风力发电讲义 第二章

翼型剖面的阻力特性用阻力系数CD随攻角变化的曲线 （阻力特性曲线）来描述。 在>CDmin时，CD随的增加而逐渐加大。 在<CDmin时，CD随的增加而逐渐减小。 在=CDmin时，CD达最小值CDmin。
第二章 风力机的基本理论与结构
第三节风力机的主要部件
水平轴风力发电机组组成： 水平轴风力机部分：主要由风轮、风轮轴、低速联轴器、塔


（4）为了降低成本, 有些中型风力机的叶片采用金属挤 压件, 或者利用玻璃纤维或环氧树脂抽压成型(图d) 。 但整个叶片无法挤压成渐缩形状,即宽度、厚度等不能变 化,难以达到高效率。
第二章 风力机的基本理论与结构
第三节风力机的主要部件

有些小型风力机叶片： 为了达到更经济的效果, 叶片用管梁和具有气动 外形的较厚的玻璃纤维蒙皮做成(图e) 。或者用 铁皮或铝皮预先做成翼型形状, 加上铁管或铝管, 用铆钉装配而成(图f ) 。 今后的趋势： 除小型风力机的叶片部分采用木质 材料外,中、大型风力机的叶片今后的趋势都倾向 于采用玻璃纤维或高强度复合材料。



垂直轴风力机可分为两个主要类别：
一类是利用空气动力的阻力作功,典型的结构是S 型风轮。其优点 是起动转矩较大,缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流,从而对 它产生侧向推力。对于较大型的风力机,因为受偏转与安全极限应 力的限制, 采用这种结构形式是比较困难的。 另一类是利用翼型的升力作功,最典型的是达里厄型风力机。是 水平轴风力机的主要竞争者。

（1）风轮的几何参数 有关风轮的几何参数定义如下：





1）风轮轴线：风轮旋转运动的 轴线。 2）旋转平面：与风轮轴垂直， 叶片在旋转时的平面。 3）风轮直径：风轮在旋转平面 上的投影圆的直径。 4）风轮中心高：风轮旋转中心 到基础平面的垂直距离。 5）风轮扫掠面积：风轮在旋转 平面上的投影圆面积。
第二章 风力机的基本理论与结构
第三节风力机的主要部件
第二章 风力机的基本理论与结构
第三节风力机的主要部件
风力机的叶片构造

叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、 碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝构成的。
小型的风力发电机:如叶轮直径小于５米，选择材料通 常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其它特性， 常用整块优质木材加工制成, 表面涂上保护漆, 其根部 与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。
Sv
阻力系数： 翼型剖面的升力特性用升力系数CL随攻角变化的曲线 （升力特性曲线）来描述。如图。
CD
2 FD Sv 2

当=0°时， CL>0，气流为层流。
在0～CT（15°左右）之间，CL与呈近似的线性关系，即 随着的增加，升力FL逐渐加大。气流仍为层流。
当=CT时，CL达到最大值CLmax。CT称为临界攻角或失速 攻角。当>CT时，CL将下降, 气流也变为紊流。 当=0(<0°)时， CL=0，表明无升力。0称为零升力角， 对应零升力线。
10kW以下风力机为微型风力机，10kW至100kW的 为小型风力机，100kW至1000kW功率的为中型风力 机，1000kW以上的MW级风力机为大型风力机。

第二章 风力机的基本理论与结构 第二节风力机的空气动力学概念


1、风力机空气动力学的几何定义
风力机空气动力学主要研究空气流过风力机时的运动规律。
风力发电
广东水利电力职业技术学院
宋海辉
第二章 风力机的基本理论与结构
第一节 风力机的工作原理


风力发电机组由两大部分组成：
其一是风力机, 它的功能是将风能转换为机械能; 其二是发电机,它的功能是将机械能转换为电能。 首先介绍风力机的类型和原理。


一、风力机的种类
风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而 旋转的风轮,因此,风力机依风轮的结构及其在气流中的 位置大体上可分为两大类:


水平轴风力机可分为升力型和阻力型两类
升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用 升力型水平轴风力机
下风向风力机
第二章 风力机的基本理论与结构
第一节 风力机的工作原理


（二）垂直轴风力机
垂直轴风力机在风向改变时无需对风, 如图所示。


优点：
（1）可以接受来自任何方向的风,因而当风向改变时,无需对风。 由于不需要调向装置,使它们的结构设计简化。 （2）齿轮箱和发电机可以安装在地面上, 检修维护方便。

6）风轮锥 角：叶片相 对于和旋转 轴垂直的平 面的倾斜度。

7）风轮仰 角：风轮的 旋转轴线和 水平面的夹 角。



8）叶片轴线：叶片纵向轴线，绕其可以改变叶片相对 于旋转平面的偏转角（安装角）。 9）风轮翼型（在半径r处的叶片截面）：叶片与半径为 r并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面。 10）安装角或桨距角：在叶片径向位置（通常为 100％ 叶片半径R处）叶片翼型弦线与风轮旋转面间的夹角β ， 如图所示。
一类为水平轴风力机,如图2－1（a）示 一类为垂直轴风力机，如图2－1（b）示。

