风力机设计理论及方法第2章-风力机的类型与结构

第二章风力机的基本理论及工作原理第二章风力机的基本理论及工作原理2.1风力机基本理论 (1)2.1.1动量理论 (2)2.1.2叶素理论 (4)2.1.3动量-叶素理论 (5)2.2风力机空气动力设计 (7)2.2.1风轮几何参数 (7)2.2.2风力机空气动力设计参数 (8)2.2.3风力机翼型的阻力和升力 (8)2.2.4风力机气动外形设计 (14)2.3风力机性能 (14)2.3.1 风力机性能参数 (14)2.3.2 风力机叶片三维效应 (17)2.4风力机载荷 (17)2.4.1重力载荷 (17)2.4.2惯性载荷 (18)2.4.3气动载荷 (19)2.5垂直轴风力机 (19)2.5.1垂直轴风力机的分类 (19)2.5.2垂直轴风力机的主要特点 (20)2.5.3达里厄型垂直轴风力机 (20)2.5.4 S型垂直轴风力机 (24)2.5.5 其他垂直轴风力机 (27)2.5.6 直驱式垂直轴风力发电机 (29)2.6风电场中的空气动力问题 (33)2.6.1 风电场选址 (33)2.6.2 风力机尾流效应 (34)2.6.3 风力机布置 (34)2.6.4 风电场设计软件 (34)2.6.5 风能预测 (34)2.1风力机基本理论风力机是一种从风中吸取动能的装置。

通过动能的转移，风速会下降，但是只有那些通过风轮圆盘的空气才会受到影响。

假设将受影响的空气从哪些没有经过风轮圆盘、没有减速的空气分离出来，那么就可以画出一个包含受到影响的空气团的边界面，该边界面分别向上游和下游延伸，从而形成一个截面为圆形的长的气管流。

如果没有空气横穿界面，那么对于所有的沿气管流流向位置的空气质量流量都相等。

但是因为流管内的空气减速，而没有被压缩，所以流管的横截面积就要膨胀以适应减速的空气。

如图2.1所示。

图2.1 风力机吸收能量的流管能量虽然动能是从气流中吸取，但速度突变是不可能的，也是人们不希望发生的，由于巨大的加速度产生强大的作用力，这种速度突变又是需要的。

风力发电机的组成部件及其功用风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。

风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。

下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。

图3-3-4和3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。

图3-3-4 小型风力发电机示意图1—风轮2—发电机3—回转体4—调速机构5—调向机构6—手刹车机构7—塔架8—蓄电池9—控制/逆变器图3-3-5 中大型风力发电机示意图1—风轮；2—变速箱；3—发电机；4—机舱；5—塔架。

1 风轮风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。

其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。

风轮一般由叶片（也称桨叶）、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（见图3-3-6）。

叶片横截面形状基本类型有3种（见图第二节的图3-2-3）：平板型、弧板型和流线型。

风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。

图3-3-7所示为风力发电机叶片（横截面）的几种结构。

图3-3-6 风轮1.叶片2.叶柄3.轮毂4.风轮轴图3-3-7 叶片结构（a）、(b)—木制叶版剖面； (c)、(d)—钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面；(e) —铝合金等弦长挤压成型叶片；(f)—玻璃钢叶片。

木制叶片（图中的a与b）常用于微、小型风力发电机上；而中、大型风力发电机的叶片常从图中的（c）→（f）选用。

用铝合金挤压成型的叶片（图中之e），基于容易制造角度考虑，从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。

叶片的材质在不断的改进中。

1 机头座与回转体风力发电机塔架上端的部件——风轮、传动装置、对风装置、调速装置、发电机等组成了机头，机头与塔架的联结部件是机头座与回转体（参阅后面的图3-3-24）。

（1）机头座它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件，它牢固如否将直接关系到风力机的安危与寿命。

风力机结构概述风力机是把风的动能转换成机械能的机械设备。

风力机通常由风轮、对风装置、调速限速机构、传动装置、做功装置、储能装置、塔架及附属部件组成。

风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其他动力机的主要标志。

其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。

风轮一般由叶片和轮毂组成，一般有2～3个叶片，是捕获风能的关键设备。

一、叶片叶片也称为桨叶，是将风能转换为动能的部件，风力带动风车叶片旋转，再通过齿轮箱将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

风力发电机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50～70m/s，具有这样的叶尖速度，3叶片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮仅降低2%～3%的效率。

对于外形很均匀的叶片，叶片少的叶轮转速快些，这样会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。

3叶片叶轮上的受力更平衡，轮毂可以简单些。

叶片的翼型设计、结构型式会直接影响机组的性能和功率。

风力机叶片的剖面形状称为风力机翼型，它对风力机性能有很大的影响。

目前风力机叶片有NACA44系列、NACA63-2系列、NRELS系列、FFA W系列和DU系列等。

叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。

目前的叶片品种有木制叶片及布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金等弦长挤压成型叶片、玻璃钢复合叶片和碳纤维复合叶片等5种，目前的主要构成材料是玻璃纤维增强聚酯或碳纤维增强聚酯，为多格的梁/壳体结构。

