 陸 地 風(fēng) 電 機(jī) 組海 上 風(fēng) 電 機(jī) 組 a) 陸上風(fēng)機(jī) b) 海上風(fēng)機(jī) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 沿 海 風(fēng) 場 風(fēng) 況 和 環(huán) 境 條 件 與 陸 地 風(fēng) 場 存 在 差 別 ， 海 上 風(fēng) 電機(jī) 具 有 一 些 特 殊 性 ： 1)適 合 選 用 大 容 量 風(fēng) 電 機(jī) 組 。 海 上 風(fēng) 速 通 常 比 沿 岸 陸 地 高， 風(fēng) 速 比 較 穩(wěn) 定 ， 不 受 地 形 影 響 ，

12、 風(fēng) 湍 流 強(qiáng) 度 和 風(fēng) 切 變 都 比 較小 ， 并 且 具 有 穩(wěn) 定 的 主 導(dǎo) 風(fēng) 向 。 在 相 同 容 量 下 ， 海 上 風(fēng) 電 機(jī) 組的 塔 架 高 度 比 陸 地 機(jī) 組 低 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 2)風(fēng) 電 機(jī) 組 安 全 可 靠 性 要 求 更 高 。 海 上 風(fēng) 電 場 遭 遇 極 端氣 象 條 件 的 可 能 性 大 ， 強(qiáng) 陣 風(fēng) 、 臺 風(fēng) 和 巨 浪 等 極 端 惡 劣 天氣 條 件 都 會 對 機(jī) 組 造 成 嚴(yán) 重 破 壞 。 海 上 風(fēng) 電 場 與 海 浪 、 潮汐 具 有 較 強(qiáng) 的 耦 合 作 用 ， 使 得 風(fēng) 電 機(jī)

13、 組 運(yùn) 行 在 海 浪 干 擾 下的 隨 機(jī) 風(fēng) 場 中 ， 載 荷 條 件 比 較 復(fù) 雜 。 海 上 風(fēng) 電 機(jī) 組 長 期 處在 含 鹽 濕 熱 霧 腐 蝕 環(huán) 境 中 ， 加 之 海 上 風(fēng) 電 機(jī) 組 安 裝 、 運(yùn) 行、 操 作 和 維 護(hù) 等 方 面 都 比 陸 地 風(fēng) 場 困 難 。 因 此 ， 海 上 風(fēng) 電機(jī) 組 結(jié) 構(gòu) ， 尤 其 是 葉 片 材 料 的 耐 久 性 問 題 極 為 重 要 。 3)基 礎(chǔ) 形 式 與 陸 地 風(fēng) 電 機(jī) 組 有 巨 大 差 別 。 由 于 不 同 海 域的 水 下 情 況 復(fù) 雜 、 基 礎(chǔ) 建 造 需 要 綜 合 考 慮 海 床 地

14、質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 、離 岸 距 離 、 風(fēng) 浪 等 級 、 海 流 情 況 等 多 方 面 影 響 ， 因 此 海 上風(fēng) 電 機(jī) 組 復(fù) 雜 ， 用 于 基 礎(chǔ) 的 建 設(shè) 費(fèi) 用 也 占 較 大 比 例 。 海 上 風(fēng) 電 在 風(fēng) 資 源 評 估 、 機(jī) 組 安 裝 、 運(yùn) 行 維 護(hù) 、 設(shè) 備監(jiān) 控 、 電 力 輸 送 等 許 多 方 面 都 與 陸 地 風(fēng) 電 存 在 差 異 ， 技 術(shù)難 度 大 、 建 設(shè) 成 本 高 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 我 國 海 上 風(fēng) 機(jī) 發(fā) 展 趨 勢 灘 涂 風(fēng) 電 場 目 前 ， 我 國 已 建 或 在 建 的 灘 涂 風(fēng) 電 場

15、 主 要 集 中 在 潮 上 帶 及 圍 墾 區(qū) 。 潮間 帶 由 于 淤 泥 地 質(zhì) ， 風(fēng) 電 設(shè) 備 運(yùn) 輸 安 裝 都 是 難 題 。 但 是 相 比 于 近 海 風(fēng) 電 ，業(yè) 內(nèi) 專 家 認(rèn) 為 潮 間 帶 風(fēng) 電 場 還 具 有 一 定 成 本 優(yōu) 勢 。 國 內(nèi) 首 個 海 上 潮 間 帶 風(fēng)力 發(fā) 電 項(xiàng) 目龍 源 江 蘇 如 東 海 上 潮 間 帶 試 驗(yàn) 風(fēng) 場 于 09年 10月 并 網(wǎng) 發(fā) 電 成功 ， 首 批 兩 臺 1.5兆 瓦 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 組 正 式 并 網(wǎng) 運(yùn) 行 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 水 平 軸 風(fēng) 力 機(jī) 的 葉 片 圍

16、繞 一 個 水 平 軸 旋 轉(zhuǎn) ， 旋 轉(zhuǎn) 平 面 與風(fēng) 向 垂 直 。 葉 片 徑 向 安 置 于 風(fēng) 輪 上 ， 與 旋 轉(zhuǎn) 軸 垂 直 或 近 似垂 直 。 風(fēng) 輪 葉 片 數(shù) 目 視 風(fēng) 力 機(jī) 用 途 而 定 ， 用 于 風(fēng) 力 發(fā) 電 的風(fēng) 力 機(jī) 的 葉 片 數(shù) 一 般 取 1 3片 ， 用 于 風(fēng) 力 提 水 的 風(fēng) 力 機(jī) 葉片 數(shù) 一 般 取 12 24片 。 一 、 水 平 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 按 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速 的 快 慢 劃 分 ， 可 分 為 高 速 風(fēng) 力 機(jī) 和 低 速 風(fēng) 力機(jī) 。 高 速 風(fēng) 力 機(jī) 葉 片

17、數(shù) 較 少 ， 1 3片 應(yīng) 用 得 較 多 ， 其 最 佳 轉(zhuǎn)速 對 應(yīng) 的 風(fēng) 輪 葉 尖 線 速 度 為 5 15倍 風(fēng) 速 。 在 高 速 運(yùn) 行 時 ，高 速 風(fēng) 力 機(jī) 有 較 高 的 風(fēng) 能 利 用 系 數(shù) 。 由 于 葉 片 數(shù) 較 少 ， 在輸 出 功 率 相 同 的 條 件 下 ， 比 低 速 風(fēng) 輪 要 輕 得 多 ， 因 此 適 用于 發(fā) 電 。 葉 片 數(shù) 較 多 的 風(fēng) 力 機(jī) 的 最 佳 轉(zhuǎn) 速 較 低 ， 為 高 速 風(fēng) 力 機(jī) 的一 半 甚 至 更 低 ， 風(fēng) 能 利 用 率 也 較 高 速 風(fēng) 輪 的 低 ， 通 常 稱 為低 速 風(fēng) 力 機(jī) 。 起 動 力

