动力网站风力发电设计基础

1、4）、风力发电机的主要机型按功率调节方式分：定桨距（失速型）机组变桨距机组 组合成多种机型按叶轮转速是否恒定分：定速风力机变速风力机 其它机型 主动失速型 无齿轮箱型 海上机组5）基本技术特征及发展趋势z 基本技术特征水平轴、上风式、三叶片6）主要零部件简介叶轮z 由叶片和轮毂组成z 是机组中最重要的部件：决定性能和成本z 目前多数是上风式，三叶片；也有下风式，两叶片。z 叶片与轮毂的连接：固定式，可动式。z 叶片多由复合材料（玻璃钢）构成。传动系z 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。z 齿轮箱有两种：平行轴式和行星式。大型机组中多用

2、行星式（重量和尺寸优势）。z 有些机组无齿轮箱。z 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。机舱与偏航系统z 包括机舱盖，底板和偏航系统。z 机舱盖起防护作用，底板支撑着传动系部件。z 偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的大齿轮。z 上风式采用主动偏航，由偏航电机驱动，由偏航控制系统控制。z 偏航刹车用来固定机舱位置。z 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。z感应电机由于可靠、廉价、易于接入电网而得到更多的使用。z变速运行时，电气系统的将更复杂和昂贵。z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

3、行。塔架与基础z塔架有钢管、桁架和混凝土三种。z塔架高度通常为叶轮直径的11.5倍。z塔架的刚度在风力机动力学中是主要因素。z对于下风式机型，必须要考虑塔影效应、功率波动和噪声问题。控制z 控制系统主要控制机组的运行和功率的产生。z 控制系统主要包括：传感器：转速、位置、气流、温度、电流、电压等；控制器：机构、电路和计算机。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。z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；使能量产生最大化。1.2. 风力发电机设计总论 风力发电机组的主要部件传动系统 发电机机舱偏航系统叶轮塔架控制系

4、统基础风力发电机的主要部件z 典型的水平轴风力发电机：叶轮包括叶片和轮毂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，以及变流器风力发电机设计的主要内容叶片数目（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：刚性或铰接功率控制：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驱动1.2.1. 设计要求与过程z 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。z 能量成本受许多因素影响，但主要有两个： 机组本

5、身的成本（机器、安装、运行、维护等）； 年发电量（设计和风资源）。z 设计的基本要求： 单个零部件的成本最低，重量尽可能轻； 足够的强度承受可能的极限载荷； 运行可靠，最低的维护费用； 足够的疲劳寿命。1.2.2. 风力发电机总体布局z 风力机总体布局中的选项：叶轮轴线的方位：水平或垂直；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。1）、叶轮轴线的方位：水平或垂直z 大多数现代机是水平轴（平行或近似平行于到面）HAWT。z 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。

6、叶轮扫略面的平均高度可以更高，利于增加发电量。z垂直轴机组的优势：无需偏航。叶片定弦长，无扭曲。传动系位置可降低。2）、叶轮功率控制：失速、变桨距z 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）、叶轮功率控制：失速、变桨距z 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。z 其它控制方式气动表面控制；偏航控制。3）叶轮方位：上风式或下风式z 上风式：须主动偏航；塔影效应小；叶根弯曲应力大。叶轮方位：上风式或下风式z下风式：可自由偏航；减少或消除叶根弯曲应力。有塔

7、影效应（气动力减小、叶片疲劳、噪声）。4）偏航：自由式或主动式水平轴机组必须考虑偏航问题。z 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。z 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。、机组载荷z 总体布局完成后，必须考虑载荷，使机组能够承受得住。z 载荷以力或力矩的形式表示。z 机组零部件的设计考虑两种载荷：极限载荷（最大载荷乘安全系数）；疲劳载荷。z 作用在风力机上的载荷分为五类：稳定载荷（包括静载荷）；周期载荷；随机载荷；瞬态载荷；谐振载荷。载荷及其来源平均风设计载荷z 设计风力机必须使其满足一系列条件：正常运行条件；

8、极限条件；疲劳条件。z 设计过程中对载荷的考虑确定风的条件范围；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。z 国际或机构标准（IEC、GL等）本章完第二章风资源概述z 风的一般知识风的形成风向与风速z 风的统计学风向频率风速频率z 风的能量2.1 风的一般知识一、风的形成z 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风。z 全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此。z 风能是太阳能的一种表现形式。二、风向与风速风向： 风向来风的方向。通常说的西北风、南风等即表明的就是风向。陆地上的风向一般用1

9、6个方位观测。即以正北为零度，顺时针每转过22.5为一个方位。风向的方位图图示如下。N S 风速：风速空气流动的速度。用空气在单位时间内流经的距离表示；单位：m/s或km/h；是表示风能的一个重要物理量；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V1。而由伯努利方程，必使：P2 CT时，CL 下降。z 当=0(0) 时，CL=0，表明无升力。0 称为零升力角，对应零升力线。4、翼剖面的阻力特性用阻力特性曲线来描述。CD CDmin CDmin 两个特征参数：最小阻力系数CDmin及对应攻角CDmin 。五、极曲线CLmax 在风力机

