微小型风力发电笔记

1、微小型风力发电机桨叶损坏原因及计算方法的分析近几 年 来 ，内蒙地区安装使用的微小型风力发电机组已达 7万多台，机组容量 多为 50瓦、100瓦，用于解决电网外边远农牧区家庭照明、看电视等用电，使用效果 基本良好，受到广大农牧民的欢迎。 在以往实际使用中发现， 现有各种小型机组尚存在 质量不过硬、可靠性不高的问题， 主要是风轮的零部件易发生故障和损坏， 不能保证长 期连续安全运行。根据 对 内 蒙电管局应用试点范围内安装的 475台风机历时三年的考察， 累计发 生了风轮部件损坏事故 45次，发生损坏的台数占该类风机安装总台数的 9,6%。这 45 次事故，全是风轮桨叶或其联结构件的损坏， 其中

2、，桨柄折断34次，占总次数的 76%,风轮 迥转盘断裂 11次，占24%。运行三年中，在停机状况下最高经受 29米 / 秒大风，所有风 机无损坏，证明这些机组的静态载荷计算正确， 能满足抗大风张度的要求。 事故都是 在运行状态下发生。二 、损 坏 原 因我们 所 考 察的风机，都是通过正式技术鉴定定型和产品鉴定，由批准的定点 生产厂家生产制造的， 已成为商品性风机成批投放市场， 其重耍工作部件仍普遍发生损 坏，尤其是桨叶大量折断， 是一个值得枢视的问题。 分析机件损坏的原因， 主要有五个 方面的问题 :1、材 质 不合标准。在桨柄和迥转盘折断处，常发现有气孔或裂隙，说明厂家 对材料的选用要求不

3、严， 尤其近年钢材紧缺， 采用了一些不合标准的钢材， 材质检验 工作也不严细。2、工 艺 水平低。据了解， 一般厂家制造风 1JlO1 工装尚不完备，工艺较落 后，桨叶成型工艺多为手工操作，因而质量很不稳定。3、结 构 缺陷。现有风机采用的几种限速机构，限速功能都不够理想，运行一 段时期就往往发生卡住或不能复位而失去限速作用，造成超速 ll- 车”而损坏。4、风 轮 动态载荷计算和桨叶强度设计有缺陷。5、管 理 维护不善， 大风时没有人工刹车停转， 或者高速时猛力刹车经常受到 很大的惯性动量冲击而损坏。 三、现行风轮设计计算方法的缺陷及改进意见 风机 均 为 水平轴风机，对其动态载荷和桨叶强度

4、设计，都是采用传统的计算 方法，即考虑风轮气动力矩、 风的正压力、桨叶旋转时的离心力和自重力四项基本荷载， 按最大的组合荷载和最危险截面校核构件的应力强度。载荷计算公式为 :气动力矩M二p nR V2 田正压力 （P=13pnR V2离心力 S= Qg Ri 0）式中:P 空气质量密度（千克一秒2/米）R 风 轮 半 径（ 米）V 风 速 （ 米/ 秒）。 风 轮 旋 转角速度 （ 弧度 / 秒）B实际正压力与理论正压力之比，风轮静止时 BT1Q 桨 叶 的 重量（ 千克 ）g- 屯 力 加 速度Ri 桨 叶 的 转动惯址半径 （ 米） 以桨柄根部最小截面处的内应力校核其安全强度， 各种载荷产

5、生的内应力计算公 式 为:PYmW t S + Q aSQ， n . 币犷一M一 w1一 nSm1ap=n 式中 : n- 桨叶个数，W -桨柄抗弯截面摸数（厘米。），直径为d的园形截面W=Y 正 压力P合力点距桨柄根部校核截面的距离（r米）;F 校 核 截 面 面 积 （ 厘米 :） 。上述 传 统 计算方法有许多缺陷 : 一是将诸载荷视为二维平面力系， 是按静平衡 结构力学方法处理的。 实际上， 桨叶旋转时的载荷是三维空间力系， 而且是频繁交变 载荷，以平面静定结构力学方法处理不符合实际， 二是有的风机在计弃中载荷组合考虑 不全面，没有典正选取级大的组合位 ; 三是忽视了桨叶受力后的形变应

