风力发电机原理课件.pptx

1、风力发电机结构风力发电机组的主要参数风力发电机组的主要参数 (1)风轮直径： 风力发电机组最主要的参数是风轮直径（对于垂直轴风力发电机来说是风轮扫掠面积）和额定功率，成为产品型号的组成部分：风轮直径（或风轮扫掠面积）说明风力发电机组能够在多大的范围内获取风中蕴含的能量，是风力发电机能力的基本标志。（2）额定功率 额定功率是与风力发电机组配套的发电机铭牌功率，其定义式“正常工作条件下，风力发电机组在额定风速下设计要达到的最大连续输出功率”。风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本，配置较大直径风轮供低风速区选用，配置较小直径的风轮供高风速区选用.风速功率曲线

2、风速功率曲线 功率曲线的测试要有专用的测风塔，严格按照国际电工委员会（IEC）制定的标准方法进行。对应于风速的实测功率值是很分散的，最终得出的功率曲线是大量实测值概率分布按照规定方法归纳出来的。在风电场用记载风速仪和功率传感器测出的功率曲线是不规范的，只能作为参考。另外应注意样本上提供的功率曲线是换算成标准空气密度条件下的数值，在应用时要考虑（3）风速 在风力发电机组产品样本中都有一个功率曲线图，横坐标是风速，纵坐标是机组的输出功率。功率曲线主要分为上升和稳定两部分，机组开始向电网输出功率时的风速称为切入风速（起始风速），也就是能使风轮机运转的最低风速。随着风速的增大，输出功率上升，输出功率大

3、约与风速的立方成正比，达到额定功率值时的风速称为额定风速。此后风速再增加，由于风轮的调节，功率基本保持不变。 定桨距风轮因失速有个过程，超过额定风速后功率略有上升，然后又下降。如果风速继续增加，为了保护风力发电机组的安全，规定了允许风力发电机组正常运行的最大风速，称为切出风速（停机风速）。机组运行时遇到这样的大风必须停机与电网脱开，输出功率立刻降为0，功率曲线到此终止。叶片锥角攻角、浆距角和迎角叶尖速比 叶尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。它等于叶片顶端的速度（圆周速度）除以风接触叶片之前很远距离上的速度；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖速比就越大。 根据叶尖速比的不同

4、，我们可以把风电机分成两类：慢速比风电机和快速比风电机： 慢速比风电机的速度比最大为2.5。 快速比风电机是指按照浮力原理作用的风电机，并且其叶尖速比在2.5到15之间。几乎所有的现代风电机（叶片数一到三）都属于此类。 叶尖速比对风电机的建造结构和形状有很大的影响，比如： 叶片转速：如果叶片长度一定，那么叶尖速比越大，叶片的转速也就越快。只有一个叶片的风电机，其叶尖速比很高，旋转速度也要比三叶片的风电机快的多。需要注意的是，风力泵的叶尖速比虽然属于慢速比机械，但旋转速度一般都很快。原因是其转动直径很小，最终圆周速度相对低很多，所以属于慢速比机械。 风机的转化效率系数： 快速比风机由于产生的涡流

5、损失要比慢速比风机低很多，所以其作用系数要明显比慢速比的风机高。一般慢速比风机的转化效率系数cP在0.3到0.35之间，而快速比的风机能够达到0.45到0.55。 风能利用系数Cp为风力机将风能转换为机械能的效率，它与风速，叶片转速，叶片直径和桨叶节距角均有关系，是叶尖速比和桨叶节距角的函数。风力发电机选址综述风力发电机选址综述 在独立风力发电系统中，由于风力发电机组的安装地点会受到许多客观条件的限制，致使选址范围较窄。尽管如此，也要在可供选择地点的基础上，对其气象、地形等因素进行充分的分析研究。 一、安装地点的气象因素 众所周知，风力发电机组能有效地将风能转换成电能，而一年中发电量的大小直接