10、的设计中往往更关心升力和阻力的比值升阻比L/D以及最佳升阻比。通过极曲线（又称艾菲尔曲线）来讨论。有利CDmin CDmin 说明：六、压力中心压力中心：气动合力的作用点，为合力作用线与翼弦的交点。作用在压力中心上的只有升力与阻力，而无力矩。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、雷诺数对翼型气动力特性的影响z 关于雷诺数层流与紊流：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/ 临界雷诺数Recr： ReRecr 紊流雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力之比。z 雷诺数的影响考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着雷诺数的增

11、加：升力曲线斜率，最大升力系数与失速攻角均增加；最小阻力系数减小；升阻比增加。3.2 叶轮空气动力学基础叶轮的作用：将风能转换为机械能一、叶轮的几何描述z 叶轮轴线：叶轮旋转的轴线。z 旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。z 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（重要概念）。z 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。z 安装角：桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角，又称桨距角，记为。2. 对叶轮应用气流冲量原理z 叶轮所受的轴向推力：F = m ( V1 -V2 ) 式中m=SV，为单位时间内的流量质量z 叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸

12、收的功率为：P=FV= SV2(V1-V2) 3、动能定理的应用z 基本公式：E=1/2 mV2 （m同上）单位时间内气流所做的功功率：P=1/2 mV2= =1/2 SV V2 z 在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：P= 1/2 SV (V21_ V22) 此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。因此：SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_ V22) 整理得：V=1/2 (V1+V2) 即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。4. 贝兹极限z 引入轴向干扰因子进一步讨论。令：V = V1( 1-a ) = V1 U 则有：V2 =V1 ( 1-2a ) 其中：a轴向干扰

13、因子，又称入流因子。U=V1a轴向诱导速度。z 讨论：当a1/2时，V20，因此a1/2。又V0 ，有1a0。a的范围： a 0由于叶轮吸收的功率为P=P= 1/2 SV (V21_ V22)2 = 2 S V13a( 1-a ) 令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得3Pmax =16/27 (1/2 SV1 ) 注意到1/2 SV13 是远前方单位时间内气流的动能功率，并定义风能利用系数Cp为：3Cp=P/(1/2 SV1 )于是最大风能利用系数Cpmax 为：3Cpmax=Pmax/(1/2 SV1 )=16/270.593 此乃贝兹极

14、限。三、叶素理论1、基本思想z 将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶素；z 视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；z 作用在每个叶素上的力互不干扰；z 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：桨叶的径向距离r处取微段，展向长度dr。在旋转平面内的线速度：U=r。 翼型剖面： 弦长C，安装角。 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。 W 旋转平面U 定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角，记为，则有叶片翼型的攻角为： = -。3、叶素上的受力分析z 在W的作用下，叶素受到一个气动合力元dR， 可分解为平行于W

15、的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。z 另一方面，dR还可分解为推力元dF和扭矩元dT， 由几何关系可得：dFdLcos +dDsin dTr(dLsin -dD cos ) z 由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl 分别求得dD和dL: dL = 1/2 CLW 2Cdr dD = 1/2 CDW 2C dr 故dF和dT可求。z 将叶素上的力元沿展向积分，得：作用在叶轮上的推力：F= dF 作用在叶轮上的扭矩：T= dT 叶轮的输出功率：P= dT= T 第四章风力发电机组方案设计内容1 1. 叶轮直径2 2. 额定风速3 3. 叶轮转速4 4. 叶片数5 5. 功率控制6 6. 制动系统

16、7 7. 定速与变速运行8 8. 发电机类型9 9. 传动系10 10. 塔架的刚度11 11. 人身安全与通道某机组总体方案 机组设计等级：IEC 级 机组容量：1.3MW 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 叶轮直径1、风轮直径Dz 风轮直径D主要取决于两个因素：风力机额定P 额定风速V r z 计算公式的推导：叶轮输出功率：P1=1/2 CpSVr3 =P/(12) 于是：P =1/2 CpVr3 12 D2 /4 直径D的简化计算公式：D 2 =8P/(

17、 Cp12 Vr3) 5P/ Vr3 其中，可取Cp 0.45， 1.25， 12 0.9 风轮直径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1.3MW机型对应的风轮直径为5462m。 根据调查资料显示，额定功率值/单位风轮扫掠面积的比值（W/m2 ）。如某1.3MW机型约为405W/m2，由此可算得D64m 另外，可参照国外同类机型。其它参数的确定1）叶轮中心离地面高度H 取决于安装地点（山谷、丘陵等），垂直风梯度，安装条件，单机容量等因素。2）叶轮锥角 叶片和旋转平面的夹角。减少气动力引起的叶根弯曲应力（对下风式风力机）；防止叶片梢部与塔架碰撞（对上