6、力，四是没有 计及桨叶的振动以及由此产生的材料弹性疲劳， 五是没有考虑可能发生的风轮失控超速 和高速时人工猛力刹车所产生的意外受力，或老是对此估计不足。笔者 认 为 ，快速风轮桨叶的动态特性，与直升飞机的旋翼最为类似。以现代 气动弹性力学理论设计计算直升机翼巳有较完善的方法 （见有关专业教科书 ） ，能取得较 满意结采。设计大型水平轴风轮， 最好也参照直升机翼的方法。 对于几十瓦几千瓦的微 型小型风机，没有必要进行繁琐的精确计算， 仍可采用传统的简易方法， 但应作一些改 进。具体建议是 :1、 计 算 桨叶根柄动态载荷要考虑两种情况， 一是桨叶在水平位置时， 二是桨 叶垂 直向下时。第一种情形

7、，桨叶根柄最危险截面的应力计算取四种载荷组合 : 在风 轮旋转平面为，气动力矩Ma自重力产生的力矩MG离心力S;在垂直方向为，风的正压力产生的力矩Mp,第二种情形，也取P9种载荷组合，除取Ma, Mp, S之外，应将风轮 的陀螺力矩M计入，取代自重力矩MG陀螺力矩Mr二2J （Ai U）, J 为桨叶对风轮旋 转轴的转动惯量 ,0为风轮旋转的角速度， 。;为绕塔架轴线的转向角速角。 ）最后取两种 载荷组合的大者作为设计值。以往 一 般 设计都不计陀螺力矩，因而只按桨叶在水平位置一种情况计算。由 于内蒙地区的风向极不稳定， 微型风机风轮转速较高， 对风转向也较灵活， 陀螺效应是 很强的，其产生的

8、力矩往往大于桨叶自重力产生的力矩 （小型风机桨叶重量都很轻 ），所以 进行两种情形的载荷组合以供选择是完全必要的。2、 在 空 气流动的作用下，风轮、桨叶以至整个机组都要产生形变和振动，如 果振 动过于强烈，就会造成结构破坏，因此，在风机设计时，应考虑气动弹性振动问 题。过去人们虽然知道这个问题很重要， 由于风机振动规律很复杂， 弹性振动频率计算 方法也较繁难，所以在小型风机上就不予考虑和计算。 近年来随着电子计算机广泛应用， 进行 桨叶横向弯曲振动和扭转振动特性计算就比较容易了，许多新的计算方法如能量法、传 递矩阵法、有限单元法、分站推算法等，都能保证必要的计算精度。今后在设计 小型风机时，

9、都应进行振动特性计算，校核桨叶的抗振强度。3、 风 机 设计时应考虑在牧区、边远地区地广人稀、风速多变、管理维护水平低等 实际使用条件，在限速机构失灵发生“飞车”超速是难以完全避免的。除应大力 改进限速机构性能外，为提高安全可靠性，建议设计超速系数取为1,5八-2（现国内多取 1,2,苏美等国均取1,5A-2）。4, 风 机 桨叶由于频繁交变载荷不断的产生变形和振动， 导致弹性疲劳而损坏， 这是各种损坏因素中最重要的一个因素。 微型机单独一台似乎价值不高， 但其产量 很大（仅 内蒙地区现在一年生产量就达 3万台） ，而且使用的社会影响也大。 作为大批 量商 品风机必须具有较好的可靠性和一定年限

10、的使用寿命 （笔者认为至少不应低于 10 年，桨叶寿命4一5年。 ）建议小型风机设计时，应制出桨叶样品进行整体的结构疲劳强 度试 验，核算实际强度衰变周期，估计可能的使用寿命。达不到要求的使用寿命，应 修改设计提高结构强度。5、把 好 制造质量关，从材质选用，工装和工艺流程，零件设计，产品检验等 都要按设计要求进行。对小型风力发电机限速机构的探讨 内蒙商都牡机厂陈有利 何谓 小 型 风机，尚无公认的界限，但无论 界限定为哪一个址级，它有一个显著统一的使 用特点，即不会是若干台风机并网运行，提供 固定周波的交流电。它都是向蓄电池充电，再 由蓄电池向用电器供电，或采用边充边供电浮 充方式。由此决定