6、取决于安装地点的风况。 户用型独立风力发电系统选择的机组容量通常在100500w，村落型机组容量约为几十kw。用户希望机组一年中有较长的发电时间，以便尽可能保证连续供电。 风力发电机组安装地点要考察的气象因素主要包括： 1.年平均风速 根据实践经验和对宏观风速资料的分析研究，户用型风力发电机安装地点的年平均风速不宜低于3.5m/s，村落型机组安装地点的年平均风速应在55.5m/s以上。如果满足年平均风速的基本条件，就能保证当地的风力发电具有一定的经济性。 2.风速频率分布曲线 如果当地风况是一条比较平缓的风速频率分布曲线，说明当地在一年中风速的日变化、月变化都相对较小，有效风速小时数较长，从而

7、使风力发电机组发电量的变化较小，有利于用户对电能的充分利用，并将减少蓄电池的储能容量。 3.无强烈的旋风和切变 风力发电机组最容易遭受强烈旋风和切变风速的破坏。风速与风向的剧烈变化，不仅使风力发电机组不能稳定运行，发电量忽高忽低，忽有忽无，而且会使机组叶片承受强烈的振动和应力，轻则极大地降低风力发电机组的使用寿命，重则会使机组毁坏。因此，风力发电机组应避开存在这种风况的地点。 4.要考虑沙尘暴以及低温冰雪的影响 沙尘暴会使风力发电机组叶片的表面受到伤害，而且不光滑，大大降低其气动效率，使发电量减少。大雪和冰冻都有可能影响叶片和机械部件的正常运行，安装地点应尽量避开这些可能发生自然灾害的地方。

8、二、安装地点的地形条件 不同的地形、地貌会影响风的正常流动，有的将使风加速，减速甚至转向，从而波及到风力发电机组的正常运行和使用寿命。 1.平坦地形 风速在平坦地形不易发生突变，风向也会较为稳定。这种地形条件是安装风力发电机的良好位置。 2.复杂地形 复杂地形包括山丘、山脊、山谷、隘口等等，在这些地方，局部的风速与风向有时会发生剧烈的变化。 对于山丘、山脊等隆升型地形，风力发电机组应安装在方向的高处，但是要避免靠近山崖。隘口等低凹地形往往会影响风的加速，而其他方向的风速遭阻挡，因此，风力发电机组安装在狭窄处可以获得较好的风能。 3.地表粗糙度 地表粗糙度不同，风与地面的摩擦系数也会不同，因而，

9、风速的高程廓线也会发生变化。风力发电机组应尽量避免安装在高草地、灌木丛火庄稼地附近。 4.房屋附近 在房屋附近安装风力发电机组可视为机组周围有高大障碍物，因此要注意：第一，安装在主风向的上游；第二，与房屋的距离尽量保持在风力发电机直径的5倍以上；第三，机组塔架应尽量高出房屋1倍的机组直径。大型风力发电机设计研究大型风力发电机设计研究 关于大型风力发电机设计工作，为了说明问题，把大型风力发电机系统分为5个系统：即风轮子系统，传动子系统，电器子系统，控制子系统和结构子系统。 1 要求 为了使风电具有竞争能力，风轮应从风中吸收最大的能量，必须在不同的气候条件下工作，必须经受得起雷击和大风。为了具有较

10、高的经济效益，叶片必须在制造上经济，少维修和长寿命。根据这些要求，设计要达到下面一些目标： a 最大气动效率； b 选择最简单的设计能获得必要的气动性能； c 保证风轮能在一51 49C之间，下雨，盐雾，大风中能正常运行，能经受 50ms的大风 ； d 经受雷击； e 经受鸟，石子等的冲击，在风砂和灰尘的气候条件下运行，叶片前沿不受侵蚀 ； j 叶片和浆毂能运行30年； g 最大限度地采用现有技术，使生产成本降低，开发风险小 。设计时不考虑在冰雹和结冰条件下的运行情况。在这种特殊条件下，风轮应停转，但有薄冰时能正常运行 2 设计方法 根据设计要求，选择能满足设计要求，但成本最低，风险最小的方案

11、。然后进行初步设计。在设计时，除了进行必要的技术条件的分析计算，还要对重量和成本进行怙算。市场上已有的，要尽量采用，以降低成本 。 特别簧注意，对风轮运行有影响的因素，如起动，风轮和塔架的距离，低速轴的稳定，阵风的瞬态过程。特别要注意风轮转速不要在其自然频率范围内，以避免较高的振动载荷。 a 叶片 叶片是风轮中成本最高的，对成本影响最大的是材料和加工技术。金属不宜成型。现在的挤压技术最长梁 1518m(美国)。玻璃钢易成型，叶片 Cgac变距轴好匹配。叶片有两种功率控制型式：失速控制和变距控制。 变距方式 变距风轮有两种控制方式：一种是正变距，另一种是负变距。前者在轴向产生较大的推力载荷，而后

