風(fēng)力機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)

1、第三章 風(fēng)力機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì) 葉輪 塔架 傳動(dòng)裝置 附屬部件 偏航裝置 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)3.13.1、葉輪、葉輪由輪轂和相連接的葉片組成。討論要點(diǎn)： 輪轂與槳葉的連接型式 輪轂材料與檢驗(yàn) 槳葉的強(qiáng)度計(jì)算一、輪轂與槳葉的連接型式一、輪轂與槳葉的連接型式1、固定連接（剛性連接）、固定連接（剛性連接）三葉片葉輪大多用此連接方式。制造成本低，較少維護(hù)，無(wú)磨損。但要承受所有來(lái)自葉片的載荷。連接用螺栓的材質(zhì)要好，外加防松裝置。2、鉸鏈?zhǔn)竭B接（柔性連接）常用于兩葉片葉輪。鉸鏈軸分別垂直于葉片軸和葉輪轉(zhuǎn)軸揮舞運(yùn)動(dòng)不受約束。如果兩個(gè)葉片固連成一體，特稱為蹺蹺板鉸鏈，可使槳葉在旋轉(zhuǎn)平面前后幾度（如5度）的范圍內(nèi)自由擺動(dòng)，以便

2、更利于錐角效應(yīng)。變槳距葉輪中的槳葉轉(zhuǎn)軸另行介紹。但扭轉(zhuǎn)力矩變化較大，葉輪躁聲大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。二、輪轂材料與檢驗(yàn)二、輪轂材料與檢驗(yàn)輪轂可用鑄鋼鑄造或由鋼板焊接而成。 鑄件不能有鑄造缺陷（夾渣、縮孔、砂眼、裂紋等），否則重新澆鑄。 對(duì)焊接件的焊縫要進(jìn)行超聲波檢查。大型風(fēng)力機(jī)葉輪的輪轂可用加延長(zhǎng)節(jié)的方式，簡(jiǎn)化輪轂的制造，減少出現(xiàn)各種缺陷的可能。對(duì)輪轂（和延長(zhǎng)節(jié)）要進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。三、槳葉的強(qiáng)度計(jì)算三、槳葉的強(qiáng)度計(jì)算槳葉的危險(xiǎn)剖面：槳葉根部。 考慮槳葉處于水平和垂直兩個(gè)特殊方位時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算。1、槳葉處于水平位置 葉根載荷：重力矩（最大）；氣動(dòng)推力產(chǎn)生的彎矩； 彎曲應(yīng)力扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的彎矩；離心力

3、： 拉應(yīng)力 2、槳葉處于垂直位置偏航時(shí)的陀螺力矩為： M=2J sint當(dāng)t為0（即處于水平位置）時(shí)，M為0；當(dāng)t為90時(shí)，M最大。外加其它正常作用的載荷，槳葉根部應(yīng)力最大。 3.2 3.2 齒輪箱與剎車齒輪箱與剎車大型風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速大多在3050rpm之間，也有更低的（考慮槳葉離心力與葉尖線速度），與發(fā)電機(jī)之間存在較大的轉(zhuǎn)速差。故設(shè)置傳動(dòng)裝置齒輪箱。傳動(dòng)裝置包括：增速器、聯(lián)軸器等。一、齒輪箱一、齒輪箱基本要求： 重量輕、效率高（尤其對(duì)大型風(fēng)力機(jī)）、承載能力大、躁聲小、起動(dòng)力矩小。類別： 定軸齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng) 行星齒輪傳動(dòng) 混合輪系傳動(dòng) 600kw600kw風(fēng)力機(jī)用的齒輪箱風(fēng)力機(jī)用的齒輪箱二、

4、機(jī)械二、機(jī)械剎車剎車一般有兩種剎車裝置： 運(yùn)行剎車：正常情況下反復(fù)使用。 緊急剎車：出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)使用。安置位置：低速端或高速端。三、空氣動(dòng)力剎車三、空氣動(dòng)力剎車用途：常用于失速型風(fēng)力機(jī)的超速保護(hù)， 作為機(jī)械剎車的補(bǔ)充。原理：通過(guò)改變槳葉的升阻比。實(shí)現(xiàn)：常通過(guò)超速時(shí)的離心作用。 3.3 3.3 對(duì)風(fēng)裝置對(duì)風(fēng)裝置 為了使風(fēng)力機(jī)有效地捕捉風(fēng)能，應(yīng)保證葉輪始終基本上處于迎風(fēng)狀態(tài)。 這里簡(jiǎn)單介紹電動(dòng)對(duì)風(fēng)裝置電動(dòng)對(duì)風(fēng)裝置。 大中型風(fēng)力機(jī)中普遍使用電動(dòng)對(duì)風(fēng)裝置。一、系統(tǒng)組成 風(fēng)向標(biāo)，控制電路，偏航齒輪，伺服電機(jī)，剎車等。二、對(duì)風(fēng)原理三、其它問(wèn)題三、其它問(wèn)題偏航角速度： 0.0260.035rad/s (1