11、不需要严格控制输电周波的 平稳，即不需要在风速大幅度变化时，随时调 节凤机转速，使发电机转速稳定，致使输电频率符合要求。另则，即使做到达一点，调速系 统的造价是会很高的，使风机成本大幅度增 加，也是不适当的。总之，小风机是不需要调 速的。调速 与 限 速是两个不同的概念。既然不 iTI,要Mi速，是否设置限速机构。有的认为不加限 速，理山是对于小型风机，尤其是几百瓦甚至 几十瓦的风力发电机，本来输出很少，如加限 速，则束缚了其能力的发挥，应在保证强度足 够的前提下，让共充分地去捕捉自然能量，以 便为使用者最大限度地提供效益。有的认为应 该加以限制，理由为安全可靠。经久耐用是对 风机的一个首要使

12、用要求，无论理论和实践都 证实，凤机破坏的一个主要原因，就是风轮转速 高，又不可控，up所谓“飞车”造成的。因风 轮虽经平衡，但必竟会有误差，即使重心位置 与回转轴线有一很微小的距离，但因离心力与 转速的平方成正比，在高转速时，就是一个相 当可观的数字。它是导致风机振动，风叶破 坏，旋转轴折断的一个主要原因。共二，风能 与风速的立方成正比，而一般小型风机配用的 发电机容见余度较小并不会随转速的增加输出 功率一直增加，而是超过某一转速后输出基本 保持不变。因之，达不到充分捕捉自然能量， 增加受益的目的。实际结果是，风轮充分捕捉 了能量，受益增加不了，整机破坏性反倒加 剧。我们 认 为 应该设置限

13、速机构，自从 1974年 开始与农科院草原研究所共同研制 FD1.5- 100型风力发电机至今 +二年，正反两方面的 实践都证明，这种看法是正确的。我们不但努 力研制一种既简单可靠又成本低的自动限速机 构，而且增设手刹车系统，以利于维护保养或 其它需停机时使用。时至今日，共研制井经风 洞、车载和自然风场试验了以下 n种，其中摩 擦限速式六种，改变桨叶攻角的二种，改变风 轮迎风面积的三种，现将其工作原理，实地试 验情况及我们的粗浅看法分述如下 :一、摩擦限速类1. 风铲扭簧摩擦限速式结构简图 （ 图1 ）I I I图1.L 作 原理 : 当吹动风铲的凤力，通过各构 件转换后大于扭簧原始调整值，拉

14、动刹车带刹 车限速。试验 情 况 : 初期有限速作用。后因扭簧及 各活动关节锈蚀失灵动作后，部分风力用于刹 车，刹而不死，常处于摩擦转动状态。2. 风 铲 拉簧限速式结构简图 （ 图2）:（娜 0 iix ）风Il 风图2确认上吸在 6a转件乎由二工作 原 理 : 当吹动风铲的凤力，通过各构 件转换后大于拉簧的原始拉力时，拉动刹车带 刹车限速。试 验情 况 : 有限速作用。复位动作较上可 靠灵恬。动作后，部分风力用于刹车刹而不死。3。 风 铲 磁铁摩擦限速式结构简图 （ 图3）: 工 作原 理 : 当吹动风铲的风力，通过各构 件转换后，大干磁铁的弓 ! 力时，拉动刹车带刹 车。试验 情 况 :

15、 经 29墓地凤洞试验有突放性的 制动特性，动作后风力全部用于刹车，复位风 速较低。4. 风 铲 磁铁摩攘限速式结构简图 （ 图4）:（ 现采用的结构 ）工作 原 理 : 当风吹动风铲的风力，通过各 构件转换后，大于磁铁的弓 I 力时，拉动刹车带 刹车。图4试验 结 果 : 经 29基地风洞试验有突放性的 制动特性，动作后风力全部用于刹车。复泣风 速较高。性能为开始限速风速为 16.1米/ 秒， 复位风速为 8米/ 秒。6. 风 铲 磁铁魔协限速式结构简图 （ 图5）,IM 5工 作原 理 : 当风吹动凤铲的风力，通过各构件转换后，大于磁铁弓 力时，拉动刹车带刹车。试验结果：经2s基地风洞试验