第二章 风力机的基本理论与结构
第一节 风力机的工作原理


（一）水平轴风力机
水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转, 工作时,风轮的旋转 平面与风向垂直,如图所示。 风轮上的叶片是径向安置的,与旋转轴相垂直,并与风轮的旋转平 面成一角度φ (安装角) 。 风轮叶片数目的多少,视风力机的用途而定。用于风力发电的风 力机一般叶片数取1～4(大多为2 片或3 片) , 而用于风力提水 的风力机一般取叶片数12～24。 叶片数多的风力机通常称为低速风力机,它在低速运行时,有较高 的风能利用系数和较大的转矩。它的起动力矩大,起动风速低,因 而适用于提水。 叶片数少的风力机通常称为高速风力机,它在高速运行时有较高 的风能利用系数,但起动风速较高。由于其叶片数很少, 在输出 同样功率的条件下比低速风轮要轻得多, 因此适用于发电。
（2）有关翼型几何形状定义如下：



4）翼型下表面（下翼面）：平缓的翼型表面ONB。 5）翼型的中弧线：翼型内切圆圆心的连线，对称翼型 的中弧线与翼弦重合。 6）厚度：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。 7）弯度：翼型中弧线与翼弦间的距离。 8）攻角：气流速度与翼弦间所夹的角度，记做，又 称迎角。
1 FL C L Sv 2 2
1 F CSv 2 2
F 2 FL2 Fd2
1 FD C D Sv 2 2
CL 和 Cd分别是翼型的升力系数和阻力系数


（2）翼型剖面的升力和阻力特性 为方便使用，通常用无量刚数值表示翼剖面的气动 特性，故定义几个气动力系数： 2 FL CL 升力系数： 2

三通形
三角形
第二章 风力机的基本理论与结构
第三节风力机的主要部件


二、调速或限速装置
作用：保证风力机不论风速如何变化转速总保持 恒定或不超过某一限定值。 类型：大致有三类:
Hale Waihona Puke 一类是使风轮偏离主风向,另一类是利用气动阻力, 第三类是改变叶片的桨距角。
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第三节风力机的主要部件
2、流线概念

流线：在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连 成的一条平滑曲线。流线描述了该时刻各气体质点的运 动方向（切线方向）。一般，各流线彼此不会相交。

流线簇：流 场中众多流 线的集合称 为流线簇。
3、阻力与升力
（1）升力和阻力试验
放风筝的体验
帆船的体验
（2）升力和阻力产生机理
翼型压力分布与受力
（2）有关翼型几何形状定义如下：
1）前缘与后缘：翼型的尖尾点B称为后缘，圆头上O点为 前缘 2）翼弦：连接前、后缘的直线OB，称为翼弦。OB的长 度称为弦长，记为 C。弦长是翼型的基本长度，也称几 何弦。此外，翼型上还有气动弦，又称零升力线。 3）翼型上表面（上翼面）：凸出的翼型表面OMB。
大型风机:叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择 更为重要。 目前叶片多为玻璃纤维增强复合材料（GRP) ，基体材 料为聚酯树脂或环氧树脂。




环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩 变形小。

聚酯材料较便宜，它在固化时收缩大，在叶片的联接处 可能存在潜在的危险，即由于收缩变形在金属材料与玻 璃钢之间可能许生裂纹。 大、中型风力机使用木制叶片时：
（1）一般用很多纵向木条胶接在一起(图a) ,以便于选 用优质木料,保证质量。 （2）有些木料叶片的翼型后缘部分可填塞质地很轻的 泡沫塑料, 表面再包以玻璃纤维形成整体(图b) 。



第二章 风力机的基本理论与结构
第三节风力机的主要部件

不仅可以减轻重量, 而且能使翼型重心前移(重心移至靠 前缘四分之一弦长处最佳) 。以减少叶片转动时所产生 的不良振动,对于大、中型风力机叶片尤为重要。 （3）为了减轻叶片重量, 有的叶片用一根金属管作为受 力梁, 以蜂窝结构、泡沫塑料或轻木作中间填充物,外面 再包上一层玻璃纤维(图c) 。

架及对风装置（调向装置）组成。

发电机部分：主要由增速器、高速轴联轴器、发电机、调速装
置、制动器等组成。 本节主要介绍风力机部分。


一、风轮
风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由 2～3 个叶片和轮毂所组成, 其功能是将风能转换为机械能。


1、叶片：叶片的构造如图所示。
小型风力机的常用整块优质木材加工制成, 表面涂上保护漆, 其根 部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。有的采用玻 璃纤维或其它复合材料蒙皮则效果更好。