风力机的机械设计

1、第三章 风力机的机械设计 叶轮 塔架 传动装置 附属部件 偏航装置 转速调节3.13.1、叶轮、叶轮由轮毂和相连接的叶片组成。讨论要点： 轮毂与桨叶的连接型式 轮毂材料与检验 桨叶的强度计算一、轮毂与桨叶的连接型式一、轮毂与桨叶的连接型式1、固定连接（刚性连接）、固定连接（刚性连接）三叶片叶轮大多用此连接方式。制造成本低，较少维护，无磨损。但要承受所有来自叶片的载荷。连接用螺栓的材质要好，外加防松装置。2、铰链式连接（柔性连接）常用于两叶片叶轮。铰链轴分别垂直于叶片轴和叶轮转轴挥舞运动不受约束。如果两个叶片固连成一体，特称为跷跷板铰链，可使桨叶在旋转平面前后几度（如5度）的范围内自由摆动，以便

2、更利于锥角效应。变桨距叶轮中的桨叶转轴另行介绍。但扭转力矩变化较大，叶轮躁声大，结构复杂。二、轮毂材料与检验二、轮毂材料与检验轮毂可用铸钢铸造或由钢板焊接而成。 铸件不能有铸造缺陷（夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等），否则重新浇铸。 对焊接件的焊缝要进行超声波检查。大型风力机叶轮的轮毂可用加延长节的方式，简化轮毂的制造，减少出现各种缺陷的可能。对轮毂（和延长节）要进行静强度和疲劳强度分析。三、桨叶的强度计算三、桨叶的强度计算桨叶的危险剖面：桨叶根部。 考虑桨叶处于水平和垂直两个特殊方位时的强度计算。1、桨叶处于水平位置 叶根载荷：重力矩（最大）；气动推力产生的弯矩； 弯曲应力扭转力矩产生的弯矩；离心力

3、： 拉应力 2、桨叶处于垂直位置偏航时的陀螺力矩为： M=2J sint当t为0（即处于水平位置）时，M为0；当t为90时，M最大。外加其它正常作用的载荷，桨叶根部应力最大。 3.2 3.2 齿轮箱与刹车齿轮箱与刹车大型风力机的转速大多在3050rpm之间，也有更低的（考虑桨叶离心力与叶尖线速度），与发电机之间存在较大的转速差。故设置传动装置齿轮箱。传动装置包括：增速器、联轴器等。一、齿轮箱一、齿轮箱基本要求： 重量轻、效率高（尤其对大型风力机）、承载能力大、躁声小、起动力矩小。类别： 定轴齿轮传动 齿轮传动 行星齿轮传动 混合轮系传动 600kw600kw风力机用的齿轮箱风力机用的齿轮箱二、

4、机械二、机械刹车刹车一般有两种刹车装置： 运行刹车：正常情况下反复使用。 紧急刹车：出现运行故障时使用。安置位置：低速端或高速端。三、空气动力刹车三、空气动力刹车用途：常用于失速型风力机的超速保护， 作为机械刹车的补充。原理：通过改变桨叶的升阻比。实现：常通过超速时的离心作用。 3.3 3.3 对风装置对风装置 为了使风力机有效地捕捉风能，应保证叶轮始终基本上处于迎风状态。 这里简单介绍电动对风装置电动对风装置。 大中型风力机中普遍使用电动对风装置。一、系统组成 风向标，控制电路，偏航齿轮，伺服电机，刹车等。二、对风原理三、其它问题三、其它问题偏航角速度： 0.0260.035rad/s (1

5、/4r/m1/3r/m)回转制动器的应用： 保证对风可靠。3.4 3.4 塔架塔架型式 有拉索式 无拉索式 桁架式 圆筒式塔架高度3.5 3.5 调速（限速）方式调速（限速）方式在一定的风速变化范围内自动限制转速和功率。调速原理： 叶轮输出功率：P=1/2CpSV13 改变S：叶轮侧偏 改变Cp：变桨距、失速 。一、变桨距调节一、变桨距调节1、调节原理佳与CL及Cp关系；利用= - （桨距角 ）2、实现方式 全桨叶变桨距，叶尖局部变桨距。全桨叶变桨距方式 1）离心式2）风压式 利用风压中心与转轴中心不重合的特点。3）伺服机构式二、失速调节二、失速调节 1、失速现象、失速现象 当桨叶上的攻角增大