18、 矩 大 ， 起 動 風(fēng) 速 低 。 低 速 運(yùn) 行 產(chǎn) 生 較高 的 轉(zhuǎn) 矩 ， 因 而 適 用 于 提 水 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 按 照 風(fēng) 輪 與 塔 架 相 對 位 置 的 不 同 劃 分 逆 風(fēng) 式 風(fēng) 力 機(jī)順 風(fēng) 式 風(fēng) 力 機(jī)水平軸風(fēng)力機(jī) 風(fēng) 輪 在 塔 架 的 下 風(fēng) 位 置 旋 轉(zhuǎn) 的 風(fēng) 力 機(jī) 。 能 夠 自 動 對 準(zhǔn) 風(fēng) 向， 不 需 要 調(diào) 向 裝 置 。 缺 點(diǎn) ： 空 氣 流 先 通 過 塔 架 然 后 再 流 向風(fēng) 輪 ， 會 造 成 塔 影 效 應(yīng) ， 風(fēng) 力 機(jī) 性 能 降 低 。 以 空 氣 流 向 作 為 參 考 ， 風(fēng)

19、輪 在 塔 架 前 迎 風(fēng) 旋 轉(zhuǎn) 的 風(fēng) 力 機(jī) 為逆 風(fēng) 式 風(fēng) 力 機(jī) 。 需 要 調(diào) 風(fēng) 裝 置 ， 使 風(fēng) 輪 迎 風(fēng) 面 正 對 風(fēng) 向 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 定 義 ： 垂 直 軸 風(fēng) 力 機(jī) 的 風(fēng) 輪 圍 繞 一 個 垂 直 軸 進(jìn) 行 旋 轉(zhuǎn) 。 特 點(diǎn) ：無 需 調(diào) 風(fēng) 向 裝 置 ， 可 接 受 來 自 任 何 方 向 的 風(fēng) ，風(fēng) 向 改 變 時 無 需 對 風(fēng) 。齒 輪 箱 和 發(fā) 電 機(jī) 均 可 安 裝 在 地面 上 或 風(fēng) 輪 下 ， 運(yùn) 行 維 修 簡 便 ， 費(fèi) 用 較 低 。葉 片 結(jié) 構(gòu)簡 單 ， 制 造 方 便 ， 設(shè) 計(jì)

20、費(fèi) 用 較 低 。 二 、 垂 直 軸 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 分 類 ： 阻 力 型 風(fēng) 力 機(jī) ： 利 用 空 氣 對 葉 片 的 阻 力 做 功 。 升 力 型 風(fēng) 力 機(jī) ： 利 用 翼 型 升 力 做 功 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 S形 風(fēng) 力 機(jī) 由 兩 個 軸 線 錯 開 的 半 圓 柱 形 葉 片 組 成 ， 其 優(yōu) 點(diǎn) 可在 較 低 風(fēng) 速 下 運(yùn) 行 ， 但 S形 風(fēng) 輪 由 于 風(fēng) 輪 周 圍 氣 流 不 對 稱 ， 從 而產(chǎn) 生 側(cè) 向 推 力 。 受 側(cè) 向 推 力 與 安 全 極 限 應(yīng) 力 的 限 制 ， S形 風(fēng) 力 機(jī) 大 型 化 比 較困

21、 難 。 風(fēng) 能 利 用 系 數(shù) 也 遠(yuǎn) 低 于 高 速 垂 直 軸 或 水 平 軸 風(fēng) 力 機(jī) ， 僅為 0.15左 右 。 在 風(fēng) 輪 尺 寸 、 重 量 和 成 本 相 同 的 條 件 下 ， 其 功 率輸 出 較 低 ， 因 而 用 于 發(fā) 電 的 經(jīng) 濟(jì) 性 較 差 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 升 力 型 :達(dá) 里 厄 型 風(fēng) 力 機(jī) 是 水 平 軸 風(fēng) 力 機(jī) 的 主 要 競 爭 者 。 形 式 :有 形 、 H形 、 形 、 Y形 和 菱 形 等 。 根 據(jù) 葉 片 結(jié)構(gòu) 形 狀 ， 可 簡 單 地 歸 納 為 直 葉 片 和 彎 葉 片 兩 種 。 H形

22、風(fēng) 輪 和 形 風(fēng) 輪 應(yīng) 用 最 為廣 泛 。 葉 片 具 有 翼 型 剖 面 ， 空 氣 繞葉 片 流 動 而 產(chǎn) 生 的 合 力 形 成 轉(zhuǎn) 矩 ，因 此 葉 片 幾 乎 在 旋 轉(zhuǎn) 一 周 內(nèi) 的 任 何角 度 都 有 升 力 產(chǎn) 生 。 達(dá) 里 厄 風(fēng) 力 機(jī)最 佳 轉(zhuǎn) 速 較 水 平 軸 的 慢 ， 但 比 S形風(fēng) 輪 快 很 多 ， 其 風(fēng) 能 利 用 系 數(shù) 與 水平 軸 風(fēng) 力 機(jī) 相 當(dāng) 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 H形 風(fēng) 輪 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 但 離 心 力 使 葉 片 在 其 連 接 點(diǎn) 處 產(chǎn) 生 嚴(yán)重 的 彎 曲 應(yīng) 力 。 直 葉 片 借

23、 助 支 撐 件 或 拉 索 來 支 撐 ， 這 些 支撐 產(chǎn) 生 氣 動 阻 力 ， 降 低 了 風(fēng) 力 機(jī) 的 效 率 。 形 風(fēng) 輪 所 采 用 的 彎 葉 片 只 承 受 張 力 ， 不 承 受 離 心 力 載 荷， 使 彎 曲 應(yīng) 力 減 至 最 小 。 由 于 材 料 可 承 受 的 張 力 比 彎 曲 應(yīng)力 要 強(qiáng) ， 對 于 相 同 的 總 強(qiáng) 度 ， 形 葉 片 比 較 輕 ， 且 比 直 葉片 可 以 更 高 的 速 度 運(yùn) 行 。 但 形 葉 片 不 便 采 用 變 漿 距 方 法來 實(shí) 現(xiàn) 自 起 動 和 控 制 轉(zhuǎn) 速 。 對 于 高 度 和 直 徑 相 同 的 風(fēng)

24、輪 ， 形 轉(zhuǎn) 子 比 H形 轉(zhuǎn) 子 的 掃 掠 面 積 要 小 一 些 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 3-2 風(fēng) 電 機(jī) 組 主 要 參 數(shù) 及 設(shè) 計(jì) 級 別風(fēng) 電 機(jī) 組 的 性 能 和 技 術(shù) 規(guī) 格 可 以 通 過 一 些 主 要 參 數(shù) 反 映 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 風(fēng) 輪 直 徑 是 風(fēng) 輪 旋 轉(zhuǎn) 時 的 外 圓 直 徑 ， 用 D表 示 。 風(fēng)輪 直 徑 大 小 決 定 了 風(fēng) 輪 掃 掠 面 積 的 大 小 以 及 葉 片 的 長 度， 是 影 響 機(jī) 組 容 量 大 小 和 機(jī) 組 性 價 比 的 主 要 因 素 之 一 。

