风力发电原理课件：风力机的结构类型-

风力机的结构类型【本章教学目标】掌握风力机定义；熟悉风力机的分类分法；理解水平轴风力机与垂直轴风力机特点，熟悉水平轴风力机基本构成及功用；了解各种风力机的特点。2.1风力机概念风力机是以风能作为能量的来源，把风能转化为机械能的一种动力机械。2.2风力机的分类风力机的结构型式是多种多样的。由于着眼点的不同，可以有各式各样的分法。一般的分类方法，大致有：(1)按风力机风轮轴所在的空间位置来区分。风力机可分做两类。

风轮轴平行或接近平行于水平的风力机叫做水平轴风力机图2.1小型水平轴风力机

图2.2大型水平轴风力机

图2.3兆瓦级水平轴风力机风轮轴垂直于水平面的风力机称为垂直轴风力机图2.4小型垂直风力机

图2.5金帆垂直轴C型风力型

图2.6300KW的垂直轴风力机（2)按风力机功率大小来区分，国内外分法有一定区别。一般我国按功率分为四种，即功率在1千瓦(kw)以下的风力机称为微型风力机，如图2.4、图2.7、图2.8所示；功率在1至10千瓦之间(1～10kw)的风力机称为小型风力机，如图2.1、图2.4所示；功率在10至100千瓦之间(10～100kw)的风力机称为中型风力机，如图2.5所示；功率在100至1000千瓦之间(100～1000kw)的风力机称为大型风力机，如图2.2、图2.6所示；功率超过1000千瓦(1000kW)以上的风力机，称为巨型风力机，也称兆瓦级风力机，如图2.3所示。(3)按风力机的风轮在正常工作状态下的转速来划分，可分为高速风力机及低速风力机两类。图2.9不同结构叶片的风力提水机(4)按照风力机风轮上叶片数目的多少来划分，可分为多叶片风力机及少叶片风力机两大类。图2.10不同叶片数风力机(5)按风力机叶片工作原理来划分，可分为升力型风力机和阻力型风力机两大类。一类是利用风力机叶片翼型的升力做功，而实现风力机工作的，称为升力型风力机；另一类是利用空气动力的阻力做功，而实现风力机工作的，称为阻力型风力机，(6)按叶片升力翼型形状来划分，可分为螺旋桨式和达里厄式风力机两类。综上所述，风力机的分类可归纳如下：2.3水平轴风力机

水平轴风力机是目前国内外最常见使用的一种风力机，也是技术最成熟的一种风力机。水平轴风力机一般在风速较高时有较高的风能利用效率(风能利用率表示风力机从自然风能中吸取能量的多少)，在大容量风力发电行业应用十分广泛。有些水平轴风力机的风轮，在塔架的前面迎风旋转，称为上风式风力机（见图2.12）；风轮安装在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，称为下风式风力机（见图2.13）。上风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮迎风。而下风向风力机则能够自动对准风向，从而免去了调向装置。但对于下风向风力机，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，这样塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应，影响风力机的出力，使性能有所降低。所以目前大多数风力发电机都是采用上风向风力机。图2.12上风式风力机

图2.13上风式风力机水平轴风力机主要组成除风轮这一捕获风能并将其转化为机械能输出的主要部件外，还有发电机、塔架、机舱(或机座)、调向机构（偏航控制器）等，另外，还有调速装置及停车制动装置等。对于大型风力机还包括变速箱（增速器）、电子控制装置、低速联轴器、高速轴联轴器等，见图2.14所示。其主要部件功能如下：图2.14水平轴风力机结构组成（1）风轮风轮的主要作用是将风能转化为机械能，是风力发电机接受风能的部件。（2）风力发电机风力发电机作用是将风能最终变成电能而输出。（3）塔架塔架的作用是用来支撑风力机及机舱内(或机座上)各种设备，并使之离开地面一定高度，（4）机舱(或机座)机舱(或机座)位于塔架顶端用来支撑风轮以及与风轮相联接的齿轮传动(变速)装置、调速装置及调向机构等。（5）调向装置调向装置又称调向器其作用是使风轮能随着风向的变化随时都迎着风向，以最大限度地获取风能。（6）调速装置(或调速器)风力机必须有一套装置来控制、调节它的转速。调速装置功能是当风速不断变化时使风轮的转速维持在一个接近稳定不变的范围内。（7）刹车制动装置刹车制动装置又称制动器，刹车制动装置是使风力发电机停止动转的装置，也称刹车。（8）增速器及联轴器2.4垂直轴风力机垂直轴风力机的风轮始终与风向保持一致，因此当风向改变时无需调整，这使结构简化，同时也减少了风轮对风时的陀螺力，相对水平轴风力机是一大优点；但垂直轴风力机启动困难，对大型垂直轴风力机不能自己启动——它需要电力系统的推动才能启动。垂直轴风力机有几种类型，有利用阻力旋转的有平板和杯子做成的风轮，这是一种纯阻力装置。S型风轮，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的起动力矩(和升力装置相比)，但尖速比较低。在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出较低。有利用升力旋转的风轮装置，常见的达里厄型垂直轴风力机。达里厄式风轮是法国G.J.M.达里厄于十九世纪二十年代发明的。在70年代初，加拿大国家科学研究院进行了大量的研究，现在出现在有多种达里厄型风力机，如φ形、△形、Y形、