12、者主要产生扭距。在低风速和低功率时，正变距使风轮推力不稳定，和直升机情况一样，风轮处在涡环状态，因而引起震动载荷，这时，塔顶载荷比稳定状态下的轴向推力高出60% 。叶尖产生很大的变形，增加了叶尖与塔架冲击的可能性。所以风力机采用负变距方式。叶片变距可用机械方式，从叶根变距；也可利用液压系统，对叶尖变距。 翼型 应用于风力机翼型，早期为NACA44系列和NACA230系列，虽然NACA44系列的气动效率比NACA230系列高，但相差很小。如果采用变距叶片，由于NACA230系列的较低的气动俯仰力矩和较好的加工性能，还是选择NACA230系列为好。除了上述翼型，还有其它一些翼型，如：SERI翼型，

13、为了减小翼型前绦受昆虫或尘土影响引起粗糙度变化。 d 风轮尺寸大小和实度 如果实度小于3%，制作方法和对材料的要求高，所以3%的实度是风轮设计的下限。如果低于这个值，起动特性将受到影响。e 叶片散量 现在的大型风力发电机大多采用两叶或三叶风轮。三叶风轮可减小在轴上，齿轮箱上和塔架上的振动载荷 (由于重力和气动力），但价格高于二叶风轮。 叶片形状 叶片扭转一般1O12。线性扭转与优化设计的气动性能差别不大，但易于加工。 g 叶片寿命 叶片寿命与能源价格关系十分密切。维修经费和更换叶片都对能源价格有影响。一般叶片寿命为3O年。如果低于20年，投资和能源成本都会增高。h 跷跷板与无铰桨毂的比较 跷跷

14、板的结构可减小平面外振动弯曲的力矩但对平面内弯曲力矩没多大影响 。 叶片形状 叶片扭转一般1O12。线性扭转与优化设计的气动性能差别不大，但易于加工。 g 叶片寿命 叶片寿命与能源价格关系十分密切。维修经费和更换叶片都对能源价格有影响。一般叶片寿命为3O年。如果低于20年，投资和能源成本都会增高。 h 跷跷板与无铰桨毂的比较 跷跷板的结构可减小平面外振动弯曲的力矩但对平面内弯曲力矩没多大影响 。i 稳定性 对叶片的颤振和发散边界要进行分析研究，风轮在额定运行条件下不能发生颤振和发散。类似的风轮塔架系统的稳定性也要进行研究。 过速 大风和突风变化风力机脱开电网或叶片控制系统发现故障，都有可能出现

15、风轮过速为了提供转速控制，每分钟使叶片桨距角变化5，这样使过速不超过150%，所以结构极限强度为150%。 k 频率 叶片结构外型和厚度分布主要受叶片频率要求的限制。人们最关心的问题是叶片在起动过程中，要避开低额共振。叶片从起动到正常运行的加速度是很低的，特别是在8O% 100% 的转速范围内，加速扭距小，这就要求对叶片外型进行详细考虑，如叶根剖面厚度和叶片刚度等。 塔影 圆柱型塔会使其后的速度明显下降，对下风向风轮产生脉冲力，并且每周一次，并产生谐振力，频率是风轮转速的整数倍 1周 ，2周，.n周。叶片的弯曲和扭转响应在这些频率都会发生。响应的大小将与各种弯曲、扭转振型的阻尼大小、它们的近似

16、转速的整数倍和尾流强度有关 。 初步设计和分析 风轮初步设计应事先进行形状，运行条件和结构分析，形状分析包括叶片的优化形状，这里包括叶片厚度，平面形状和扭转布。主要运行条件分析包括桨距控制运行方式，过速极限计算，叶片频率分析，颤振和发散边界的确定，旋转响应分析。主要结构分析包括，叶片设计，疲劳分析和桨毂分析。 2 控制子系统控制子系统控制系统利用微处理机进行数据远距离传送，控制起动和停机。为了风轮控制，利用伺服机构和模拟设备；为了紧急顺桨和停机，还具有纯机构控制装置。 3。1 风轮子系统风轮子系统 风论子系统包括叶片，桨毂和控制器。它是风力机中成本最高的子系统。它是在技术上要求最高的子系统。因

