第一篇：风电基础技术知识

1第一篇：风电基础技术知识第一章 风能资源概述第一节：风向与风速• 风是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，水平方向的大气运动称为风• 大气的运动本质上是由太阳热辐射引起的因此，风能是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 流动——风全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此• 风向与风速是确定风况的两个重要参数一、风向• 风向——来风的方向通常说的 西北风 、 南风 等即表明的就是风向• 陆地上的风向一般用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——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；——最小阻力系数减小；——升阻比增加第二节：叶轮空气动力学基础一、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=2 r tg r二、贝兹理论1、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：S 1V1 = SV = S2V22. 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= SV 2(V1-V2)123、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 SV (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、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aa>0a的范围： ½ > 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=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 SV 13 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 )=16/270.593，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 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：dF＝dLcos + dDsin dT＝r(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=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 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 sint—— 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： 齿轮箱与刹车 大型风力机的转速大多在30~50rpm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：定轴齿轮传动齿轮传动 行星齿轮传动混合轮系传动600kw风力机用的齿轮箱二、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： 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、对风原理19三、其它问题 偏航角速度： 0.026~0.035rad/s(1/4r/m~1/3r/m)  回转制动器的应用： 保证对风可靠。

第四节： 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 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=1/2C pSV13 ——改变S： 叶轮侧偏 —— 改变C p： 变 桨距、失速 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22一、 叶轮的总体参数一台设计良好的风力机必须具有良好的空气动力性能风力机的空气动能主要表现为叶轮的空气动力性能叶轮的空气动力性能主要取决于它的气动设计气动设计时，必须先确定总体参数这也是进行方案设计所必需的1、尖速比 0 叶。