5、/4r/m1/3r/m)回轉(zhuǎn)制動(dòng)器的應(yīng)用： 保證對(duì)風(fēng)可靠。3.4 3.4 塔架塔架型式 有拉索式 無(wú)拉索式 桁架式 圓筒式塔架高度3.5 3.5 調(diào)速（限速）方式調(diào)速（限速）方式在一定的風(fēng)速變化范圍內(nèi)自動(dòng)限制轉(zhuǎn)速和功率。調(diào)速原理： 葉輪輸出功率：P=1/2CpSV13 改變S：葉輪側(cè)偏 改變Cp：變槳距、失速 。一、變槳距調(diào)節(jié)一、變槳距調(diào)節(jié)1、調(diào)節(jié)原理佳與CL及Cp關(guān)系；利用= - （槳距角 ）2、實(shí)現(xiàn)方式 全槳葉變槳距，葉尖局部變槳距。全槳葉變槳距方式 1）離心式2）風(fēng)壓式 利用風(fēng)壓中心與轉(zhuǎn)軸中心不重合的特點(diǎn)。3）伺服機(jī)構(gòu)式二、失速調(diào)節(jié)二、失速調(diào)節(jié) 1、失速現(xiàn)象、失速現(xiàn)象 當(dāng)槳葉上的攻角增大

6、到一定數(shù)值時(shí)，在翼型上翼面當(dāng)槳葉上的攻角增大到一定數(shù)值時(shí)，在翼型上翼面流流動(dòng)的氣流產(chǎn)生偏離而不能附著在上面（稱為脫落或分離）動(dòng)的氣流產(chǎn)生偏離而不能附著在上面（稱為脫落或分離）的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 W V額定風(fēng)速 V 正常氣流 -U W V額定風(fēng)速 V 失速 -U幾點(diǎn)說(shuō)明：幾點(diǎn)說(shuō)明：正常流動(dòng)時(shí)，流線平滑且流過(guò)上翼面。這種流動(dòng)從翼正常流動(dòng)時(shí)，流線平滑且流過(guò)上翼面。這種流動(dòng)從翼型前緣鄰近到剖面的最大壓力點(diǎn)處是加速進(jìn)行的，然型前緣鄰近到剖面的最大壓力點(diǎn)處是加速進(jìn)行的，然后沿著上翼面的其余部分到后緣緩慢減速。對(duì)于保持后沿著上翼面的其余部分到后緣緩慢減速。對(duì)于保持附著在上翼面的流動(dòng)來(lái)說(shuō)，這種附著在上翼面的流動(dòng)

7、來(lái)說(shuō)，這種減速減速必定是非常緩慢必定是非常緩慢的。的。當(dāng)攻角足夠大（大于失速攻角）時(shí)，上述的當(dāng)攻角足夠大（大于失速攻角）時(shí)，上述的“減速減速”加大而使附面層無(wú)法保持，使氣流從翼型表面分離加大而使附面層無(wú)法保持，使氣流從翼型表面分離失速。失速。一般來(lái)說(shuō)，失速攻角在一般來(lái)說(shuō)，失速攻角在1212左右（大致相當(dāng)于升力系左右（大致相當(dāng)于升力系數(shù)為數(shù)為1. 21. 2）。同時(shí)，它在很大程度上還取決于翼型形）。同時(shí)，它在很大程度上還取決于翼型形狀和雷諾（狀和雷諾（ReynoldsReynolds）數(shù)。）數(shù)。未失速的翼型具有低阻力且升力系數(shù)隨攻角線性增加未失速的翼型具有低阻力且升力系數(shù)隨攻角線性增加的特性。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、失速調(diào)節(jié)、失速調(diào)節(jié)根據(jù)翼型上升力根據(jù)翼型上升力L、阻力、阻力D與驅(qū)動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)力矩T、推力、推力F之間的之間的關(guān)系以及葉輪輸出功率關(guān)系以及葉輪輸出功率P=T ，失速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩不再，失速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩不再增加，使葉輪的轉(zhuǎn)速維持近似的恒定，而功率也不再增加，使葉輪的轉(zhuǎn)速維持近似的恒定，而功率也不再增加。增加。由于葉尖處的安裝角由于葉尖處的安裝角 較小，其攻角較大而接近失速較小，其攻角較大而接近失速狀態(tài)。一旦風(fēng)速超過(guò)額定值，葉尖首先進(jìn)入失速狀態(tài)。狀態(tài)。一旦風(fēng)速超過(guò)額定值，葉尖首先進(jìn)入失速狀態(tài)。葉輪輸出的最大功率對(duì)葉