16、有突放性限 速性能，并有一定的阻尼作用。动作后全部风 力用于刹车。复位凤速低。成本较上述两种 高。8. 离 心 飞块摩擦限速式结构简图 （ 图e ）：4凤抢闰抽工 作 原理 ： 随着风速的增大，风轮的正面 压力增加，对回转轴心产生力距，当此力距大 干拉费拉力力距时，风轮旋转，减少迎风面 积，致使风轮转速降低，起限速作用。试验 结 果 ： 经车载和自然风场试验有限速 作用。但因风速，风向频于变化，整机频繁左右 摇晃，甚至转整圈，振动很大，不能稳定正常工 作。也是导致风轮破坏的一个原因。2。机 头 铰接凤轮上仰限速式，结构简图（ 图 8）.6.5 刹车乞图 6 I 钓 a工作 原 理 ： 信号取白

17、于风轮转速。当转速 嘈高时，离心力增大，克服拉簧 （ 压簧） 的拉 （压） 力，与刹车壳摩擦限速。试 脸结 果 ： 有限速作用。刹而不死，后因 葡6飞锤导向问题未解决好，产生扭歪，撕刮 衬车带而中断试验。二、改变偏侧限速类1. 偏 心 拉簧式 （使风轮在水平面内旋 转，改变迎风面积 ），结构简图 （ 图7）： 工作 原 理 ： 随着风速的增大，凤轮的正面 压力增加，对铰接点的力距增加，当此力距大 于重锤对铰接点产生的力距时，风轮绕铰接点 在垂直平面内旋转上仰，减少迎风面积，使风 轮转速下降，起限速作用。试验 结 果 ; 经自然风场试验有限速动作。 但因风向风速频于变化，机头频繁上下振动， 不能

18、稳定地处于某一仰角状态工作。后因重锤 臂振动断裂，中断试验。如增加阻片或仰制机 构是有希望成功的。3. 双 尾 翼改变风轮迎风面积限速式，结 构简图 （图 9）：/ 砂、心卜厂从Ml 7 图 9工作 原 理 : 在风力的作用下，侧冀受力， 对回转轴产生力距，使机头旋转，改变迎风面 积，转速下降，起限速作用。试 验结 果 : 经自然风场试验有限速作用。 能稳定工作。但共在风机工作风速段 UU有偏 侧，不能使凤轮正迎风，充分利用风能，受益 才月对较小。风三、改 变 桨叶攻角限速类1. 利 用 风压改变桨叶攻角限速式，结构 简图 （图10）:图11从图10工作 原 理 : 利用风叶上受到的风压，对桨

19、 叶轴产生的力矩，使桨叶转动，改变攻角，起 限速作用。试 验 结果 : 经凤洞试验，因桨轴中心位 I9L 等各参数选择不当，无限速作用。2. 离 心 飞杆改变奖叶攻角限速式，结构简图（ 图11）:工 作原 理 : 利用飞杆离心力的一个分力， 对桨叶轴产生的力矩，使桨转动，改变攻角， 起限速作 月。利用压簧进行相对控制，决定限 速动作开始转速及限制范围。试 验结 果 : 经风洞和实际试验都有良好的 限速性能。其关键在子确定和调整弹簧的松紧 程度及刚度。综上 所 述 ，对比这三种限速类型，摩擦限速类结构简单，成本低，易于维护，便于推广使用。共限速信号取自于风力，因白然风场的风千变万化，导致其限速性能有些波动。在这 一类型中，以风铲磁铁限速式为好，白具有突 放性的刹车作J月，其全部风力川于制动，我们 取16米/秒为开始刹车风速，在此之前，不加 限制，it共充分利川。变桨叶攻角限速式，结 构紧埃，共RA速信号取自于转速，但共结构较 复杂些，成本较高。共中以飞杆变桨距式为 好。风轮偏侧式结构比较简单，有限速作