25、 根 據(jù) 貝 茨 理 論 ， 風(fēng) 輪 從 自 然 風(fēng) 中 獲 取 的 功 率 為 式 中 ， S為 風(fēng) 輪 的 掃 掠 面 積 ， D增 加 ， 則 其 掃 掠 面 積 與 D2成 比 例 增 加 ， 其 獲 取 的風(fēng) 功 率 也 相 應(yīng) 增 加 。 風(fēng) 輪 直 徑 與 掃 掠 面 積一 . 主 要 參 數(shù) 312 PP SC 24DS 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 風(fēng) 輪 高 度 是 指 風(fēng) 輪 輪 轂 中 心 離 地 面 的 高 度 ， 是 風(fēng)電 機(jī) 組 設(shè) 計(jì) 時 要 考 慮 的 一 個 重 要 參 數(shù) 。 由 于 風(fēng) 剪 切 特 性 ， 離 地 面 越 高 ， 風(fēng) 速

26、越 大 ， 具 有的 風(fēng) 能 也 越 大 ， 因 此 大 型 風(fēng) 電 機(jī) 組 的 發(fā) 展 趨 勢 是 輪 轂高 度 越 來 越 高 。 但 是 輪 轂 高 度 增 加 ， 所 需 要 的 塔 架 高度 也 相 應(yīng) 增 加 ， 當(dāng) 塔 架 高 度 達(dá) 到 一 定 水 平 時 ， 設(shè) 計(jì) 、制 造 、 運(yùn) 輸 和 安 裝 等 方 面 都 將 產(chǎn) 生 新 的 問 題 ， 也 導(dǎo) 致風(fēng) 電 機(jī) 組 成 本 相 應(yīng) 增 加 。 輪 轂 高 度 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 組 成 風(fēng) 輪 的 葉 片 個 數(shù) ， 用 B表 示 。 選 擇 風(fēng) 輪 葉 片 數(shù) 時 要 考 慮 風(fēng) 電 機(jī) 組

27、 的 性 能 和 載 荷 、 風(fēng) 輪和 傳 動 系 統(tǒng) 的 成 本 、 風(fēng) 力 機(jī) 氣 動 噪 聲 及 景 觀 效 果 等 因 素 。葉 片 數(shù) 采 用 不 同 的 葉 片 數(shù) ， 對 風(fēng) 電 機(jī) 組 的 氣 動 性 能 和 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 都 將產(chǎn) 生 不 同 的 影 響 。 風(fēng) 輪 的 風(fēng) 能 轉(zhuǎn) 換 效 率 取 決 于 風(fēng) 輪 的 功 率 系 數(shù) 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 多 葉 片 風(fēng) 車 的 最 佳葉 尖 速 比 較 低 ， 風(fēng) 輪轉(zhuǎn) 速 可 以 很 慢 ， 因 此也 稱 為 慢 速 風(fēng) 輪 。 當(dāng)然 多 葉 片 風(fēng) 輪 由 于 功率 系 數(shù) 很 低 ， 因

28、而 很少 用 于 現(xiàn) 代 風(fēng) 電 機(jī) 組。 現(xiàn) 代 水 平 軸 風(fēng) 電 機(jī) 組 風(fēng) 輪 的 功 率 系 數(shù) 比 垂 直 軸 風(fēng) 輪 高 ， 其 中三 葉 片 風(fēng) 輪 的 功 率 系 數(shù) 最 高 ， 其 最 大 功 率 系 數(shù) 約 為 0.47， 對 應(yīng) 葉 尖速 比 約 為 7； 雙 葉 片 和 單 葉 片 風(fēng) 輪 的 風(fēng) 能 轉(zhuǎn) 換 效 率 略 低 ， 其 最 大 功率 系 數(shù) 對 應(yīng) 的 葉 尖 速 比 也 高 于 三 葉 片 風(fēng) 輪 ， 即 在 相 同 風(fēng) 速 條 件 下， 葉 片 數(shù) 越 少 ， 風(fēng) 輪 最 佳 轉(zhuǎn) 速 越 高 ， 因 此 有 時 也 將 單 葉 片 和 雙 葉片 風(fēng)

29、輪 稱 為 高 速 風(fēng) 輪 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 風(fēng) 輪 的 作 用 是 將 風(fēng) 能 轉(zhuǎn) 換 成 推 動 風(fēng) 輪 旋 轉(zhuǎn) 的 機(jī) 械 轉(zhuǎn) 矩 。衡 量 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 矩 性 能 重 要 參 數(shù) ： 轉(zhuǎn) 矩 系 數(shù) ： 功 率 系 數(shù) 除 以 葉 尖 速 比 。 轉(zhuǎn) 矩 系 數(shù) 決 定 了 傳 動 系 統(tǒng) 中 主 軸 及 齒 輪 箱 的 設(shè) 計(jì) 。 現(xiàn) 代 并 網(wǎng)風(fēng) 電 機(jī) 組 希 望 轉(zhuǎn) 矩 系 數(shù) 小 ， 以 降 低 傳 動 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 費(fèi) 用 。 葉 片 數(shù) 越 多 ， 最 大轉(zhuǎn) 矩 系 數(shù) 值 也 越 大 ，對 應(yīng) 的 葉 尖 速 比 也 越小 ， 表

30、明 起 動 轉(zhuǎn) 矩 越大 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 三 葉 片 風(fēng) 輪 的 性 能 比 較 好 ， 目 前 ， 水 平 軸 風(fēng) 電 機(jī) 組 一 般采 用 兩 葉 片 或 三 葉 片 風(fēng) 輪 ， 其 中 以 三 葉 片 風(fēng) 輪 為 主 。 我 國 安裝 投 運(yùn) 的 大 型 并 網(wǎng) 風(fēng) 電 機(jī) 組 幾 乎 全 部 采 用 三 葉 片 風(fēng) 輪 。 葉 片 數(shù) 量 減 少 ， 將 使 風(fēng) 輪 制 造 成 本 降 低 ， 但 也 會 帶 來 很多 不 利 的 因 素 ， 在 選 擇 風(fēng) 輪 葉 片 數(shù) 時 要 綜 合 考 慮 。 兩 葉 片 風(fēng)輪 上 的 脈 動 載 荷 大 于

31、三 葉 片 風(fēng) 輪 。 另 外 ， 由 于 兩 葉 片 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn)速 高 ， 在 旋 轉(zhuǎn) 時 將 產(chǎn) 生 較 大 的 空 氣 動 力 噪 聲 ， 對 環(huán) 境 產(chǎn) 生 不利 影 響 ， 而 且 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速 快 視 覺 效 果 也 不 好 。 風(fēng) 輪 實(shí) 度 ： 風(fēng) 輪 葉 片 總 面 積 與 風(fēng) 輪 掃 掠 面 積 的 比 值 ， 常用 于 反 映 風(fēng) 輪 的 風(fēng) 能 轉(zhuǎn) 換 性 能 。 風(fēng) 輪 的 葉 片 數(shù) 多 ， 風(fēng) 輪 的 實(shí) 度 大 ， 功 率 系 數(shù) 比 較 大 ， 但功 率 曲 線 較 窄 ， 對 葉 尖 速 比 的 變 化 敏 感 。 葉 片 數(shù) 減 小 ， 風(fēng) 輪實(shí) 度 下