18、风式）。3）叶轮倾角 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. 额定风速Vr z 额定风速Vr：机组达到额定功率时的风速。额定风速Vr z 额定风速与部件成本的关系额定风速Vr z 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，提高了能量成本；z Vr过低，叶轮及其支撑的成本相对于发电量过高。z 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：2 4.3. 叶轮额定转速考虑因素： 尺寸控制：叶片弦长（实度）与转速的平方成反比。 重量控制：风轮转速增加后，

19、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。 噪声限制：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、叶片数1）、尖速比 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5-15 时，具有较高的风能利用系数Cp。通常可取6-8 。叶片数2）、实度 z 定义：叶轮的叶片面积之和与风轮扫面积之比。它是和尖速比密切相关的一个重要参数。z 取值：对于风力发

20、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520%之间。z 作用：决定叶轮的力矩特性，尤其是起动力矩；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：z 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。叶片数4）三叶片和两叶片：z 叶片数32：叶片弦长增加50%或转速增加22.5%。z 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。z 两叶片提高转速后增加了的噪声。z 三叶片转动的视觉效果好于两叶片。z 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

21、数叶片数对载荷的影响：4.5. 功率控制方式1）（被动）失速控制z 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。dF dLcos +dDsin dTr(dLsin -dD cos )dL = 1/2 CLW 2CdrdD = 1/2 CDW 2Cdr作用在叶轮上的扭矩：T= dT （被动）失速控制主要优点：控制简单，百Kw级多用。主要缺点：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、

22、低风速段，叶轮转速较低时的功率输出较高。2）变桨距控制z 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。z 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；z 桨距角的变化速率：5/s或更高；范围：运行时035 ；刹车时090 。0 时，叶尖弦线位于转动平面内。桨距角的改变功率kW 0 额定功率风速m/s3）主动失速控制 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。主动失速的技术特点：与传统失速功率调节相比：z 可以补偿空气密度、叶片粗糙度、

23、翼型变化对功率输出的影响,优化中低风速的出力z 额定点之后可维持额定功率输出z 叶片可顺桨，刹车平稳,冲击小，极限载荷小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：z 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。z 发电机本身在低负荷时的效率问题 当P30%的额定功率时，效率90%； 但P 3P 柔塔：1P f 3P （另称为刚塔）高柔塔：f 1P（另称为柔塔）。z 如果塔架满足强度要求，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。z 刚塔的优势在于，

24、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。塔架的刚度例1 某1.3MW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=0.317Hz fb = 0.951Hz 因此，塔架的固有频率f0应满足：0.317Hzf00.951Hz 实际设计的塔架频率f0为0.56Hz，满足要求。塔架的刚度例2 某变速风力发电机组选用柔性塔架，叶轮转速为11rpm和22rpm时叶轮的转动频率和叶片的通过频率分别为：fr1=11rpm/60s=0.183Hz fr2=22rpm/60s=0.366Hz fb1

25、=0.549Hz fb2 =1.098Hz 因此，塔架的固有频率f0应满足：0.366Hzf00.549Hz 实际设计的塔架频率f0为0.4Hz左右，满足要求。塔架的刚度Campbell 图4.11. 人身安全和通道为了保证运行和维护人员的安全，至少需要： 塔架内设置爬梯直通塔顶机舱，并设置跌落保护装置； 每隔20米左右设置一层休息、安全平台； 考虑维护的安全性，设置叶轮和偏航锁定装置； 在偏航、叶轮、机舱等处设置安全带卡头的固定装置； 塔架较高时，塔架爬梯设置助力装置。 设计初期要考虑在各种天气下进入机舱的可能。 工具和备件的运送通道。本章完第五章机组零部件内容5.1. 轮毂z功能：连接叶片

26、和主轴，最终连接到传动系的其余部件。必须传递并承受所有来自叶片的载荷。z材料：通常用钢材，焊接或铸造制成。由于结构一般较复杂，多用球墨铸铁铸造。z 结构形式：结构形式取决于方案设计，两叶片或三叶片，定桨距或变桨距。水平轴风力发电机采用三种基本形式：刚性轮毂；跷跷板式叶片轮毂；铰接叶片轮毂。轮毂结构形式z刚性轮毂：轮毂的主要部分相对主三叉形轴是固定的。使用最普遍，几乎为三叶片或多叶片机组通用。 三叶片机组的轮毂有两种外形：三球形叉形和球形。轮毂结构形式z 跷跷板式轮毂：连接叶片的部件和连接主轴的部件可以现对运动。通常用于两叶片或单叶片机组。z 铰接式轮毂：允许叶片相对旋转平面单独挥舞运动。较少使用。刚性轮毂铰接式轮毂跷跷板式轮毂刚