形等。这些是水平轴风力机的主要竞争者。典型垂直轴风机结构及特点如下：(1)达里厄型风力机达里厄风力机回转时与风向无关，是升力型的。它装置简单，成本也比较便宜，但起动性能差，因此也有人把这种风力机和一部萨布纽斯风力机组合在一起使用，图2.16所示。图2.16达里厄风力机(2)旋转涡轮式风力机垂直轴升力型旋转涡轮式风力机，这种风力杉L垂直安装3～4枚对称翼形的叶片。它有使叶片自动保持最佳攻角的机构。因此结构复杂价格也较高，但它能改变桨距、起动性能好、能保持一定的转速，效率极高。这种风机也有把同样的叶片固定安装的形式。(3)弗来纳式风力机在气流中回转的圆筒或球，可以使该物体的周围的压力发生变化而产生升力。(4)费特·肖奈达式风力机这种风力机是由德国费特公司的工程师肖奈达发明的，费特·肖奈达螺旋桨垂直地安装在船底下部作为船的推进器。总之，垂直轴风力机与水平轴风力机相比，具有以下优点：1)垂直轴风力机不需要复杂的偏航对风系统，可以实现任意风向下正常运行发电。这样不仅大大简化了控制系统，而且不会因对风系统的的偏差造成能量利用系数的下降。(2)水平轴风力机的主要设备（发电机、变速籍、制动系统等)需安置在塔柱顶部，安装和维护比较困难；而垂直轴风力机的设备可放置在地面，大幅降低安装与维护费用，且机组整体稳定性好；3)水平轴风力机叶片通常采用锥形或螺旋型变截面，翼型剖面复杂，故叶片的设计及制造工艺复杂，造价高；而垂直轴风力机的叶片多采用等截面翼型，制造工艺简单，造价低；4)水平轴风力机叶片仅由一端固定，类似于悬臀梁，当叶片处于水平位置时，因重力和气动力作用形成很大的弯矩，对叶片结构强度很不利；垂直轴风力机叶片通常采用Troposkien曲线形状，叶片仅受沿展向的张力；5)垂直轴风力机可通过适当提高叶轮的高径比（叶轮高度和直径的比值)增加其扫风面积，可以在增加单机容量的同时减少风力机占地面积，从而提高风场单位面积风能利用，有利于垂直轴风力机向大型化、产业化发展。缺点：1）难以自启动2）难以控制失速，即易失速3）加工工艺不成熟4）风能利用率低2.5其他风力机2.5.1带锥形罩型风力发电机水平轴风力发电机有的利用锥形罩，使气流通过水平风轮时，气流得到收缩或扩散，以达到风轮加速的目的。带锥形罩型风力发电机的锥形罩有收缩型、扩散型或组合型。图2.18为阿根廷科技人员设计制造的一种新型风力发电机，其风能利用率比一般风力发电机高一倍。这种风力发电机有两个风轮，一前一后，外面有聚风套包裹。通常前面的风轮会阻挡后面风轮接受风力，但是设计师设计了双层聚风套，也是一前一后，后面的一个聚风套在第二个风轮后面形成低压区，加强了叶片受力，旋转速度增加。由于没有减速齿轮箱，造价降低，维修费用也随之降低。新型聚能型发电机风能利用率高达60%，比传统的风力发电机利用率高一倍。图2.18聚能型风力发电机

图2.19浓缩型风力发电机浓缩风能型风力发电机是在叶轮前方设收缩管，在风轮后方设扩散管，在风轮周围设置包括增压弧板在内的浓缩风能装置，图2.19所示。当自然风通过浓缩风能装置流经风轮时，其被加速、整流，形成流速均匀的高质量的气流。因此，此风力机，风轮直径小、切入风速低、噪音低、安全性高、发电量大。1—顶部风流；2—相互作用区；3—排气风力风轮；4—静止结构；

5—转轮；6—连接发电机；可调垂直片

图2.20旋转式风力发电机2.5.2