风力机原理基础知识

1、第二章 风速风速它表示空气在单位时间内流过的距离，单位是m/s或km/h。 风向风向是指风吹来的方向 流过气流的质量流过气流的质量便是 因此在时间t内，流过该截面的风能风能就是 在单位时间内流过该截面的风能，即为风功率风功率 为了衡量一个地方风能的大小，评价一个地区的风能潜力，风能密度是最方便和有价值的量。风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能。将风功率式除以相应的面积A，便得到平均风能密度平均风能密度公式。 mVA v t312Ev At312Wv A312wv 风廓线风廓线一定地面粗糙长度下，风速随距地面高度变化（1） 为统计数据（2）n含有表面粗糙长度的影响 地表面粗糙度（3

2、） 是距零风速平面的高度，不是地面00nvHvH2000.004ln0.003(ln)0.24nzzv0v0H0z风向频率风向频率，就是将某一段时间内(月、季、年)风向观测的次数，按方位分类统计，然后以每一方位的观测次数，除以该段时间内观测的总次数，再乘以100即得到各种风向的风向频率。 风速风速频率频率，又称风速的重复性，它是指在一个月或一年的周期中发生相同风速的时数，占这段时间刮风总时数的百分比。 将风速频率乘以全年小时数8760，即得到一年中某一风速的小时数；比如4ms时，风速频率f18，那么该风速的小时数为：0.1887601576.8h。 风速风速的瑞利分布的瑞利分布 ，得到某一特定

3、地点一年或甚至更长时间内的风速数据之后，瑞利分布能够以适当的精度来描述风速的分布情况。这时所需要的最重要的参数是风速的平均值。对于低于4.5m/s的风速，瑞利分布的可靠性较差。对于风速的平均值小于每小时3.6m/s的地点，根本不能使用瑞利分布。 瑞利分布的公式公式：瑞利分布合理地描述了在一些地方风速的特性。 风速平均值； 287602kvev小时V24VVk1416. 3718. 2e我国进行我国进行风能区划时，主要考虑三个因素风能区划时，主要考虑三个因素：(1)风能密度和利用小时数风能密度和利用小时数，风能密度愈大，风力机利用效率就愈高。(2)风能的季节变化。风能的季节变化。这也是设计蓄电装

4、置和备用电源的重要参数。(3)风力机最大设计风速风力机最大设计风速( (即极限风速即极限风速) )。第三章第三章风能风能利用系数利用系数Cp：风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系用Cp表示叶尖叶尖速比速比 为了表尔风轮运行速度的快慢，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比VRVRn2 实实度度 风轮的叶片面积与风轮的扫风面积之比称实度。它也是它也是描述风力机特描述风力机特性的重要特征性的重要特征数数 贝兹理论贝兹理论 第一个关于风轮的完整理论,贝兹理论是应用一元定常流应用一元定常流动的动量方程，来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。动的动量方程，来讨论理想状态

5、下的风力发电机的最大风能利用系数。贝兹理论的假设条件风轮流动模型可简化成一个单元流管；风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘, ；风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；对通过风轮的气流没有阻力。 风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即P1=P2 ，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的；作用在风轮上的推力是均匀的。第一个关于风轮的完整理论是山哥廷根研究所的A贝茨建立的。贝兹极限贝兹极限 : 风能利用系数593.02716PCPC第四章叶片叶片震动震动1.风轮旋转时，叶片自重力与长度方向的夹角周期性变化2.风廓引起的风速不均3.风轮不能精确对风4.风速的紊流、

6、脉动5.陀螺效应刹车刹车装置装置机械刹车机械刹车：在低速轴刹车，在高速轴刹车刹车设在低速轴时，制动力直接作用在风轮上，可靠性高，刹车力矩不会成为齿轮箱的负载。但在一定的制动功率下，刹车力矩大，结构布置方面较困难。刹车设在高速轴的优缺点与低速轴的相反。空气动力刹车空气动力刹车：1. 变桨距刹车 2.叶尖扰流器 改变叶片攻角使其失去升力，控制风力机转速。 叶尖扰流器的叶片在弹簧力和离心力的作用下形 性成阻力板。阶阶振动振动1 1阶反对称阶反对称1 1阶对称阶对称2 2阶反对称阶反对称2 2阶对称阶对称轴向窜动轴向窜动圆盘效应圆盘效应对对风装置风装置自动对风机舱：将风轮置于下风向，置于下风向的风轮能

7、自动对风，不必另行设置调向装置。 常用在大、中型风力发电机上。由于下风向风轮调向易使风轮随风向变化而摆动，需加阻尼器。缺点：缺点：在小风速下启动、对风要借助外力进行，单叶片，两叶片风轮对风不稳定。当叶片转到塔架下风向的紊流区时产生振动，易使叶片梁与轮毂的连接处产生疲劳断裂。同时叶片在塔架的紊流区内不能正向接受风能。优点：优点：自动对风，无需专门的对风 装置。不会对塔架产生扭转振动激烈。结构简单，尾尾舵舵对风对风是最常用的一种对风装置，它广泛用于小、微型风力机，舵轮对舵轮对风风：用于中型风力机舵轮是装在风轮后面，其旋转面与风轮扫掠而相垂直的两个平行的多叶式小风轮。舵轮的轴带动由圆锥齿轮及圆柱齿轮

8、组成的传动系统 主动偏航系统主动偏航系统由风向标、偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置、偏航行星齿轮减速器，回转体大齿轮等部分组成。 偏航偏航计数器计数器是记录偏航系统旋转圈数，当偏航系统旋转的圈数达到设计所规定的初级解缆和终极解缆圈数时，计数器则给控制系统发信号使机组自动进行解缆. 纽纽缆缆保护装置保护装置（必备装置） 作用：失效保护。纽缆保护装置一般由控制开关和触点机构控制开关和触点机构组成，控制开关安装在机组的塔 架内壁的支架上，触电机构安装与机组悬垂部分的电缆上。当机组悬垂部分的电缆纽绞到一定程度后，触电机构触发控制开关，使机组进行紧急停机。 功率调节功率调节当