9、片的安裝角的變化很敏感，葉輪輸出的最大功率對(duì)葉片的安裝角的變化很敏感，大體上是安裝角越大，開(kāi)始失速時(shí)的風(fēng)速越大，而最大體上是安裝角越大，開(kāi)始失速時(shí)的風(fēng)速越大，而最大功率也越高。采用失速調(diào)節(jié)時(shí)的安裝角應(yīng)該相當(dāng)準(zhǔn)大功率也越高。采用失速調(diào)節(jié)時(shí)的安裝角應(yīng)該相當(dāng)準(zhǔn)確，以免不必要的空氣動(dòng)力損失而影響出力。確，以免不必要的空氣動(dòng)力損失而影響出力。3 3、失速調(diào)節(jié)的特點(diǎn)、失速調(diào)節(jié)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)無(wú)變槳距調(diào)節(jié)時(shí)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪轂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，無(wú)變槳距調(diào)節(jié)時(shí)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪轂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，生產(chǎn)成本降低，維護(hù)費(fèi)用減少。生產(chǎn)成本降低，維護(hù)費(fèi)用減少。失速后，陣風(fēng)對(duì)葉輪的輸出功率影響不大，失速后，陣風(fēng)對(duì)葉輪的輸出功率影響不大，即即該功

10、率不會(huì)隨陣風(fēng)出現(xiàn)太大的波動(dòng)。因此風(fēng)力機(jī)該功率不會(huì)隨陣風(fēng)出現(xiàn)太大的波動(dòng)。因此風(fēng)力機(jī)無(wú)無(wú)需進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，進(jìn)而省去功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的費(fèi)用。需進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，進(jìn)而省去功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的費(fèi)用。缺點(diǎn)缺點(diǎn)需可靠的剎車以免在風(fēng)速過(guò)大失速消失后出現(xiàn)飛車，需可靠的剎車以免在風(fēng)速過(guò)大失速消失后出現(xiàn)飛車，這導(dǎo)致了額外的費(fèi)用。這導(dǎo)致了額外的費(fèi)用。由于隨風(fēng)速的增加，氣動(dòng)推力加大，即便功率恒定由于隨風(fēng)速的增加，氣動(dòng)推力加大，即便功率恒定或稍有下降。此時(shí)葉片、機(jī)艙和塔架上將承受較高的或稍有下降。此時(shí)葉片、機(jī)艙和塔架上將承受較高的動(dòng)態(tài)載荷。動(dòng)態(tài)載荷。在頻繁的剎車過(guò)程中，使葉片與傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大在頻繁的剎車過(guò)程中，使葉片與傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大

11、的動(dòng)載荷。的動(dòng)載荷。起動(dòng)風(fēng)速較高，使起動(dòng)性較差。起動(dòng)風(fēng)速較高，使起動(dòng)性較差。在低空氣密度地區(qū)難以達(dá)到額定功率。在低空氣密度地區(qū)難以達(dá)到額定功率。3.6 3.6 槳葉設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題槳葉設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題3.6.1 葉輪的總體參數(shù)葉輪的總體參數(shù) 一臺(tái)設(shè)計(jì)良好的風(fēng)力機(jī)必須具有良好的空氣動(dòng)力性能。 風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)能主要表現(xiàn)為葉輪的空氣動(dòng)力性能。 葉輪的空氣動(dòng)力性能主要取決于它的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。 氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須先確定總體參數(shù)。這也是進(jìn)行方案設(shè)計(jì)所必需的。一、尖速比一、尖速比 0 0葉輪的葉尖線速度與額定風(fēng)速之比。是一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)。與葉片數(shù)及實(shí)度有關(guān)。用于風(fēng)力發(fā)電的高速風(fēng)力機(jī)，常取較大的尖速比。尖速比在5-

