风电技术培训资料2离网型风力发电机组的风轮

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1、风轮由叶片和轮毂组成，有的还含有变桨距机构，叶片设计成具有良好的空气动力外形和足够的机械强度。风轮是风力发电机关键的核心动力部件,它承受不规则甚至常有剧变的风载荷，并把风能转换为机械能，驱动发电机输出电能。离网型风力发电机风轮的运行特点是转速高，直接驱动发电机，风轮高速旋转的同时又绕塔顶立轴快速往返频繁转动，产生不容低估的陀螺力和力矩。为设计和制造岀耐用，效率高，运行可靠的风力机，风轮在投入制造前必须解决如下儿个问题：(1)根据风力发电机组的总体设计要求，确定风轮的结构型式和主要技术参数。(2)叶片的空气动力外形设计。(3)风轮的空气动力特性分析与动力计算。(4)确定风轮气

2、动载荷，结构运动惯性力等，充分满足使用强度、刚性耍求，以保障风轮在恶劣环境和复杂运行条件下具有可靠的安全性能。(5)消除风轮的有害振动。1、风轮结构型式和主要技术参数。总体设计通常要求给出：风轮布置(水平/垂直、上风/下风、锥角、仰角等)、桨距(定/变)、翼型、叶片数、尖速比、额定风速、输岀功率、切入风速、切出风速、安全风速等，需依据这些要求确定风轮的结构和主要技术参数。现有离网型风力发电机主流产品的风轮多采用水平轴、上风向、定桨距、3叶片结构，也有些机型采用下风向、变桨距的结构型式。1.1叶片数目风轮叶片数有2、3、4、5多种，有的为实现低风速发电，风轮外缘设计了扩散轮圈

3、，叶片数多达5~8片。叶片数目选3片的优点是：①数目适中；②风轮容易调整平衡；③叶片的质量对风轮、塔架、轴线形成匀称布局减小动态响应的几率；①可运行在经济合理的尖速比范围，与其配套的直驱发电机尺寸小、重量轻、运行效率高。1.2尖速比风力机的尖速比可在4、5、6、7、8、9中选取。在额定风速、风轮直径确定之后，尖速比值值便决定了风轮转速。尖速比值高，发电机转速高，可提高发电机的效率，电机体积和重量能减少，降低发电机的制造成本。但尖速比值偏高,风轮转速太高，当高至叶尖线速度超过70m/s吋叶片风蚀损害严重，且容易产生噪音。因此，风力发电机的尖速比值取6〜7比较合适。1.3额定风

4、速额定风速取值是否合理，判定原则应看它的年发电量是否最高。取值偏高，机组很少达到额定输出功率，设备利用率低，年发电量少，风电营运成本高；取值过低，风轮和发电机结构尺寸大，耗材多，转速和功率控制系统负担重，制造成本高，风电营运成本也高。以往有很多“微风发电”案例，已证明过分追求微风速发电其经济和技术效果都比较差。据经验估计取常年平均风速的1・6〜2倍作为该地区的额定风速比较适宜。对于分散多地点安装使用的离网式风力发电机，如能进一步兼顾该地区高风频、高能量的风速段（如6〜8m/s）,使机组在这一风速段具有较高的转换效率则更有利于提高年发电量。1.4风轮直径的估算式中D——风轮直

5、径（m）P,——额定功率（V）p——空气质量密度°随海拔高度，大气温度和湿度有关，其标准状态p二1.225kg/m3oyn额定风速（m/s）QP——风轮效率，估算时可取0.35〜0.4a——发电机效率——传动及其他效率1.5叶片翼型风力机先前采用NASA.NACA.等航空翼型。由于运行条件有很多不同，近年先后研究出适用于风力机的FFA-W系列、DU系列和NRELS系列翼型。FFA63-系列，瑞典航空研究院研发，相对厚度大，升阻比高；DU系列，荷兰Delft技术大学研发，低雷诺数下升阻比高；NRELS系列，美国国家可再生能源实验室研发，适用于失速型风轮。2000年以来我国离网

6、型风力发电机风轮相继采用FFA63、DU和NRELS翼型设计制造叶片，其中NRELS翼型多用于定桨距失速型风轮叶片，使用效果均优于航空翼型。2叶片的空气动力设计及风轮动力特性依据总体设计要求确定翼型、叶片数、尖速比、风轮运行方式（定、变桨距）、额定风速、发电机效率等，采用动量一一叶素理论，对风力机叶片气动外形进行优化设计。2.1叶片气动外形设计步骤（1）建立数学模型（2）设定设计变量：叶片沿展向变化的剖面弦长C、相对厚度t和儿何扭角Qo（3）拟定目标函数：对定桨距，叶尖角度为零度时风力机年输出功率；对变桨距，叶尖角度为零度，额定风速时的风能利用系数。（4）确定约束条件：在结

7、构上约束叶片的几何参数；在性能上约束输岀功率（对定桨距，输出功率不能高于最人功率；对变桨距，额定风速达到输出功率）。（5）通过迭代方法求得轴向诱导因子a和周向诱导因子b。1）假设a和b的初值，一般可取0；2）计算入流角①=arctan—小《（1+b）Qr3）计算迎角〃（H为叶素安装角）4）根据翼型空气动力特性得到叶素的升力系数G和阻力系数5）计算法向力系数Cn和切向力系数CtCn=C]cosO+Cdsin