32、 降 ， 其 最 大 功 率 系 數(shù) 相 應(yīng) 降 低 ， 但 功 率 曲 線 也 越 平 坦， 對 葉 尖 速 比 變 化 越 不 敏 感 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 葉 尖 速 比 為 風(fēng) 輪 葉 片 尖 端 線 速 度 與 風(fēng) 速 之 比 ， 是 描 述風(fēng) 電 機(jī) 組 風(fēng) 輪 特 性 的 一 個 重 要 的 無 量 綱 量 。 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速 、 葉 尖 速 比 rw R 對 于 特 定 的 風(fēng) 輪 形 式 ， 其 功 率 系 數(shù) 與 葉 尖 速 比 的 關(guān) 系 曲線 確 定 ， 形 狀 如 同 一 個 山 包 。 在 某 一 葉 尖 速 比 值 處 ， 功 率 系數(shù)

33、 達(dá) 到 最 大 值 ， 此 時 ， 風(fēng) 輪 吸 收 的 風(fēng) 能 最 多 ， 對 應(yīng) 的 葉 尖 速比 值 稱 為 最 佳 葉 尖 速 比 。 風(fēng) 電 機(jī) 組 風(fēng) 輪 的 一 個 主 要 設(shè) 計(jì) 目 標(biāo) 是 盡 可 能 多 地 吸 收 風(fēng)能 ， 因 此 在 低 于 額 定 風(fēng) 速 的 區(qū) 域 ， 希 望 使 風(fēng) 輪 盡 可 能 工 作 在最 大 功 率 系 數(shù) 附 近 ， 即 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速 與 風(fēng) 速 的 比 值 盡 可 能 保 持 在最 佳 葉 尖 速 比 附 近 。 由 于 風(fēng) 速 是 連 續(xù) 不 斷 變 化 的 ， 因 此 需 要對 風(fēng) 輪 的 轉(zhuǎn) 速 進(jìn) 行 控 制 ， 使 之 與

34、風(fēng) 速 變 化 匹 配 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 以 表 所 列 的 1.5MW風(fēng) 電 機(jī) 組 為 例 ， 三 葉 片 風(fēng) 輪 ， 直 徑77m， 額 定 風(fēng) 速 12m/s為 例 。 粗 略 估 算 風(fēng) 輪 的 額 定 轉(zhuǎn) 速 。 設(shè) 三 葉 片 風(fēng) 輪 對 應(yīng) 的 最 佳 葉 片 速 比 約 為 7， 風(fēng) 輪 的 額 定轉(zhuǎn) 速 約 為 實(shí) 際 風(fēng) 電 機(jī) 組 的 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速 范 圍 的 確 定 ， 還 要 考 慮 其 他 多種 因 素 ， 如 所 列 機(jī) 組 的 實(shí) 際 轉(zhuǎn) 速 范 圍 約 在 1120r/min之 間。 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速 除 了 影 響 風(fēng) 能

35、吸 收 特 性 以 外 ， 還 對 風(fēng) 輪 的 機(jī) 械轉(zhuǎn) 矩 產(chǎn) 生 影 響 。 當(dāng) 風(fēng) 電 機(jī) 組 的 額 定 功 率 和 風(fēng) 輪 直 徑 確 定 后， 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速 增 加 ， 則 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 矩 減 小 ， 因 而 作 用 在 傳 動 系 統(tǒng)上 的 載 荷 也 相 應(yīng) 減 小 ， 并 使 齒 輪 箱 的 增 速 比 降 低 。 60 60 60 7 12 20.84 / min2 2 2 38.5r vn w rR 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 風(fēng) 輪 錐 角 :葉 片 與 風(fēng) 輪 旋 轉(zhuǎn) 軸 相垂 直 的 平 面 的 夾 角 。 風(fēng) 輪 仰 角 ： 風(fēng) 輪 主 軸 與

36、 水 平 面的 夾 角 。 由 于 葉 片 為 細(xì) 長 柔 性 體 結(jié)構(gòu) ， 在 其 旋 轉(zhuǎn) 過 程 中 ， 受 風(fēng) 載荷 和 離 心 載 荷 的 作 用 ， 葉 片 將發(fā) 生 彎 曲 變 形 ， 風(fēng) 輪 錐 角 和 仰角 的 主 要 作 用 是 防 止 葉 片 在 發(fā)生 彎 曲 變 形 狀 態(tài) 下 ， 其 葉 尖 部分 與 塔 架 發(fā) 生 碰 撞 。 風(fēng) 輪 錐 角 和 風(fēng) 輪 仰 角 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 偏 航 角 ： 通 過 風(fēng) 輪 主 軸 的 鉛 垂 面 與 風(fēng) 速 在 水 平 面 上 的分 量 的 夾 角 。 風(fēng) 電 機(jī) 組 在 運(yùn) 行 過 程 中 ， 根

37、據(jù) 測 量 的 風(fēng) 速 方 向 ，通 過 偏 航 系 統(tǒng) 對 風(fēng) 輪 的 方 向 進(jìn) 行 調(diào) 整 ， 使 其 始 終 保 持正 面 迎 向 來 風(fēng) 方 向 ， 以 獲 得 最 大 風(fēng) 能 吸 收 率 。 偏 航 角 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 主 要 指 其 吸 收 和 轉(zhuǎn) 化 風(fēng) 能 的 性 能 ， 即 風(fēng) 輪 的 氣 動 性 能 。 功 率 特 性 是 反 映 風(fēng) 電 機(jī) 組 基本 性 能 的 重 要 指 標(biāo) ， 用 風(fēng) 電 機(jī) 組輸 出 功 率 隨 風(fēng) 速 的 變 化 曲 線 來 表示 。 功 率 曲 線 直 接 影 響 風(fēng) 電 機(jī) 組的 年 發(fā) 電 量 。 風(fēng) 電 機(jī)

38、 組 的 基 本 性 能 不 同 風(fēng) 速 對 應(yīng) 的 理 論 風(fēng) 功 率 曲 線 、 根 據(jù) 貝 茨 理 論 計(jì) 算 的 理 想風(fēng) 輪 吸 收 風(fēng) 功 率 曲 線 以 及 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 組 的 實(shí) 際 功 率 曲 線 。 其 中 理論 風(fēng) 功 率 與 風(fēng) 速 的 三 次 方 成 正 比 ， 而 根 據(jù) 貝 茨 定 理 ， 理 想 風(fēng) 輪 只能 吸 收 部 分 風(fēng) 功 率 （ 極 限 狀 態(tài) 下 ， 只 能 吸 收 理 論 風(fēng) 功 率 的 0.59倍） ， 實(shí) 際 風(fēng) 電 機(jī) 組 的 風(fēng) 輪 不 滿 足 理 想 風(fēng) 輪 條 件 ， 并 且 存 在 各 種 損失 ， 其 風(fēng) 能 吸 收 數(shù)