9、风速达到某一值时，风力发电机组达到额定功率。由于风速和功率是三次方的关系，风速再增加，发电机就会过载，必须有相应的功率调节措施，使机组的输出功率不再增加。目前主要有两种调节功率的方法，都是采用空气动力方法进行调节的。一一种是定桨距（失速）调节方法；种是定桨距（失速）调节方法； 一种是变桨距调节方法一种是变桨距调节方法。定桨距（失速）调节定桨距（失速）调节方法方法优点：1）叶片和轮毂之间无运动部件，轮毂结构简单，费用低；2）没有功率调节系统的维护费;3) 在失速后功率的波动小。缺点：1）气动刹车系统可靠性设计和制造要求高 ；2）叶片、机舱和塔架上的动态载荷高；3）由于常需要刹车过程，在叶片和传动

10、系统中产生很高的机械载荷；4）起动性差；5）机组承受的风载荷大；6）在低空气密度地区难以达到额定功率。变桨距变桨距控制控制优点：1）起动性好；2）刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降； 3）额定点以前的功率输出饱满； 4）额定点以后的输出功率平滑； 5）风轮叶根承受的静、动载荷小。缺点:1)由于有叶片变距机构、轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高。2)功率调节系统复杂，费用高。 自动自动解缆解缆当机舱向同一方向累计偏转2.3圈后，若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出，则停机，控制系统使机舱反方向旋转2.3圈解绕； 若此时机组有功率输出，若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时,则

11、停机,解绕；若因故障自动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，自动停机；等待人工解缆操作。 紧急停机紧急停机故障故障执行如下操作：首先切除补偿电容器，叶尖阻尼板动作，延时0.3秒后卡钳闸动作。检测瞬时功率为负或发电机转达小于同步转速时，发电机解列（脱网），若制动时间超过20秒，转速仍未降到某设定值，则收桨，机舱偏航90度背风。第五章第五章第六章升力、阻力曲线埃菲尔极线将各攻角对应的升力系数和阻力系数绘制在横坐标是阻力系数、纵坐标是升力系数的坐标内，所形成的曲线。由图可知： 切点处升阻比最大DLCC /cot 埃菲尔极线埃菲尔极线含义：含义：曲线上的每一个点与原点的连

12、线代表总气动力系数的大小和方向自然我们可以在埃菲尔曲线上找到升力阻力和总气动力的真实关系。过原点的射线与埃菲尔极线相切的点所对应的攻角是最佳攻角。 叶片叶素叶片叶素叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，如前面所述，多个圆环，半径r，径向宽r。在每个叶素上作用的气流相互之间没有干扰，作用在叶片上的力可分解为升力和阻力二维模型，作用在每个叶素单元的合成流速与叶片平面的夹角为攻角。翼型特征系数CL和CD随攻角的改变而改变。 相似理论相似理论相似条件 ：根据相似理论，要保证气体流动过程相似，必须满足几何相似、几何相似、运动相似、动力相似运动相似、动力相似1.几何相似几何

13、相似 几何相似是指模型（以下用m代表）与原型风力机的几何形状相同，对应的线性长度为一定值 hD风轮轮毂直径。2.运动相似运动相似空气流经几何相似的模型与原型机时，其对应点的速度方向相同、比值保持常数，称为运动相似，即满足以下条件： vmmmmmmmuuuuvvvvvv00002211式中 ， 风力机、模型的前方风速； ， 通过风轮时的气流速度； ， 风轮后方的气流速度； ， 原型机和模型对应叶素上气流的相对速度； ， 叶尖气流的切向速度； ， 原型机和模型对应叶素上气流的切向速度。 1vmv1vmv2vmv20m00umu0umu动力相似动力相似 动力相似是指满足几何相似、运动相似的模型与原型

14、机上，作用于对应点力的方向相同、大小之比保持常数。这里所讲的作用于气体的力除了因压力分布形成的推理和切向力外，还包括惯性力以及黏性力。 相似相似结果结果 、22mmDnnD lCdC因为风力机相似，所以它们对应叶素上的、的值都相等，muDuDmmmDVDV11min11045)7 . 4(min500222rrDDnnmm局限性局限性 计算例题Dmw100P mDmsmv813z.55mm 11 已知实际风力机的风轮直径为1.4，选取模型的风轮直径为0.3实际风速翼型选取NACA4415，叶片数尖速比试验风洞的大小为min500nr 根据几何相似，由已知条件得 7 . 43 . 04 . 1m

15、mDDmmmvvm11smsmmvvm6 .377 . 48111010mmmvuvu5 . 5m5 . 510vusmsmvu4485 . 55 . 510600DnusrmsmDun3004 . 114. 3446060022mmDnnD min11045)7 . 4(min500222rrDDnnmm2323mmmmDvPDvP第七章垂直轴风力机特点： 无对风装置无对风装置 能量传递转换装置在地面能量传递转换装置在地面 便于维护保养，降低了制造和运行费用便于维护保养，降低了制造和运行费用 受边界层影响，地面风速较低，输入风能大打折扣受边界层影响，地面风速较低，输入风能大打折扣 每叶片运行中力的大小不断发生周期性变化每叶片运行中力的大小不断发生周期性变化 升力型垂直轴风力机不易启动升力型垂直轴风力机不易启动第八章1）以风轮轴线为中心的）以风轮轴线为中心的旋涡旋涡2）附着在各叶片上的）附着在各叶片