12、15 時(shí)，具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)。通?？扇?6-8 。 高速風(fēng)力機(jī)在制造成本，運(yùn)行平穩(wěn)性等方面均優(yōu)于低速風(fēng)力機(jī)。但啟動(dòng)風(fēng)速較高。尖速比的最終值： 在初定的基礎(chǔ)上，需根據(jù)額定風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇齒輪箱傳動(dòng)比，再計(jì)算尖速比，作為設(shè)計(jì)參數(shù)。二、葉片數(shù)取決于葉輪的尖速比 ，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表 。由于葉片數(shù)少的風(fēng)力機(jī)在高尖速比運(yùn)行的具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，適合于發(fā)電。三葉片的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行和功率輸出較平穩(wěn)，兩葉片的可降低成本。三、風(fēng)輪直徑三、風(fēng)輪直徑D D風(fēng)輪直徑D 主要取決于兩個(gè)因素： 風(fēng)力機(jī)輸出功率P 額定風(fēng)速V1計(jì)算公式的推導(dǎo)：葉輪輸出功率：P1=1/2 CpSV13 =P/(12) 于是 ： P =

13、1/2 CpV13 12 D 2 /4直徑D 的簡(jiǎn)化計(jì)算公式： D 2 =8P/( Cp 12 V13) 5.6P/ V13 其中，取 Cp 0.45， 1.25， 12 0.81四、額定風(fēng)速（設(shè)計(jì)風(fēng)速） V V1 1額定風(fēng)速的影響： 直接影響著葉輪乃至風(fēng)力機(jī)尺寸及成本，是一個(gè)非常重要的參數(shù)。額定風(fēng)速的確定： 取決于使用地區(qū)的風(fēng)能資源分布，包括： 平均風(fēng)速的大小； 風(fēng)速的頻率分布。技術(shù)人員應(yīng)該具備相關(guān)的背景知識(shí)五、實(shí)度五、實(shí)度定義：葉輪的葉片面積之和與風(fēng)輪掃面積之比。 它是和尖速比密切相關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)。取值： 對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，由于尖速比較高，要求有較高的轉(zhuǎn)速，起動(dòng)風(fēng)速高，因此，可取較小的

14、實(shí)度。通常大致在520%之間。 可參考Hutter的研究結(jié)果（圖略）。作用：決定葉輪的力矩特性，尤其是起動(dòng)力矩；決定葉輪的重量與材料成本。六、翼型的升阻比六、翼型的升阻比 翼型決定著風(fēng)力機(jī)的效率，具體體現(xiàn)在翼型的升阻比（L/D）上。 升阻比愈高： 風(fēng)能利用系數(shù)愈大，則風(fēng)力機(jī)的效率愈高。 性能曲線中風(fēng)能利用系數(shù)Cp受葉片數(shù)或尖速比的影響愈小七、其它參數(shù)七、其它參數(shù)1、葉輪中心離地面高度、葉輪中心離地面高度H 取決于安裝地點(diǎn)（山谷、丘陵等），垂直風(fēng)梯度，安裝條件，單機(jī)容量等因素。 2、葉輪錐角、葉輪錐角 葉片和旋轉(zhuǎn)平面的夾角。 減少氣動(dòng)力引起的葉根彎曲應(yīng)力（對(duì)下風(fēng)式風(fēng)力機(jī)）； 防止葉片梢部與塔架碰

15、撞（對(duì)上風(fēng)式）。 3、葉輪傾角、葉輪傾角 葉輪轉(zhuǎn)軸與水平面的夾角。 減少葉片梢部與塔架碰撞的機(jī)會(huì)3.6.2 葉片的載荷分析葉片的載荷分析對(duì)葉片運(yùn)行載荷分析與計(jì)算，不僅是葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所必須的，而且更為重要的是分析整個(gè)風(fēng)力機(jī)各部件受載的基礎(chǔ)。風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行情況下，作用在其上的載荷就比較復(fù)雜，主要有氣動(dòng)載荷，重力和慣性載荷。它們都隨時(shí)間而變化，特別是氣動(dòng)載荷受陣風(fēng)和風(fēng)向變化的影響是隨機(jī)的，要準(zhǔn)確計(jì)算是困難的。除了正常運(yùn)行情況外，還有其它工況，如啟動(dòng)停機(jī)，突然停機(jī)等，都將導(dǎo)致額外的載荷。本節(jié)僅討論正常運(yùn)行工況下的載荷問(wèn)題。一、葉片的受力分析一、葉片的受力分析作用在葉片上的力作用在葉片上的力 簡(jiǎn)化為三種