39、量 低 于 貝 茨 極 限 。 風(fēng) 電 機(jī) 組 的 發(fā) 展 過 程 ， 一 直追 求 使 機(jī) 組 的 風(fēng) 能 利 用 系 數(shù) 接 近 貝 茨 極 限 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 風(fēng) 場 條 件 （ 風(fēng) 況 條 件 、 地 理 和 氣 候 環(huán) 境 特 點(diǎn) 等 ） 是 風(fēng) 電機(jī) 組 設(shè) 計(jì) 和 選 型 的 主 要 影 響 因 素 。 在 世 界 范 圍 內(nèi) ， 可 用 于 風(fēng) 力 發(fā) 電 的 風(fēng) 場 條 件 千 差 萬 別 。 國際 電 工 委 員 會 在 其 頒 布 的 風(fēng) 電 機(jī) 組 相 關(guān) 設(shè) 計(jì) 標(biāo) 準(zhǔn) 中 (IEC64000-1)， 根 據(jù) 風(fēng) 速 和 湍 流 狀

40、態(tài) 參 數(shù) 將 水 平 軸 風(fēng) 電 機(jī) 組 分 成 若 干 個 級別 ， 這 樣 就 減 少 了 風(fēng) 電 機(jī) 組 的 類 型 ， 從 而 可 以 降 低 風(fēng) 電 機(jī) 組 的設(shè) 計(jì) 成 本 ， 增 加 風(fēng) 電 機(jī) 組 的 競 爭 力 。 將 風(fēng) 電 機(jī) 組 分 成 四 個 級 別 ， 即 三 個 標(biāo) 準(zhǔn) 級 別 ( 、 、 )和 一 個 特 殊 級 別 (S)。 二 、 風(fēng) 電 機(jī) 組 設(shè) 計(jì) 級 別 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 所 列 數(shù) 值 是 風(fēng) 輪 輪 轂 高 度 處 的 值 。 風(fēng) 電 機(jī) 組 分 級 標(biāo) 準(zhǔn) 只 依 據(jù)風(fēng) 場 的 平 均 風(fēng) 速 和 湍 流 強(qiáng) 度

41、兩 個 主 要 參 數(shù) 。 1) 為 10min參 考 平 均 風(fēng) 速 ， 實(shí) 際 風(fēng) 場 的 10min平 均 風(fēng) 速 值 計(jì)算 ： 即 ， 三 個 標(biāo) 準(zhǔn) 級 別 機(jī) 組 所 適 用 的 風(fēng) 場 的 平 均 風(fēng) 速 分 別 為 ： I級機(jī) 組 ： 10m/s平 均 風(fēng) 速 ；級 機(jī) 組 ： 8.5m/s平 均 風(fēng) 速 ；級 機(jī) 組 ：7.5m/s平 均 風(fēng) 速 。 2) 為 風(fēng) 速 在 15 m/s時 的 湍 流 強(qiáng) 度 期 望 值 ， 表 中 對 每 個 標(biāo) 準(zhǔn) 機(jī)組 級 別 都 分 為 A、 B、 C三 種 不 同 的 風(fēng) 湍 流 狀 態(tài) ， 其 湍 流 強(qiáng) 度 期 望值 分 別 為

42、0.16、 0.14和 0.12。 即 標(biāo) 準(zhǔn) 機(jī) 組 共 有 9個 類 型 。 3)為 了 解 決 一 些 特 殊 風(fēng) 場 條 件 的 機(jī) 組 設(shè) 計(jì) 和 選 用 問 題 ， 標(biāo) 準(zhǔn) 中在 三 個 標(biāo) 準(zhǔn) 級 別 以 外 ， 還 列 出 一 個 特 殊 級 別 S， 具 體 設(shè) 計(jì) 參 數(shù) 由 設(shè)計(jì) 者 根 據(jù) 實(shí) 際 風(fēng) 況 條 件 制 定 。ref 0.2ave ref refI 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 3-3 水 平 軸 風(fēng) 力 機(jī) 構(gòu) 造 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 風(fēng) 電 機(jī) 組 主 要 由 風(fēng) 輪 、 機(jī) 艙 、 塔 架 和 基 礎(chǔ) 等 部

43、 分 組成 。 風(fēng) 輪 和 機(jī) 艙 置 于 塔 架 頂 端 ， 機(jī) 艙 內(nèi) 包 括 風(fēng) 輪 主 軸 、 傳動 系 統(tǒng) 、 發(fā) 電 機(jī) 等 部 件 。 機(jī) 艙 內(nèi) 的 所 有 部 件 安 裝 在 主 機(jī) 架上 ， 主 機(jī) 架 通 過 軸 承 與 塔 架 頂 端 相 連 接 ， 可 以 在 偏 航 系 統(tǒng)的 驅(qū) 動 下 ， 相 對 于 塔 架 軸 線 旋 轉(zhuǎn) ， 使 風(fēng) 輪 和 機(jī) 艙 隨 著 風(fēng) 向的 變 化 調(diào) 整 方 向 。 塔 架 固 定 在 基 礎(chǔ) 上 ， 將 作 用 于 風(fēng) 輪 上 的各 種 載 荷 傳 遞 到 基 礎(chǔ) 上 。 風(fēng) 輪 是 實(shí) 現(xiàn) 風(fēng) 能 轉(zhuǎn) 換 成 機(jī) 械 能 的 部

44、 件 ， 其 上 安 裝 若 干個 葉 片 ， 葉 片 根 部 與 輪 轂 相 連 。 風(fēng) 以 一 定 速 度 和 攻 角 作 用于 葉 片 上 ， 使 葉 片 產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 矩 ， 驅(qū) 動 風(fēng) 輪 主 軸 旋 轉(zhuǎn) ， 將 風(fēng) 能轉(zhuǎn) 換 成 旋 轉(zhuǎn) 機(jī) 械 能 。 風(fēng) 輪 主 軸 經(jīng) 傳 動 系 統(tǒng) 帶 動 發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子旋 轉(zhuǎn) ， 進(jìn) 而 將 旋 轉(zhuǎn) 機(jī) 械 能 轉(zhuǎn) 換 成 電 能 。 機(jī) 組 通 過 控 制 系 統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) 在 各 種 條 件 下 的 運(yùn) 行 控 制 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 風(fēng) 輪 變 槳 機(jī) 構(gòu)輪 轂葉 片偏 航 系 統(tǒng) 軸 的 連 接 與 制

