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1、1第一篇：风电基础技术知识第一章第一章 风能资源概述风能资源概述第一节：风向与风速第一节：风向与风速风是大气的运动大气的运动。气象学上一般把垂直方向的大气运动称为气流气流，水平方向的大气运动称为风风 大气的运动本质上是由太阳热辐射引起的。因此，风能风能是太阳能太阳能的一种表现形式。 地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的空气。 这就导致了空气的空气的 流动流动风风。全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此。 风向风向与风速风速是确定风况的两个重要参数 一、风向 风向来风的方向来风的方向。通常说的西北风西北风、南风南风等即表明的就是风向。陆地上的风
2、向一般用16个方位观测。即以正北为零度，顺时针每转过22.5为一个方位。风向的方位图图示如下。二、风速 风速风速风流动的速度，用空气在单位时间内流经的距离表示 ，单位：m/s或km/h。风速是表示气 流强度和风能的一个重要物理量。风速和风向都是不断变化的。 瞬时风速瞬时风速任意时刻风的速度。具有随机性因而不可控制。测量时选用极短的采样间隔，如V1。而由伯努利方程，必使：P2 Ct时，CL将下降。 当=0(Recr 紊流雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力之比。 雷诺数的影响雷诺数的影响考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着雷诺数的增加：升力曲线斜率，最大升力系数与失速攻角均增加；最小阻力
3、系数减小；升阻比增加。第二节：叶轮空气动力学基础第二节：叶轮空气动力学基础一、几何描述一、几何描述叶轮轴线：叶轮旋转的轴线。旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角安装角（重要概念）。半径r处的桨叶剖面：距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面。安装角：桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角，又称桨距角，记为。半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺旋线的螺距。可以从几个方面来理解：11几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角。此处的螺旋升角为该半径处的安装角r。该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。桨距值：H=2r tg r二、贝兹理论二、贝
4、兹理论1 1、贝兹理论中的假设、贝兹理论中的假设叶轮是理想的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；气流始终沿着叶轮轴线；叶轮处在单元流管模型中，如图。流体连续性条件：S1V1 = SV = S2V22.2. 应用气流冲量原理应用气流冲量原理叶轮所受的轴向推力：F=m(V1-V2)式中m=SV，为单位时间内的流量质量。叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为：P=FV= SV2(V1-V2)123 3、动能定理的应用、动能定理的应用基本公式：E=1/2 mV2 （m同上） 单位时间内气流所做的功功率：P=1/2 mV2= =1/2 SV V2在 叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：P= 1/2 S
5、V (V21_ V22)此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。因此： SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_ V22)整理得： V=1/2 (V1+V2) 即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。4 4、贝兹极限、贝兹极限引入轴向干扰因子进一步讨论。令： V = V1( 1- a ) = V1 U 则有：V2 =V1 ( 1- 2a )其中： a轴向干扰因子，又称入流因子；U=V1a轴向诱导速度。讨论：当a=1/2时，V2=0，因此aa0。a的范围： a 0 由于叶轮吸收的功率为P=P= 1/2 SV (V21_ V22)= 2 S V13a( 1- a )2 令dP/da=
6、0，可得吸收功率最大时的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得Pmax =16/27 (1/2 SV13 )注意到1/2 SV13 是远前方单位时间内气流的动能功率，并定义风能利用系数Cp为：Cp=P/(1/2 SV13 )于是最大风能利用系数Cpmax为：Cpmax=Pmax/(1/2 SV13 )=16/270.593，此乃贝兹极限。三、叶素理论1、基本思想将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶素；视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；13作用在每个叶素上的力互不干扰；将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。2、叶素模型端面：桨叶的径向距离r处取