6、到一定数值时，在翼型上翼面当桨叶上的攻角增大到一定数值时，在翼型上翼面流流动的气流产生偏离而不能附着在上面（称为脱落或分离）动的气流产生偏离而不能附着在上面（称为脱落或分离）的现象。的现象。 W V额定风速 V 正常气流 -U W V额定风速 V 失速 -U几点说明：几点说明：正常流动时，流线平滑且流过上翼面。这种流动从翼正常流动时，流线平滑且流过上翼面。这种流动从翼型前缘邻近到剖面的最大压力点处是加速进行的，然型前缘邻近到剖面的最大压力点处是加速进行的，然后沿着上翼面的其余部分到后缘缓慢减速。对于保持后沿着上翼面的其余部分到后缘缓慢减速。对于保持附着在上翼面的流动来说，这种附着在上翼面的流动

7、来说，这种减速减速必定是非常缓慢必定是非常缓慢的。的。当攻角足够大（大于失速攻角）时，上述的当攻角足够大（大于失速攻角）时，上述的“减速减速”加大而使附面层无法保持，使气流从翼型表面分离加大而使附面层无法保持，使气流从翼型表面分离失速。失速。一般来说，失速攻角在一般来说，失速攻角在1212左右（大致相当于升力系左右（大致相当于升力系数为数为1. 21. 2）。同时，它在很大程度上还取决于翼型形）。同时，它在很大程度上还取决于翼型形状和雷诺（状和雷诺（ReynoldsReynolds）数。）数。未失速的翼型具有低阻力且升力系数随攻角线性增加未失速的翼型具有低阻力且升力系数随攻角线性增加的特性。而

8、失速的翼型阻力加大，升力大大降低。的特性。而失速的翼型阻力加大，升力大大降低。2 2、失速调节、失速调节根据翼型上升力根据翼型上升力L、阻力、阻力D与驱动力矩与驱动力矩T、推力、推力F之间的之间的关系以及叶轮输出功率关系以及叶轮输出功率P=T ，失速时的驱动力矩不再，失速时的驱动力矩不再增加，使叶轮的转速维持近似的恒定，而功率也不再增加，使叶轮的转速维持近似的恒定，而功率也不再增加。增加。由于叶尖处的安装角由于叶尖处的安装角 较小，其攻角较大而接近失速较小，其攻角较大而接近失速状态。一旦风速超过额定值，叶尖首先进入失速状态。状态。一旦风速超过额定值，叶尖首先进入失速状态。叶轮输出的最大功率对叶

9、片的安装角的变化很敏感，叶轮输出的最大功率对叶片的安装角的变化很敏感，大体上是安装角越大，开始失速时的风速越大，而最大体上是安装角越大，开始失速时的风速越大，而最大功率也越高。采用失速调节时的安装角应该相当准大功率也越高。采用失速调节时的安装角应该相当准确，以免不必要的空气动力损失而影响出力。确，以免不必要的空气动力损失而影响出力。3 3、失速调节的特点、失速调节的特点优点优点无变桨距调节时的运动机构，轮毂结构简化，无变桨距调节时的运动机构，轮毂结构简化，生产成本降低，维护费用减少。生产成本降低，维护费用减少。失速后，阵风对叶轮的输出功率影响不大，失速后，阵风对叶轮的输出功率影响不大，即即该功

10、率不会随阵风出现太大的波动。因此风力机该功率不会随阵风出现太大的波动。因此风力机无无需进行功率调节，进而省去功率调节系统的费用。需进行功率调节，进而省去功率调节系统的费用。缺点缺点需可靠的刹车以免在风速过大失速消失后出现飞车，需可靠的刹车以免在风速过大失速消失后出现飞车，这导致了额外的费用。这导致了额外的费用。由于随风速的增加，气动推力加大，即便功率恒定由于随风速的增加，气动推力加大，即便功率恒定或稍有下降。此时叶片、机舱和塔架上将承受较高的或稍有下降。此时叶片、机舱和塔架上将承受较高的动态载荷。动态载荷。在频繁的刹车过程中，使叶片与传动系统产生较大在频繁的刹车过程中，使叶片与传动系统产生较大

11、的动载荷。的动载荷。起动风速较高，使起动性较差。起动风速较高，使起动性较差。在低空气密度地区难以达到额定功率。在低空气密度地区难以达到额定功率。3.6 3.6 桨叶设计中的若干问题桨叶设计中的若干问题3.6.1 叶轮的总体参数叶轮的总体参数 一台设计良好的风力机必须具有良好的空气动力性能。 风力机的空气动能主要表现为叶轮的空气动力性能。 叶轮的空气动力性能主要取决于它的气动设计。 气动设计时，必须先确定总体参数。这也是进行方案设计所必需的。一、尖速比一、尖速比 0 0叶轮的叶尖线速度与额定风速之比。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-

12、15 时，具有较高的风能利用系数。通常可取 6-8 。 高速风力机在制造成本，运行平稳性等方面均优于低速风力机。但启动风速较高。尖速比的最终值： 在初定的基础上，需根据额定风速和发电机转速选择齿轮箱传动比，再计算尖速比，作为设计参数。二、叶片数取决于叶轮的尖速比 ，具体对应关系如下表 。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。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。三、风轮直径三、风轮直径D D风轮直径D 主要取决于两个因素： 风力机输出功率P 额定风速V1计算公式的推导：叶轮输出功率：P1=1/2 CpSV13 =P/(12) 于是 ： P =