17、为在市场上不好买，而且，在设计和加工方面没有成熟的技术。它直接或间接影响其它子系统的设计。因此，在 整个设计研究中，风轮的设计和研究受到高度重视 。 21 要求控制子系统设计的立足点是远距离控制的风电场。子系统必须是自我监控和安全。它能发现事故并能采取保护措施。控制子系统必须能在很坏的环境下进行工作，并在无外来能源的条件下执行保护任务。控制子系统必须有较高的可葬性对于电网和雷击产生的感应瞬时负载有保护能力。控制子系统必须完成下列任务 ： a 起动风力机从静止到设计风轮转速 ；b 开、关风力机和保安风力机 c 当风力机与电网断开时，控制桨距角，调节风轮转速 ；d 当与电网相接时，控制桨距角，调节

18、功率输出。e 控制机舱对风；f 监控运行参数，遥测数据，并送给中心控制室 g 当风力机与电网连接出现故障时，对风力机系统采取保护措施；h 记录风电场的重要数据。 对控制子系统有很多不同的功能要求。从连续快速反应控制到间断发现故障和处理程序。从安全和可靠性的角度来看，各种控制功能的重要性不同。因此，要根据不同的目的分为不同的控制功能，对每个功能选择最佳设备。 控制子系统的电气部分的成本和重量在整个子系统中只占很小百分数。因此，对估价控制子系统来说不占很大比重。考虑控制方案时，主要考虑可靠性和安全性。其它标准是电网接受性，与环境匹配性，简单性，寿命和维修问题。在一些重要功能方面要能及时发现故障，并

19、在授有外来电源情况下能起保护作用。这是首先要考虑的。 23 初步设计和分析下面介绍控制子系统中的电子和电气部分 ，机械和液压 部分 将在传动系统 中舟绍 。 a 对风控制使对风速度限于大约 13周分，以防止塔架头部突然运行，以避免由于陀螺效应对系统产生很大的作用力。对风伺服机构使系统对准平均风向，风杯和同步器用来感受风向误差，然后将误差放大，用来运行液压螺旋阎 。 3 结构子系统结构子系统 风力机结构子系统包括塔架，地基和转盘 。 31 要求 结构必须支撑发电系统和控制子系统，使风轮对风，承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力。 33 比较 a 桁槊结构 这种结构利用市场上的结构刚梁，其优点是成

20、本低，易于根据研制需要改变形状，市场容易得到，自振频率较高。主要缺点是外观不好看，通往塔顶的楼梯在外面，在气候不好的条件下，不刺于工作人员上下 b 钢壳结构 这种结构是截短的圆锥，在现场进行连接。这种结构自振频率低。主要优点是外观好，楼梯在钢壳内，有利于工作人员上下；缺点是成本高，加工不易，安装要用大吊车。 塔的疲劳强度必须很大，能承受风轮引起的振动载荷，包括起动和停机的周期性影响，突风变化，塔影效应，5O年寿命的重力。塔的刚度要适度，塔架的自然频率要避开运行频率的整数倍地基对塔架要提供稳定的支撑(对各种载荷条件和某些地震情况)。转盘和有关连接结构，对风驱动机构和防护罩，必须把风轮和动力转换机

21、产生的载荷传给塔架，同时保护这些部件不受雨、雪、冰雹和雷击的影响 其它要求包括静强度，疲劳强度和剐度 。 静强度要考虑3种载荷条件 a 横吹 风速为50ms风轮不动，叶片垂直向下，风向是横向吹在短舱上。 b 正常运行+地震载荷 风速为额定风速，产生的风轮轴向力最大。根据均匀建物由于地震产生的水平载荷因子，将其产生的惯性力加在风轮轴向推力上。 c 最大运行载荷 额定风速下正常运行载荷乘2(风轮扭距乘2.5)，最坏的瞬时载荷包括结构动响应。最 大阵风振幅根据 NASA 阵风模型进行推导。 疲劳强度要求根据两种载荷条件来确定： 在正常运行条件下，如果存在高频振动桨毂力矩，寿命要求无限长。 对于起动和

