《专业认识实习技能模块》风轮机的基本理论 课件

《专业认识实习技能模块》风轮机的基本理论主讲人：刘越风轮机的基本理论一、理想风轮机的能量利用1919年，德国物理学家贝兹首次提出贝兹法则：如果采用风轮机，只能把不足16/27的风的动能转化成机械能。假设风轮是理想的，且由无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力。此外，假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流通过风轮前后的速度方向为轴向。理想的风轮的气流模型如图所示。风轮机的基本理论图中，V1是风轮上游的风速，V是通过风轮的风速，V2是风轮下游的风速。通过风轮的气流其上游截面是S1

,

下游截面是S2。由于风轮所获得的能量是由风能转化得到的，所以V2必定小于V1，因而通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2大于S1。风轮机的基本理论S1V1

SV

S

2V2

F

=

SV(V1

V2

)

P

=FV

=

SV

2(V

V )1 2自然界的空气流动可以认为是不可压缩的，

由连续流动方程得到

由动量方程，

可得作用在风轮上的气动力为

所以风轮吸收的功率为

故上游至下游动能的变化为

0.5

SV(V

2

V1 2

V

＝

0.5(V1

V2

)2

)由能量守恒定律，

可知

风轮机的基本理论因

此

，

作

用

在

风

轮

上

的

气

动

力

和

提

供

的

功

率

可

写

为22

)1 22

V

2

)

(

V

＋

V

)1 21 2对

于

给

定

的

上

游

速

度

V

1，

可

写

出

以

V

2

为

函

数

的

功

率变

化

关

系

，

将

上

式

微

分

可

得

V

2＝

V

1

/

3时

，

功

率

P

达到

最

大

值

，

即3m

a

x

1

F

=

0

.

5

S(

V

V

P

=

0

.

2

5

S(

V

P

=

8

/

2

7

S

V将

上

式

处

以

气

流

通

过

扫

风

面

S

时

所

具

有

的

动

能

，可

得

到

风

轮

的

理

论

最

大

效

率

-

理

论

风

能

利

用

系

数Pm

a

xp

,

m

a

x31

1

62

7

0

.

5

9

30

.

5

S

V

C

风轮机的基本理论这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的能量是有限的，理论上最大值为0.593，损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。也就是说，实际风力机的功率必定小于贝兹理论的极

限值0.593，因此，风力机实际能得到的有用功率是P=0.5C

SV

3p

1式中Cp是风力机的风能利用系数。

二、风轮机的空气动力特性风能利用系数Cp

风能利用系数定义为风轮机的风轮能够从自然风能中吸收的能量与输入风能之比。风能利用系数可表示为

P

风轮机的基本理论33

;2

;0

.

5

S

V式

中

P

实

际

获

得

功

率

,

W

;

空

气

密

度

，

k

g

/

mV

上

游

风

速

，

m

/

s。pC

S

扫

风

面

积

，

m理想的风能利用系数Cp的最大值是0.593，即贝兹理论的极限值。Cp值越大，表示风轮机能够从自然界中获得的能量百分比越大，风轮机的效率越高，即风轮机对风能的利用率也越高。对实际有用的风轮机来说，风能利用系数主要取决与风轮叶片的气动和机构设计及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力机，其Cp值一般是0.45，而阻力型风轮机只有0.15左右。风轮机的基本理论叶尖速比为了表示风轮运行速度的快慢，常用叶片的叶尖圆周速度与

来流风速之比来描述，称为叶尖速比

风轮机的基本理论

2

Rn

R式中

n

风轮转速，r

/

min;R

叶尖的半径，m;V－上游风速，m/

s;

风轮旋转角速度,rad/s。V V＝

风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线构成风轮机空气动力特性曲线风轮机的基本理论2

R2

R

2

M

2

M

为

无

因

次

数

，

正

比

于

转

矩

。pC

p功

率

P

可

表

示

成

风

轮

获

得

的

总

转

矩

M

和

风

轮

角

速

度的

乘

积

，

由

＝

V

，

得RC

S

V

M

S

V并

定

义三、风轮机的设计风轮机的工程设计是根据功率要求，安装选用的叶轮形式和相应的风轮机特性曲线，计算风轮的半径和转速。风轮机的基本理论P

=

0

.