16、力：空氣動(dòng)力、離心力和重力。各作用力的影響各作用力的影響二、陣風(fēng)效應(yīng)二、陣風(fēng)效應(yīng) 陣風(fēng)期間，風(fēng)速在一秒內(nèi)可變化1520m/s甚至更多，風(fēng)向在一秒內(nèi)可改變幾十度。此時(shí)，葉片處在不利的攻角下，導(dǎo)致所受彎矩的增加陣風(fēng)效應(yīng)。 -U W V1三、錐角效應(yīng)三、錐角效應(yīng)對(duì)下風(fēng)式風(fēng)力機(jī)，葉片與轉(zhuǎn)軸的夾角小于90度，將使正常運(yùn)行時(shí)葉片受到的彎曲應(yīng)力大大減小，甚至可為零錐角效應(yīng)錐角效應(yīng)。問(wèn)題?四、陀螺效應(yīng)四、陀螺效應(yīng) 葉輪偏航時(shí)，槳葉除受到氣動(dòng)力的作用外，還受有離心力和旋轉(zhuǎn)慣性力，在槳葉中產(chǎn)生附加力矩陀螺效應(yīng)，附加力矩的大小為： M=2I1第四章第四章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用的發(fā)電機(jī)種類葉輪與發(fā)電機(jī)的匹配發(fā)電機(jī)

17、組的并網(wǎng)運(yùn)行4.1 常用的發(fā)電機(jī)種類一、同步發(fā)電機(jī)一、同步發(fā)電機(jī)1、基本構(gòu)成 定子 定子鐵心 定子繞組（定子線圈） 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子鐵心（磁極） 勵(lì)磁繞組（轉(zhuǎn)子繞組） 由于轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，而該感應(yīng)電流又產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的電磁力。因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不能等于同步轉(zhuǎn)速n1異步電動(dòng)機(jī) 3、轉(zhuǎn)差率 定義 n1 - n為轉(zhuǎn)速差轉(zhuǎn)速差； s = (n1 - n)/ n1 100%為轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率一般為1.56%。 用作發(fā)電機(jī)時(shí)，必須使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速n1 ，此時(shí)，葉輪與發(fā)電機(jī)的匹配葉輪與發(fā)電機(jī)的匹配 由于缺乏風(fēng)力發(fā)電專用的發(fā)電機(jī)系列由于缺乏風(fēng)力發(fā)電專用的發(fā)電機(jī)系列

18、產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者需選用合適的發(fā)電機(jī)。選用產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者需選用合適的發(fā)電機(jī)。選用時(shí)必須考慮葉輪與發(fā)電機(jī)之間的匹配問(wèn)題，時(shí)必須考慮葉輪與發(fā)電機(jī)之間的匹配問(wèn)題，主要包括功率匹配、轉(zhuǎn)速匹配及轉(zhuǎn)矩匹配。主要包括功率匹配、轉(zhuǎn)速匹配及轉(zhuǎn)矩匹配。一、功率匹配一、功率匹配葉輪功率曲線葉輪輸出功率與風(fēng)速或葉輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。發(fā)電機(jī)功率特性曲線輸出功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。問(wèn)題問(wèn)題：在同一額定功率下，葉輪所對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)所對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速相差幾倍到幾十倍。解決途徑：利用增速機(jī)構(gòu)，使發(fā)電機(jī)在葉輪的額定轉(zhuǎn)速下發(fā)出額定功率。葉輪與發(fā)電機(jī)的功率匹配圖葉輪與發(fā)電機(jī)的功率匹配圖 2000 1500 1000 500 0 50 100 150 200 250 300說(shuō)明：說(shuō)明：風(fēng)速很低時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)幾乎沒(méi)有輸出功率，即未給葉輪加負(fù)載。風(fēng)速