22、停机时产生的重复载荷(015倍最大稳定运行载荷)，每日重复5次，则寿命要50年。为了使结构自然频率避开风轮而产生的共振，结构的一腧弯曲和扭转自然频率分别至少是风轮旋转频率韵 15倍或 25倍，并避开正常运行风轮转速的整数倍 。32 设计方法 为了降低成本，对整个塔架材料采用市场已有的材料，部件和标准结构技术 。大型风力发电机设计研究大型风力发电机设计研究( 4 传动子系统传动子系统传动子系统支撑风轮，并将其扭距传给电机。在这里，控制系统的动力源风轮机构控制机构和转盘对风机构也划为传动子系统的一部分。 1 要 求 部件 功能 轴 支撑风轮、允许其转动 输人传动机构 把风轮扭矩传给齿轮箱 齿轮箱

23、从风轮到电机转速转换、传动辅助备 刹车机构 使低转速风轮停下来并锁住 徽动传动机构 使停止的风轮重新定位 桨距控制机构 控制风轮叶片的桨距角 转盘控制机构 使风轮对风 转盘轴承 转盘和塔架之间的支点 液压系统 提供变距和对风控制的动力 42 设计方法为了降低成本，同时获得较大的可靠性和较长的使用寿命，设计应力求简单而且坚固。现场安装应简单，在加工时，要考虑维修方便。应留有必要的空间。利用坚固的部件，使初始成本和运行成本低。大型风力发电机设计研究（六）大型风力发电机设计研究（六） 5 电气子系统电气子系统 发电方式有几种形式，其中包括变速风轮和定速风轮。对于定速风轮，可用感应电机和同步电机。这种

24、发电成本低，复杂程度不高，而且效率高。51 要求 对电气子系统的基本要求是要产生电能，其电压和频率应与电网一致，产生的电成本在价格上应具有竞争力设备一般在边远无人看管的地区运行，所以应保证能对故障进行自我保护同时风力发电机应与电网同步。 设备能在规定的风速、温度和其它环境影响下运行在一定的阵风条件下，与电网保持稳定的连接另外，还应具有随机有效性，风力机必须有某些保护措施，能限制阵风对风力机和电网的不利影响。这主要是控制叶片桨距角和控制发电机励磁。 52 设计方法 在选择电气子系统和进行初步设计时，使提供给电嗣的能量成本最低，因为风力机大部分时间是在低于额定功率的条件下运行，所以要选择好发电机和

25、接口设备。同时设备成本应低，总重量应小，系统的可靠性和维修性要好。 53 设备选取电机 定转速感应电机或同步电机；保护和中继设备 微机适合于风力机系统的程序控制和监控，微机可用来发现事故，井采用必要的措施加以保护 。接口设备 变压器，这种变压器要求用油冷却，其成本低，适合于野外运行。电路中继设备 采用标准开关。应急电源 在出事故时没有电，可将柴油机或充电电池接上。一般采用充电电池，所以设计时耗能应 小。6.风轮机的设计 6.1风轮机的基本理论P75 6.1.1风性能描述 瞬时风速和平均风速 风速频率 风能玫瑰图 6.1.2风能和风的能量密度 空气的密度 (2)风能量密度 (3)平均风能密度 6

26、.1.3风能利用系数P77风力发电机设计基础风力发电机设计的关键是叶片的设计。叶片是使风能转换为电能的关键部件和首要载体。正在风中工作的叶片可以被看作是旋转的机翼。为了很好的理解叶片的功能，特别是为了选择最佳形状叶片翼型和叶片尺寸，使风轮具有优异的空气动力特性，必须先了解有关翼型的基本概念。定义定义：翼型也叫做翼剖面，它是指垂直于叶片长度方面的平面去截叶片而得到的截面形状。翼型的尾尖叫后缘，离后缘最远的地方叫前缘。连接翼型前后缘的线段叫翼弦。叶片的几何形状和参数 翼型的主要几何参数有弦长、相对厚度、最大厚度位置等， 弦长弦长 连接翼型前缘(翼型最前面的点)和后缘(翼型最后面的点)的直线段称为翼