5

C

p

S

V

1

3＝

0

.

5

C

p

R

2

V

1

3由

上

式

可

得

风

轮

机

的

半

径

2

P

31

R

C

Vp使用的基本公式是：风轮机获得的功率：风轮机的基本理论V 2

Rn

＝

R

V 60V

n

30V

式中

VR

风轮叶尖的速度，旋转角速度与半径的乘积，m/s;n

风轮的转速，r

/

min.

R叶尖速比

风轮机的转速

设计步骤：（1）根据风轮机特性曲线查取最优风能利用系数和叶

尖速比配合（2）由Cp确定风轮机半径（3）确定风轮机转速风轮机的基本理论四、风轮机的结构和能量控制l

风轮机的机构风轮机设备的主要结构包括：• 风轮机桨叶：通常采用３个或两个桨叶。• 轮毂：桨叶安装在轮毂上，轮毂与低速轴相连接。• 低速传动轴：转速通常较低，内部的液压传动系统与轮毂内的液压装置相连用于调节桨叶。• 齿轮箱：与低速轴和高速轴相连接• 高速轴：通常转速在1500r/min左右，与发电机相连，配有刹车装置。• 机械刹车装置：用于制动，必要时用于调节转速。风轮机的基本理论风力发电机机舱内的组成风轮机的基本理论l

发电机：输出电压一般为690V,发电功率在500~1500kW,并朝大容量方向发展。l

电子控制装置：监测风轮机运行状况，并自动实现偏转调节，故障时实现自动停机。l

冷却系统：冷却发电机。l

机塔：用于支撑风轮机。通常高度越高，风速越大，风况越好，需要更高的机塔。l

偏转装置：保持风轮机在迎风方向。l

风速风向测量系统：与控制装置相连，实现风轮机切入和切出的启停控制。风轮机的基本理论风轮机的能量控制风轮机的设计思想是尽可能便宜的产生电能。风轮机的设计是基于目标风场的风速条件，因此风轮机一般被设计成在风

速为8~15m/s时具有最佳的性能，即有最大的电能产出。而不

是花费心思把风机设计在强风是有最多电能产出，因为强风天

气不多见。因此在强风天气时必须浪费多余风能，以免破坏风机。所以风机设计有能量控制装置，安全控制方式有如下几种。风轮机的基本理论可调契角控制风轮机通过监测风力发电机的电能输出，调节桨叶，使桨叶一次轻微地转过一个角度，改变迎风面积，实现能量控制。这种方式通常采用液压驱动装置进行调节。被动失速控制风轮机被动失速控制风轮机的桨叶被固定，契角不可变。通过适当设计风轮机的桨叶，根据空气动力学原理，当实际风速达到某一特点值时，开始出现失速。该方式避免使用复杂的控制系统调节桨叶，但同时出现了复杂的气体动力学设计难题。风轮机的基本理论主动失速控制风机越来越多的大型风机在发展主动失速控制装置。在低速时为了有足够大的力矩，采用和可调契角同样的控制方式；当风速增大，发电机将要超负荷时，则与可调契角控制方式相反，而是通过主动方式达到桨叶失速，它比被动失速方式更能精确控制能量输出，另一方面优点是它能在强风天气保持额定功率运行，而失速型通常因为失速而使电能输出降低。它同时也带来了投资成本和维护费用的提高。风轮机的基本理论其他能量控制方法一些老式的风轮机用叶片上的副翼控制转子输出的能量。一般飞机上都装有副翼，通过副翼的转动可以改变机翼的几何形状，从而在飞机起飞时提供更多的升力。风轮机的基本理论多翼式风力机另一种在理论上可行的办法是使风轮机偏离迎风方向，减小风能输入。偏离控制技术只