45、 動增 速 齒 輪 箱風(fēng) 輪 主 軸傳 動 系 統(tǒng)塔 架 與 基 礎(chǔ) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 葉 片 風(fēng) 力 機(jī) 葉 片 安 裝 在 輪 轂 上 ， 輪 轂 與 主 軸 相 連 ， 并 將 葉 片 力矩 傳 遞 到 發(fā) 電 機(jī) 。 風(fēng) 輪 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 風(fēng) 輪 葉 片 主 要 實(shí) 現(xiàn) 風(fēng) 能 的 吸 收 ， 其 形 狀 決 定 了 空 氣動 力 學(xué) 特 性 ， 設(shè) 計(jì) 目 標(biāo) 是 最 大 可 能 吸 收 風(fēng) 能 ， 同 時 使重 量 盡 可 能 減 輕 ， 降 低 制 造 成 本 。 葉 片 應(yīng) 滿 足 以 下 要求 ： 良 好 的 空 氣

46、 動 力 外 形 ， 能 夠 充 分 利 用 風(fēng) 電 場 的 風(fēng) 資 源條 件 ， 獲 得 盡 可 能 多 的 風(fēng) 能 。 可 靠 的 結(jié) 構(gòu) 強(qiáng) 度 ， 具 備 足 夠 的 承 受 極 限 載 荷 和 疲 勞 載荷 能 力 ； 合 理 的 葉 片 剛 度 、 葉 尖 變 形 位 移 ， 避 免 葉 片與 塔 架 碰 撞 。 良 好 的 結(jié) 構(gòu) 動 力 學(xué) 特 性 和 氣 動 穩(wěn) 定 性 ， 避 免 發(fā) 生 共 振和 顫 振 現(xiàn) 象 ， 振 動 和 噪 聲 小 。 耐 腐 蝕 、 防 雷 擊 性 能 好 ， 方 便 維 護(hù) 。 在 滿 足 上 述 目 標(biāo) 的 前 提 下 ， 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 結(jié)

47、 構(gòu) ， 盡 可 能 減輕 葉 片 重 量 、 降 低 制 造 成 本 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 葉 片 長 度 很 長 ， 旋 轉(zhuǎn) 過 程 中 ， 不 同 部 位 的 圓 周 速度 相 差 很 大 ， 導(dǎo) 致 來 風(fēng) 的 攻 角 相 差 很 大 ， 因 此 風(fēng) 電 機(jī)組 葉 片 沿 展 向 各 段 處 的 幾 何 尺 寸 及 剖 面 翼 型 都 發(fā) 生 變化 。1 葉 片 幾 何 形 狀 及 翼 型 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 葉 片 特 征 ： 沿 展 向 方 向 上 ， 翼 型 不 斷 變 化 ， 各 剖 面 的 弦 長 不 斷 變 化 ， 各

48、剖 面 的 前緣 和 后 緣 形 狀 也 不 同 。 葉 片 扭 角 也 沿 展 向 不 斷 變 化 ， 葉 尖 部 位 的 扭 角 比 根 部 小 。 葉 片 的 剖 面 翼 型 應(yīng) 根 據(jù) 相 應(yīng) 的 外 部 條 件 并 結(jié) 合 載 荷 分 析 進(jìn) 行 選 擇 和 設(shè)計(jì) 。 風(fēng) 能 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 與 空 氣 流 過 葉 片 翼 型 產(chǎn) 生 的 升 力 有 關(guān) ， 因 此 葉 片的 翼 型 性 能 直 接 影 響 風(fēng) 能 轉(zhuǎn) 換 效 率 。 應(yīng) 用 較 多 的 有 NACA翼 型 、 SERI翼 型 、 NREL翼 型 和 FFA-W翼 型 等 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械

49、工程學(xué)院 小 型 風(fēng) 力 機(jī) 葉 片 常 用 整 塊 木 材 加 工 而 成 ， 表 面 涂 層 保 護(hù)漆 ， 根 部 通 過 金 屬 接 頭 用 螺 栓 與 輪 轂 相 連 。 有 的 采 用 玻 璃 纖維 或 其 他 復(fù) 合 材 料 作 為 蒙 皮 ， 使 葉 片 具 有 更 佳 的 耐 磨 性 能 。 大 、 中 型 風(fēng) 力 機(jī) 采 用 木 質(zhì) 葉 片 時 ， 不 用 整 塊 木 料 進(jìn) 行 制作 ， 而 是 采 用 很 多 縱 向 木 條 膠 接 在 一 起 ， 以 保 證 選 用 優(yōu) 質(zhì) 木材 ， 提 高 葉 片 質(zhì) 量 。 為 減 輕 重 量 ， 在 木 質(zhì) 葉 片 的 后 緣 部

50、 分 填塞 質(zhì) 地 較 輕 的 泡 沫 塑 料 ， 表 面 用 玻 璃 纖 維 作 蒙 皮 。 采 用 泡 沫塑 料 的 優(yōu) 點(diǎn) 不 僅 可 以 減 輕 質(zhì) 量 ， 而 且 能 使 翼 型 重 心 前 移 ， 重心 設(shè) 計(jì) 在 近 前 緣 1/4弦 長 處 為 最 佳 ， 可 以 減 輕 葉 片 的 質(zhì) 量 。 2 葉 片 的 材 料 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 為 減 輕 葉 片 的 質(zhì) 量 ， 有 的 葉 片 用 一 根 金 屬 管 作 為 受 力 梁， 以 蜂 窩 結(jié) 構(gòu) 、 泡 沫 塑 料 或 輕 木 材 作 中 間 填 充 物 ， 外 面 再 包上 玻 璃 纖 維

51、防 腐 防 磨 。 大 型 風(fēng) 力 機(jī) 的 葉 片 較 長 ， 如 3MW風(fēng) 力機(jī) 葉 片 達(dá) 到 50m左 右 ， 承 受 的 風(fēng) 載 荷 較 大 ， 因 此 葉 片 設(shè) 計(jì) 要保 證 一 定 的 強(qiáng) 度 和 剛 度 要 求 。 目 前 ， 大 、 中 型 風(fēng) 力 機(jī) 的 葉 片都 采 用 玻 璃 纖 維 或 高 強(qiáng) 度 復(fù) 合 材 料 進(jìn) 行 制 作 。 葉 片 蒙 皮 的 鋪 層 形 式 主 要 取 決 于 葉 片 所 受 的 外 載 荷 ， 根據(jù) 外 載 荷 的 大 小 和 方 向 ， 確 定 葉 片 鋪 層 數(shù) 量 ， 以 及 鋪 層 增 強(qiáng)纖 維 的 方 向 。 由 于 葉 片 所

52、 受 彎 矩 、 轉(zhuǎn) 矩 和 離 心 力 都 是 從 葉 尖向 葉 根 逐 漸 遞 增 ， 因 此 鋪 層 結(jié) 構(gòu) 的 厚 度 一 般 從 葉 尖 向 葉 根 逐漸 遞 增 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 葉 片 剖 面 多 采 用 蒙 皮 與 主 梁 構(gòu) 造 形 式 ， 中 間 有 硬 質(zhì) 泡 沫 夾層 作 為 增 強(qiáng) 材 料 。 葉 片 主 梁 材 料 一 般 需 采 用 單 向 程 度 較 高 的 玻纖 織 物 ， 葉 片 蒙 皮 主 要 由 膠 衣 、 表 面 氈 和 雙 向 復(fù) 合 材 料 鋪 層 構(gòu)成 。 葉片主梁葉片鋪層 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程