27、弦（也称为弦线），其长度称为弦长，用c表示。 相对厚度相对厚度 翼型的厚度是垂直于翼弦的翼型上下表面之间的直线段长度。翼型最大厚度tmax与弦长c之比，称为翼型的相对厚度t/c或 ，并常用百分数表示，即 低速飞机机翼的相对厚度大致为1218%，亚音速飞机机翼的相对厚度大致为1015%，超音速飞机机翼的相对厚度大致为35%最大厚度位置最大厚度位置 翼型最大厚度离开前缘的距离xt，称为最大厚度位置，通常也用弦长的百分数表示。 表示机翼平面形状的主要参数有：机翼面积、翼展、展弦比、梯形比和后掠角等。 机翼面积机翼面积 机翼在机翼基本平面上投影面积，称为机翼面积，用S表示。 翼展翼展 在机翼之外刚好与

28、机翼轮廓线接触，且平行与机翼对称面（通常是飞机参考面）的两个平面之间的距离称为机翼的展长，简称翼展，用b表示。 表示机翼平面形状的主要参数有：机翼面积、翼展、展弦比、梯形比和后掠角等。 机翼面积机翼面积 基本机翼在机翼基本平面上投影面积，称为机翼面积，用S表示。 翼展翼展 在机翼之外刚好与机翼轮廓线接触，且平行与机翼对称面（通常是飞机参考面）的两个平面之间的距离称为机翼的展长，简称翼展，用b表示。 展弦比展弦比 机翼翼展的平方与机翼面积之比，或者机翼翼展与机翼平均几何弦长（机翼面积S除以翼展b）之比，称为机翼的展弦比A。 梯形比梯形比 机翼翼尖弦长与中心弦长之比，称为机翼的梯形比，又称尖削比，

29、用表示。 压力中心点：这一点空气动力对这个点的力矩为零。压力中心点与前缘的距离为Xc表示。一般Xc/t=0.25-.030,t为弦长。翼型具有各种不同的形状， 图中(a)是平板剖面，它的空气动力特性不好。后来人们在飞行实践的过程中，发现把翼剖面做成像鸟翼那样的弯拱形状薄的单凸翼剖面（见图(b)），对升力特性有改进。随着飞机的发展，人们认识到加大剖面的厚度，也会改善升力特性，因而就有了凹凸形翼剖面（见图(c)），这种翼剖面的升力特性虽然较好，但阻力特性却不好，只适用于速度很低的飞机上； 另外，因为后部很薄而且弯曲，在构造方面不利，因而目前已很少应用。 至于平凸形翼剖面（见图(d)），在构造上和加

30、工上比较方便，同时空气动力特性也不错，所以目前在某些低速飞机上还有应用。不对称的双凸形翼剖面（见图(e)）的升力和阻力特性都较好，在构造方面也有利，所以广泛应用在活塞发动机的飞机上。 图(f)中是S形翼剖面，这种翼剖面的中线呈S形的，它的特点是尾部稍稍向上翘，使得压力中心不会前后移动。对称的双凸形翼剖面（见图(g)），通常用于各种飞机的尾翼面上。图(h)是所谓“层流翼剖面”，它的特点是压强分布的最低压强点(即最大负压强)位于翼剖面靠后的部分，可减低阻力。这种翼剖面常用于速度较高的飞机上。 菱形（见图(i)）和双弧形（见图(j)）翼剖面常用在超音速飞机上，它们的特点是前端很尖，相对厚度很小，也就

31、是很薄，超音速飞行时阻力很小，比较有利，然而它在低速时的升力和阻力特性不好，使飞机的起落性能变坏。 升力和阻力的产生升力和阻力的产生 根据运动的转换原理，可以认为在空中飞行的飞机是不动的，而空气以同样的速度流过飞机。如下图 所示，当气流流过翼型时，由于翼型的上表面凸些，这里的流线变密，流管变细，相反翼型的下表面平坦些，这里的流线变化不大(与远前方流线相比)。根据连续性定理和伯努利定理可知，在翼型的上表面，由于流管变细，即 流管截面积减小，气流速度增大，故压强减小；而翼型的下表面，由于流管变化不大使压强基本不变。 这样，翼型上下表面产生了压强差，形成了总空气动力R，R的方向向后向上。根据它们实际