7、微段，展向长度dr。在旋转平面内的线速度：U=r。翼型剖面：弦长 C，安装角。设V为来流的风速，由于U的影响，气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为W。旋转 平面定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角，记为，则有叶片翼型的攻角为：=-。3、叶素上的受力分析、叶素上的受力分析在W的作用下，叶素受到一个气动合力dR，可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。另一方面，dR还可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT，由几何关系可得：dFdLcos + dDsin dTr(dLsin - dD cos )由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl 分别求得dD和dL:dL =1/2 CLW 2C drdD
8、=1/2 CD W2C dr， 故dF和dT可求。将叶素上的力元沿展向积分，得：14作用在叶轮上的推力：F= dF作用在叶轮上的扭矩：T= dT叶轮的输出功率：P= dT= T第三章风力机的机械设计第一节：叶轮第一节：叶轮由轮毂和相连接的叶片组成。讨论要点：轮毂与桨叶的连接型式轮毂材料与检验桨叶的强度计算一、轮毂与桨叶的连接型式1、固定连接（刚性连接）三叶片叶轮大多用此连接方式。制造成本低，较少维护，无磨损。但要承受所有来自叶片的载荷。连接用螺栓的材质要好，外加防松装置。为产生锥角效应，最好使锥角 满足： tg= 气动推力/ 离心力 2、铰链式连接（柔性连接）15常用于两叶片叶轮。铰链轴分别垂
9、直于叶片轴和叶轮转轴挥舞运动不受约束。如果两个叶片固连成一体，特称为跷跷板铰链，可使桨叶在旋转平面前后几度（如5度）的范围内自由摆动，以便更利于锥角效应。变桨距叶轮中的桨叶转轴另行介绍。但扭转力矩变化较大，叶轮躁声大，结构复杂。二、轮毂材料与检验轮毂可用铸钢铸造或由钢板焊接而成。铸件不能有铸造缺陷（夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等），否则重新浇铸。对焊接件的焊缝要进行超声波检查。大型风力机叶轮的轮毂可用加延长节的方式，简化轮毂的制造，减少出现各种缺陷的可能。对轮毂（和延长节）要进行静强度和疲劳强度分析。三、桨叶的强度计算桨叶的危险剖面：桨叶根部。 考虑桨叶处于水平和垂直两个特殊方位时的强度计算。1、桨
10、叶处于水平位置叶根载荷：重力矩（最大）；气动推力产生的弯矩； 弯曲应力扭转力矩产生的弯矩；离心力： 拉应力2、桨叶处于垂直位置偏航时的陀螺力矩为：M=2J sint 当t 为0 （即处于水平位置）时，M 为0 ； 当t 为 90 时，M 最大。 外加其它正常作用的载荷，桨叶根部应力最大。 16第二节：第二节： 齿轮箱与刹车齿轮箱与刹车大型风力机的转速大多在3050rpm之间，也有更低的（考虑桨叶离心力与叶尖线速度），与发电机之间存在较大的转速差。故设置传动装置齿轮箱。传动装置包括：增速器、联轴器等。一、齿轮箱基本要求：重量轻、效率高（尤其对大型风力机）、承载能力大、躁声小、起动力矩小。类别：定
11、轴齿轮传动齿轮传动 行星齿轮传动混合轮系传动600600kwkw风力机用的齿轮箱风力机用的齿轮箱二、机械刹车二、机械刹车一般有两种刹车装置：运行刹车：正常情况下反复使用。紧急刹车：出现运行故障时使用。18安置位置：低速端或高速端。三、空气动力刹车用途：常用于失速型风力机的超速保护，作为机械刹车的补充。原理：通过改变桨叶的升阻比。实现：常通过超速时的离心作用。 第三节：第三节： 对风装置对风装置为了使风力机有效地捕捉风能，应保证叶轮始终基本上处于迎风状态。这里简单介绍电动对风装电动对风装置置。大中型风力机中普遍使用电动对风装置。一、系统组成风向标，控制电路，偏航齿轮，伺服电机，刹车等。二、对风原
12、理19三、其它问题偏航角速度： 0.0260.035rad/s(1/4r/m1/3r/m) 回转制动器的应用： 保证对风可靠。第四节：第四节： 塔架塔架 型式有拉索式无拉索式 桁架式圆筒式塔架高度第五节：调速（限速）方式第五节：调速（限速）方式在一定的风速变化范围内自动限制转速和功率。调速原理：叶轮输出功率：P=1/2CpSV13 改变S： 叶轮侧偏 改变Cp： 变 桨距、失速 。一、变桨距调节一、变桨距调节1、调节原理佳与CL 及Cp 关系； 利用= - （桨距角 ） 202 、实现方式 全桨叶变桨距，叶尖局部变桨距。 全桨叶变桨距方式 1）离心式 2）风压式：利用风压中心与转轴中心不重合的
13、特点。3）伺服机构式二、失速调节 1、失速现象当桨叶上的攻角增大到一定数值时，在翼型上翼面流动的气流产生偏离而不能附着在上面（称为脱落或分离）的现象。W V额定风速 V 正常气流 -UW V额定风速 V 失速 -U几点说明：正常流动时，流线平滑且流过上翼面。这种流动从翼型前缘邻近到剖面的最大压力点处是加速进行的，然后沿着上翼面的其余部分到后缘缓慢减速。对于保持附着在上翼面的流动来说，这种减速必定是非常缓慢的。当攻角足够大（大于失速攻角）时，上述的“减速”加大而使附面层无法保持，使气流从翼型表面分离失速。21一般来说，失速攻角在12左右（大致相当于升力系数为1. 2）。同时，它在很大程度上还取决
14、于翼型形状和雷诺（Reynolds）数。未失速的翼型具有低阻力且升力系数随攻角线性增加的特性。而失速的翼型阻力加大，升力大大降低。2、失速调节根据翼型上升力L、阻力D与驱动力矩T、推力F之间的关系以及叶轮输出功率P=T，失速时的驱动力矩不再增加，使叶轮的转速维持近似的恒定，而功率也不再增加。由于叶尖处的安装角 较小，其攻角较大而接近失速状态。一旦风速超过额定值，叶尖首先进入失速状态。叶轮输出的最大功率对叶片的安装角的变化很敏感，大体上是安装角越大，开始失速时的风速越大，而最大功率也越高。采用失速调节时的安装角应该相当准确，以免不必要的空气动力损失而影响出力。3、失速调节的特点优点无变桨距调节时的运动机构，轮毂结构简化，生产成本降低，维护费用减少。失速后，阵风对叶轮的输出功率影响不大，即该功率不会随阵风出现太大的波动。因此风力机无需进行功率调节，进而省去功率调节系统的费用。 缺点需可靠的刹车以免在风速过大失速消失后出现飞车，这导致了额外的费用。由于随风速的增加，气动推力加大，即便功率恒定或稍有下降。此时叶片、机舱和塔架上将承受较高的动态载荷。在频繁的刹车过程中，使叶片与传动系统产生较大的动载荷。起动风速较高，使起动性较差。在低空气密度地区难以达到额定功率。 第六节：桨叶设计中的若干问题第六节：桨叶设计中的若干问题22一、 叶轮的总体参数一台设计良好的风力机必须具有