13、1/2 CpV13 12 D 2 /4直径D 的简化计算公式： D 2 =8P/( Cp 12 V13) 5.6P/ V13 其中，取 Cp 0.45， 1.25， 12 0.81四、额定风速（设计风速） V V1 1额定风速的影响： 直接影响着叶轮乃至风力机尺寸及成本，是一个非常重要的参数。额定风速的确定： 取决于使用地区的风能资源分布，包括： 平均风速的大小； 风速的频率分布。技术人员应该具备相关的背景知识五、实度五、实度定义：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。取值： 对于风力发电机而言，由于尖速比较高，要求有较高的转速，起动风速高，因此，可取较小的

14、实度。通常大致在520%之间。 可参考Hutter的研究结果（图略）。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。六、翼型的升阻比六、翼型的升阻比 翼型决定着风力机的效率，具体体现在翼型的升阻比（L/D）上。 升阻比愈高： 风能利用系数愈大，则风力机的效率愈高。 性能曲线中风能利用系数Cp受叶片数或尖速比的影响愈小七、其它参数七、其它参数1、叶轮中心离地面高度、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

15、撞（对上风式）。 3、叶轮倾角、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3.6.2 叶片的载荷分析叶片的载荷分析对叶片运行载荷分析与计算，不仅是叶片的结构设计所必须的，而且更为重要的是分析整个风力机各部件受载的基础。风力机在运行情况下，作用在其上的载荷就比较复杂，主要有气动载荷，重力和惯性载荷。它们都随时间而变化，特别是气动载荷受阵风和风向变化的影响是随机的，要准确计算是困难的。除了正常运行情况外，还有其它工况，如启动停机，突然停机等，都将导致额外的载荷。本节仅讨论正常运行工况下的载荷问题。一、叶片的受力分析一、叶片的受力分析作用在叶片上的力作用在叶片上的力 简化为三种

16、力：空气动力、离心力和重力。各作用力的影响各作用力的影响二、阵风效应二、阵风效应 阵风期间，风速在一秒内可变化1520m/s甚至更多，风向在一秒内可改变几十度。此时，叶片处在不利的攻角下，导致所受弯矩的增加阵风效应。 -U W V1三、锥角效应三、锥角效应对下风式风力机，叶片与转轴的夹角小于90度，将使正常运行时叶片受到的弯曲应力大大减小，甚至可为零锥角效应锥角效应。问题?四、陀螺效应四、陀螺效应 叶轮偏航时，桨叶除受到气动力的作用外，还受有离心力和旋转惯性力，在桨叶中产生附加力矩陀螺效应，附加力矩的大小为： M=2I1第四章第四章 风力发电机风力发电机常用的发电机种类叶轮与发电机的匹配发电机

17、组的并网运行4.1 常用的发电机种类一、同步发电机一、同步发电机1、基本构成 定子 定子铁心 定子绕组（定子线圈） 转子 转子铁心（磁极） 励磁绕组（转子绕组） 由于转子绕组中的感应电流产生于转子相对于磁场的运动，而该感应电流又产生转子转动的电磁力。因此，转子转速n不能等于同步转速n1异步电动机 3、转差率 定义 n1 - n为转速差转速差； s = (n1 - n)/ n1 100%为转差率转差率 异步电动机的转差率一般为1.56%。 用作发电机时，必须使转子转速n大于同步转速n1 ，此时，叶轮与发电机的匹配叶轮与发电机的匹配 由于缺乏风力发电专用的发电机系列由于缺乏风力发电专用的发电机系列

18、产品，设计者需选用合适的发电机。选用产品，设计者需选用合适的发电机。选用时必须考虑叶轮与发电机之间的匹配问题，时必须考虑叶轮与发电机之间的匹配问题，主要包括功率匹配、转速匹配及转矩匹配。主要包括功率匹配、转速匹配及转矩匹配。一、功率匹配一、功率匹配叶轮功率曲线叶轮输出功率与风速或叶轮转速之间的关系曲线。发电机功率特性曲线输出功率与转速之间的关系曲线。问题问题：在同一额定功率下，叶轮所对应的额定转速与发电机所对应的额定转速相差几倍到几十倍。解决途径：利用增速机构，使发电机在叶轮的额定转速下发出额定功率。叶轮与发电机的功率匹配图叶轮与发电机的功率匹配图 2000 1500 1000 500 0 50 100 150 200 250 300说明：说明：风速很低时，转速较低，发电机几乎没有输出功率，即未给叶轮加负载。风速