32、所起的作用，可把R分成两个分力：一个与气流速度v垂直，起支托飞机重量的作用，就是升力L；另一个与流速v平行，起阻碍飞机前进的作用，就是阻力D。 此时产生的阻力除了摩擦阻力外，还有一部分是由于翼型前后压强不等引起的，称之为压差阻力。总空气动力R与翼弦的交点叫做压力中心(见图)。好像整个空气动力都集中在这一点上，作用在翼型上。翼型的翼型的L-曲线和曲线和CL-曲线曲线 R随的变化而变化，它在垂直于迎面气流方向上的分力L升力，也随的变化而变化。为了研究问题方便，我们采用无因次的升力系数CL来表示升力与迎角的关系 见书上P80 升力系数CL随迎角变化的曲线称为升力曲线（上图右 ）。在一定飞行速度下，在

33、迎角较小的范围内，升力系数CL由随迎角的呈线性变化；随着迎角的继续增加，升力曲线逐渐变弯，到临界迎角时，升力系数达到最大值CLmax；之后再增大迎角，升力系数反而减小。这一现象称为失速。气动合力及力矩气动合力及力矩 当气流流过翼型时，可以把作用在翼型上的空气动力R分解为垂直翼弦的法向力L1和平行于翼弦的切向力D1(图 2.3.10)。我们规定使翼型抬头的力矩为正，则空气动力对F点的力矩可写为 MyPL1 (xP-xF)L (xP-xF) 改用不但影响R的大小，同时还改变其作用点(压力中心)。为此，变换不同的迎角作实验，求出各个迎角下对应的升力系数CL和力矩系数Cm，画出Cm与CL曲线，如图 2

34、.3.10所示。由该图可见，当CL不太大时曲线近似呈直线，不同的F可得到不同的斜率。 因此总能找到一点，其Cm几乎不随CL而变化，这样的点在空气动力学中称之为焦点(或空气动力中心)。 由于升力增加时，升力对焦点的力矩不变，因此，焦点实质上是迎角增加时升力增量的作用点。Cm-CL曲线曲线6.2风力机的设计 水平轴风力机无论是过去还是现在都是应用最广泛的。为了制造效率高、运行可靠的风力机，在它投入制造前，必须解决两个问题。 （1）首先要确定风轮的基本几何尺寸和特性参数。如叶片数、风轮直径、叶尖速比等；确定叶片的空气动力参数，如翼型、各叶素的弦长，各叶素的安装角、叶片外形等。 （2）其次要确定叶片和

35、风力机所受的力，以便按照强度、刚度要求设计叶片结构和风轮，使叶片和风力机具有可靠安全性能经承受它所处环境的恶劣运行条件。6.2.1风轮的设计 （1）风轮的几何定义与参数 多个叶片固定在轮毂上就构成了风轮。 先给出他的一些几何定义。 旋转平面旋转平面：与风轮轴垂直，由叶片上距风轮轴线坐标原点等距的点旋转切线构成的一组相互平行的平面。 风轮直径D：风轮扫过的圆面的直径。 风轮的轮毂比：轮毂直径和风轮直径的比。风轮 叶素：叶片在风轮任意半径r处的一个基本单元。 叶素理论 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。假设在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，即将叶素看成二维翼型

36、，这时将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。叶素上的气流速度三角形和空气动力分量 分析方法和计算公式见书上P80。6.2.2风力机设计要求 6.2.2.1风力机设计安全等级 (1)一般安全等级 (2)特性安全等级表1 风力机等级的基本参数风力机等级的基本参数 P83安全系数和强度分析 (1)安全系数 (2)强度分析风力机设计要求 （一）外部条件： 设计时要考虑环境、电网和土壤参数，并在设计文件中明确规定。环境条件包括风况和其他外部条件；电网条件是电网的周波频率等；土壤条件关系到风力机的基础设计。 （二）结构设计要求 （1）载荷 （2）设计工况和载荷情况风轮叶