53、學(xué)院 葉 片 上 下 兩 半 部 分 分 別 在 固 定 形 狀 的 模 具 中 完 成 鋪 層 ， 然 后 在 前后 緣 粘 合 在 一 起 ， 形 成 整 體 葉 片 。 葉片制造3 葉 片 的 加 工 制 造 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 由 于 風(fēng) 輪 在 旋 轉(zhuǎn) 過 程 中 ， 轉(zhuǎn) 動 慣 量 很 大 ， 所 以 當(dāng) 風(fēng) 速 超過 切 出 風(fēng) 速 時 ， 變 槳 調(diào) 節(jié) 的 風(fēng) 電 機(jī) 組 通 過 對 槳 距 角 的 調(diào) 整 可以 實(shí) 現(xiàn) 氣 動 制 動 。 對 于 失 速 控 制 的 風(fēng) 電 機(jī) 組 ， 由 于 葉 片

54、與 輪轂 固 定 連 接 ， 通 常 采 用 可 旋 轉(zhuǎn) 的 葉 尖 實(shí) 現(xiàn) 氣 動 制 動 。 圖 為 一 種 具 有 旋 轉(zhuǎn) 葉 尖 的 制 動 結(jié) 構(gòu) 。 在 風(fēng) 輪 運(yùn) 行 時 ， 葉尖 部 分 和 其 他 部 分 方 向 一 致 ， 形 成 一 個 整 體 。 當(dāng) 需 要 制 動 時， 葉 尖 部 分 繞 葉 片 軸 向 旋 轉(zhuǎn) 90 ， 實(shí) 現(xiàn) 制 動 功 能 。 4 氣 動 制 動 系 統(tǒng) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 葉 片 所 受 的 各 項(xiàng) 載 荷 ， 無 論 是 拉 力 還 是 彎 矩 、 轉(zhuǎn)矩 、 剪 力 都 在 根 端 達(dá) 到 最 大 值 ， 如 何

55、把 整 個 葉 片 上 所承 受 的 載 荷 傳 遞 到 輪 轂 上 去 ， 關(guān) 鍵 在 于 葉 片 的 根 端 連接 設(shè) 計(jì) 。 葉 片 根 端 必 須 具 有 足 夠 的 剪 切 強(qiáng) 度 、 擠 壓 強(qiáng) 度 ，與 金 屬 的 膠 接 強(qiáng) 度 也 要 足 夠 高 ， 這 些 強(qiáng) 度 均 低 于 其 拉彎 強(qiáng) 度 ， 因 此 葉 片 的 根 端 是 危 險 的 部 位 ， 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 予 以重 視 。 如 果 不 注 意 根 端 連 接 設(shè) 計(jì) ， 嚴(yán) 重 時 將 導(dǎo) 致 整 個葉 片 飛 出 ， 使 整 臺 風(fēng) 電 機(jī) 組 毀 壞 。 5 葉 根 連 接 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械

56、工程學(xué)院 法 蘭 連 接 這 種 形 式 的 葉 根 像 一 個 法 蘭 翻 邊 。 在 此 法 蘭上 ， 除 了 有 玻 璃 鋼 外 ， 還 與 金 屬 盤 對 拼 ， 在 金 屬 盤 上 的附 件 與 輪 轂 相 連 。 預(yù) 埋 金 屬 根 端 連 接 在 根 端 設(shè) 計(jì) 中 ， 預(yù) 埋 上 一 個 金 屬 根端 ， 此 結(jié) 構(gòu) 一 端 可 通 過 螺 栓 與 輪 轂 連 接 ， 另 一 端 牢 固 預(yù)埋 在 玻 璃 鋼 葉 片 內(nèi) 。 這 種 結(jié) 構(gòu) 形 式 避 免 了 對 葉 片 根 部 結(jié)構(gòu) 層 的 加 工 損 傷 ， 提 高 了 根 部 連 接 的 可 靠 性 ， 也 減 小 了法

57、 蘭 盤 的 重 量 。 缺 點(diǎn) 就 是 每 個 螺 紋 件 的 定 位 必 須 準(zhǔn) 確 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 6 葉 片 失 效 與 防 護(hù) 措 施a）葉片表面覆冰 b) 表面腐蝕 c)裂紋 d) 極端風(fēng)破壞 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 德 國 某 公 司 對 在 德 國 安 裝 的 20000臺 風(fēng) 電 機(jī) 組 的 葉 片 故障 統(tǒng) 計(jì) 結(jié) 果 ， 其 中 氣 動 部 件 故 障 率 約 為 40%， 導(dǎo) 致 風(fēng) 輪 不平 衡 問 題 （ 氣 動 不 平 衡 、 質(zhì) 量 不 平 衡 、 不 平 衡 超 限 ） 的 故障 也 約 占 40%， 風(fēng)

58、 輪 其 他 故 障 略 低 于 20%。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 葉 片 故 障 主 要 對 葉 片 的 氣 動 性 能 、 主 軸 不 平 衡 以 及 振 動 和噪 聲 狀 態(tài) 產(chǎn) 生 影 響 。 圖 為 表 面 干 凈 葉 片 和 表 面 臟 污 葉 片 的 功率 特 性 ， 臟 污 葉 片 導(dǎo) 致 葉 片 氣 動 性 能 明 顯 下 降 ， 輸 出 功 率 減少 。 葉 片 各 類 故 障 造 成 風(fēng) 輪 旋 轉(zhuǎn) 質(zhì) 量 不 平 衡 ， 對 葉 片 、 變 槳 驅(qū)動 電 機(jī) 、 主 軸 ， 齒 輪 箱 （ 裂 縫 、 損 壞 ） 、 發(fā) 電 機(jī) （ 阻 尼 線 圈

59、的 磨 損 ） 、 電 子 器 件 （ 沒 有 緊 緊 固 定 的 控 制 柜 的 振 動 ） 、 偏航 驅(qū) 動 、 偏 航 制 動 以 及 塔 筒 和 地 基 的 裂 縫 都 將 產(chǎn) 生 影 響 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 熱 膨 脹 性 ： 葉 片 結(jié) 構(gòu) 中 使 用 了 不 同 的 材 料 ， 所 以 必 須考 慮 各 種 材 料 熱 膨 脹 系 數(shù) 的 不 同 ， 以 免 因 溫 度 變 化 而產(chǎn) 生 附 加 應(yīng) 力 ， 從 而 破 壞 葉 片 。 密 封 性 ： 空 心 葉 片 應(yīng) 有 很 好 的 密 封 性 ， 一 旦 密 封 失 效， 其 內(nèi) 必 然 形 成