37、片设计要求 P87 8.1.1 叶片数Z的确定（书上P41） 风力机的叶片数通常在确定风力机是采用高速还是低速后就确定了，其与叶尖速比有关。 8.1.1 风轮直径的确定（书上P42） 8.2叶片翼型的选择（P42） 8.3叶素的弦长和安装角 几个重要概念介绍 （1）桨距角桨距角 桨距角（Pitch Angle）也称节距角。风力机采用变桨距控制，通过调整叶片迎风角度，来进行功率调整的方式，桨距角是指风机叶片与风轮平面夹角； 桨距角即叶片弦线与旋转平面的夹角，如图中的角； 流角是来流合速度（也就是风速和旋转相对速度的合速度）与旋转平面的夹角，如图中的角； 攻角为来流合速度与叶片弦长的夹角，即图中的

38、角，且=-。 桨距角，出自航空的螺旋桨，顾名思义，就是桨叶距离上的夹角，主要原因是为了找一个参考平面，而这个平面又很容易被区分，所以找到了桨叶最顶端的截面， 风机上的桨距角指的是叶片顶端翼型弦线与旋转平面的夹角 作用： 提高功率不是要提高桨距角，调节桨距角的目的主要是：1.启动，获得比较大的启动扭矩，来使叶轮克服驱动系统的空载阻力矩；2.限制功率输出，在额定风速后，使功率平稳，保护机械和电路系统，同时可以降低载荷； 3.刹车，提供很大的气动阻力，使叶轮的转速快速降低，避免机械刹车造成的惯性力太大而造成的伤害。 在风力机中，通过对桨距角的主动控制可以克服定桨距/被动失速调节的许多缺点。 变速恒频

39、变桨距控制的理论依据： 在风速低于额定风速时，桨叶节距角=0， 通过变速恒频装置，风速变化时改变发电机转子转速，使风能利用系数恒定在Cpmax，捕获最大风能；在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而减少叶轮输入功率，使发电机输出功率稳定在额定功率。 （2）变桨距）变桨距 变桨距也就是调节桨距角。在风力机中，通过对桨距角的主动控制可以克服定桨距/被动失速调节的许多缺点 每个叶片根部和轮毂之间连接的是轴承，可以自由转动，如果是电动变桨，每个叶片可以单独运动的。比如一般发电的风速在3-20米之间，额定风速12米。意思就是风速在3-12米之间叶片会在0度位置，捕捉最大的风能，如果高于12米，会调大叶片

40、角度，使叶轮保持额定的转速。如果风再大，就会顺桨停机，也就是利用空气刹车。 下图1（不同叶片的桨距角对输出功率的影响）表示了输出功率对桨距角变化的敏感性。 桨距角最重要的应用是功率调节，桨距角的控制还有其他优点。当风轮开始旋转时，采用较大的正桨距角可以产生一个较大的启动力矩。 停机的时候，经常使用90的桨距角，因为在风力机刹车制动时，这样做使得风轮的空转速度最小。在90正桨距角时，叶片称为“顺桨”。 规律规律 在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能地捕捉较多的风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速之时小，因此也没有必要通过变桨距来调节载荷。然而，恒速风力发电机组

41、的最佳桨距角随着风速的变化而变化，因此对于一些风力发电机组，在额定风速以下时，桨距角随风速仪或功率输出信号的变化而缓慢地改变几度。 在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组吸收功率及叶轮产生载荷，使其不超过设计的限定值。然而，为了达到良好的调节效果，变桨距控制应该对变化的情况作出迅速的响应。这种主动的控制器需要仔细地设计，因为它会与风力发电机组的动态特性产生相互影响。 当达到额定功率时，随着桨距角的增加攻角会减小。攻角的减小将使升力和力矩减小。气流仍然附着在叶片上。图1和图2同样针对相同的风力机，只表示了低于额定功率时的零桨距角的功率曲线。高于额定功率时，桨距角所对应的功率曲线与额定功率曲线相交，在交点处给出了所必需的桨距角，用以维持风速下的额定功率。 从图2中可以看到，需要的桨距角随着风速的变化逐渐增大，而且通常比桨距角失速的方式所需要的大很多。在阵风的条件下，需要大的桨距角来保持功率恒定，而叶片的惯性将限制控制系统反应的速度。