60、 冷 凝 水 集 聚 ， 造 成 危 害 。 可 在 葉 尖 、葉 根 各 預(yù) 開 一 個 小 孔 ， 以 使 葉 片 內(nèi) 部 空 間 進(jìn) 行 適 當(dāng) 的通 風(fēng) ， 并 排 除 積 水 。 需 要 注 意 的 是 小 孔 尺 寸 要 適 當(dāng) ，過 大 的 孔 徑 將 氣 流 從 內(nèi) 向 外 流 動 ， 產(chǎn) 生 功 率 損 失 ， 還將 伴 隨 產(chǎn) 生 噪 聲 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 雷 擊 保 護(hù) ： 為 了 防 止 被 雷 電 擊 毀 、 支 撐 發(fā) 電 機(jī) 的 塔 架 必 須 用良 好 的 導(dǎo) 線 接 地 。 復(fù) 合 材 料 制 成 的 葉 片 ， 需 要 特 殊

61、 的 防 雷 裝 置。 風(fēng) 力 機(jī) 葉 片 的 防 雷 設(shè) 計(jì) 一 般 有 4種 。 大 型 復(fù) 合 材 料 葉 片 上 預(yù) 防措 施 最 好 是 在 葉 尖 處 沿 整 個 翼 型 外 圍 做 一 個 金 屬 的 尖 帽 ， 從 葉尖 向 內(nèi) 延 伸 8 l0cm。 通 過 安 裝 在 葉 片 內(nèi) 部 的 金 屬 導(dǎo) 線 連 接 到 葉根 部 的 柔 性 金 屬 板 上 ， 并 經(jīng) 過 塔 架 內(nèi) 的 接 地 系 統(tǒng) ， 將 雷 擊 電 流接 地 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 葉 片 除 冰 系 統(tǒng) 針 對 一 些 地 區(qū) 容 易 造 成 葉 片 覆 冰 的 環(huán)境 條 件

62、 ， 提 出 了 多 種 解 決 覆 冰 問 題 的 方 案 。 如 葉 片 表 面采 用 特 殊 的 防 冰 涂 層 、 葉 片 中 安 裝 覆 冰 報 警 及 除 冰 系 統(tǒng)等 。 圖 為 兩 種 葉 片 除 冰 系 統(tǒng) 的 概 念 設(shè) 計(jì) 示 意 圖 。 除 冰 系 統(tǒng) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 輪 轂 是 連 接 葉 片 與 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 軸 的 部 件 ， 用 于 傳 遞 風(fēng) 輪 力和 力 矩 到 后 面 傳 動 系 統(tǒng) 的 機(jī) 構(gòu) 。 分 類 ： 固 定 式 輪 轂 、 葉 片 之 間 相 對 固 定 鉸 鏈 式 輪 轂 和各 葉 片 自 由 的 鉸 鏈 式 輪

63、轂 。 輪 轂 1 固 定 式 輪 轂 特 點(diǎn) ： 主 軸 與 葉 片 長 度 方 向 夾 角 固 定不 變 ； 制 作 成 本 低 ， 維 護(hù) 少 ， 不 存 在 鉸接 葉 片 的 磨 損 問 題 ； 但 葉 片 上 全 部 力 和力 矩 都 經(jīng) 輪 轂 傳 遞 到 后 續(xù) 部 件 。 目 前 大 型 三 葉 片 風(fēng) 輪 常 用 結(jié) 構(gòu) ， 輪轂 形 狀 比 較 復(fù) 雜 ， 通 常 采 用 球 磨 鑄 鐵 制成 ， 澆 注 方 法 容 易 成 形 與 加 工 ， 球 磨 鑄鐵 抗 疲 勞 性 能 高 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)

64、院 鉸 鏈 使 兩 葉 片 之 間 固 定 連 接 ， 軸 向 相 對 位 置 不 變 ， 但 可繞 鉸 鏈 軸 沿 風(fēng) 輪 拍 向 在 設(shè) 計(jì) 位 置 做 正 負(fù) 5 10 的 擺 動 ， 類似 蹺 蹺 板 。 當(dāng) 來 流 速 度 在 葉 輪 掃 風(fēng) 面 內(nèi) 上 下 有 差 別 或 陣 風(fēng) 出現(xiàn) 時 ， 葉 片 的 載 荷 使 得 葉 片 離 開 設(shè) 計(jì) 位 置 ， 若 位 于 上 部 的 葉片 向 前 ， 則 下 方 的 葉 片 向 后 。 由 于 兩 葉 片 在 旋 轉(zhuǎn) 過 程 中 的 驅(qū)動 力 矩 變 化 很 大 ， 因 此 葉 輪 會 產(chǎn) 生 很 高 的 噪 聲 。 葉 片 被 懸

65、掛 的 角 度 與 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 速 有 關(guān) ， 轉(zhuǎn) 速 越 低 ， 角 度 越 大。 具 有 這 種 鉸 鏈 輪 轂 式 的 風(fēng) 輪 具 有 阻 尼 器 的 作 用 。 當(dāng) 來 流 速度 變 化 時 ， 葉 片 偏 離 原 懸 掛 角 度 ， 其 安 裝 角 也 發(fā) 生 變 化 ， 一片 葉 片 因 安 裝 角 的 變 化 升 力 下 降 ， 而 另 一 片 升 力 提 高 ， 因 而產(chǎn) 生 反 抗 風(fēng) 向 變 化 的 阻 尼 作 用 。 2 葉 片 之 間 相 對 固 定 鉸 鏈 式 輪 轂 （ 早 期 應(yīng) 用 ） 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 3.各 葉 片 自 由 的 鉸

66、 鏈 式 輪 轂 輪 轂 的 每 個 葉 片 之 間 互 不 依 賴 ， 在 外 力 作 用 下 ， 可 單 獨(dú) 做 調(diào)整 運(yùn) 動 。 這 種 調(diào) 整 不 但 可 做 成 僅 具 有 拍 向 椎 角 的 形 式 ， 還 可 以 做成 拍 向 、 揮 向 角 度 均 可 以 變 化 的 方 式 。 理 論 上 講 ， 采 用 這 種 鉸 鏈 結(jié) 構(gòu) 可 保 持 恒 速 運(yùn) 行 。 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 現(xiàn) 代 大 型 并 網(wǎng) 風(fēng) 電 機(jī) 組 多 數(shù) 采 用變 槳 距 機(jī) 組 ， 其 主 要 特 征 是 葉 片 可以 相 對 輪 轂 轉(zhuǎn) 動 ， 實(shí) 現(xiàn) 槳 距 角 的 調(diào)節(jié) 。 主 要 作 用 ： 在 正 常 運(yùn) 行 狀 態(tài) 下 ， 當(dāng) 風(fēng) 速 超 過 額定 風(fēng) 速 時 ， 通 過 改 變 葉 片 槳 距 角 ，改 變 葉 片 的 升 力 與 阻 力 比 ， 實(shí) 現(xiàn) 功率 控 制 。 當(dāng) 風(fēng) 速 超 過 切 出 風(fēng) 速 時 ， 或 者 風(fēng) 電機(jī) 組 在 運(yùn) 行 過 程 出 現(xiàn) 故 障 狀 態(tài) 時 ，迅 速 將 槳 距 角 從 工 作 角 度 調(diào) 整 到 順槳 狀 態(tài)