大型叶片主要采用的是玻璃钢复合材料，这种材料制作的叶片具有以下特点：（1）可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度。

风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲力和离心力，气动弯曲载荷比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。

利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可把叶片设计得比铝叶片更轻，减轻叶片的重量，重量的减轻反过来可降低叶片的离心力及重力引起的交变载荷。

（2）容易成型，易于达到最大气动效率的翼型。

第二章风力机的基本理论及工作原理2.1风力机基本理论 (1)2.1.1动量理论 (2)2.1.2叶素理论 (4)2.1.3动量-叶素理论 (5)2.2风力机空气动力设计 (7)2.2.1风轮几何参数 (7)2.2.2风力机空气动力设计参数 (8)2.2.3风力机翼型的阻力和升力 (8)2.2.4风力机气动外形设计 (14)2.3风力机性能 (14)2.3.1 风力机性能参数 (14)2.3.2 风力机叶片三维效应 (17)2.4风力机载荷 (17)2.4.1重力载荷 (17)2.4.2惯性载荷 (18)2.4.3气动载荷 (19)2.5垂直轴风力机 (19)2.5.1垂直轴风力机的分类 (19)2.5.2垂直轴风力机的主要特点 (20)2.5.3达里厄型垂直轴风力机 (20)2.5.4 S型垂直轴风力机 (24)2.5.5 其他垂直轴风力机 (27)2.5.6 直驱式垂直轴风力发电机 (29)2.6风电场中的空气动力问题 (33)2.6.1 风电场选址 (33)2.6.2 风力机尾流效应 (34)2.6.3 风力机布置 (34)2.6.4 风电场设计软件 (34)2.6.5 风能预测 (34)2.1风力机基本理论风力机是一种从风中吸取动能的装置。

通过动能的转移，风速会下降，但是只有那些通过风轮圆盘的空气才会受到影响。

假设将受影响的空气从哪些没有经过风轮圆盘、没有减速的空气分离出来，那么就可以画出一个包含受到影响的空气团的边界面，该边界面分别向上游和下游延伸，从而形成一个截面为圆形的长的气管流。

如果没有空气横穿界面，那么对于所有的沿气管流流向位置的空气质量流量都相等。

但是因为流管内的空气减速，而没有被压缩，所以流管的横截面积就要膨胀以适应减速的空气。

如图2.1所示。

图2.1 风力机吸收能量的流管能量虽然动能是从气流中吸取，但速度突变是不可能的，也是人们不希望发生的，由于巨大的加速度产生强大的作用力，这种速度突变又是需要的。

风力机的类型与结构从能量转换的角度看,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。

1.风力机的类型风力机的种类和式样很多,难以一一尽述。

但由于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：一类为水平轴风力机,一类为垂直轴风力机。

1.1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121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。

水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。

风轮在塔架的前面迎风旋转,叫做上风向风力机。

风轮安装在塔架的下风位置的,则称为下风向风力机。

上风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮迎风。

而下风向风力机则能够自动对准风向,从而免除了调向装置。

但对于下风向风力机,由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮,这样,塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。

1.2垂直轴风力机垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转,如图122所示。

其主要优点是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。

垂直轴风力机的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上,这对于一个往往需要在一片呼啸的大风中为一台离地面几十米高的水平轴风力机进行维修服务的人员来说,无疑是一个值得高度评价的特点。

风力机课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握风力发电的基本原理，理解风力机的工作机制；2. 使学生了解风力机的结构组成，掌握各部件的功能和相互关系；3. 引导学生了解风力发电在我国能源领域的重要地位和发展前景。

技能目标：1. 培养学生运用科学方法分析和解决风力发电相关问题的能力；2. 提高学生设计简单风力机模型的能力，能进行基本的模型搭建和调试；3. 培养学生团队合作精神，提高沟通与协作能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对新能源技术的兴趣和热情，增强环保意识；2. 引导学生关注我国能源事业的发展，增强国家认同感和自豪感；3. 培养学生勇于探索、积极创新的精神，树立正确的科学态度。

分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为初中物理学科风力发电相关知识的教学，结合学生好奇心强、动手能力逐渐增强的特点，课程设计注重实践性与探究性。

教学要求从理论到实践，逐步引导学生掌握风力发电知识，培养学生科学思维和创新能力。

课程目标分解为具体学习成果：1. 知识方面：学生能复述风力发电原理，解释风力机各部件作用，了解我国风力发电发展现状；2. 技能方面：学生能设计并搭建简单风力机模型，进行基本调试，解决实际问题；3. 情感态度价值观方面：学生表现出对新能源技术的兴趣，积极参与团队合作，关注我国能源事业发展。

二、教学内容根据课程目标，本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 风力发电原理及风力机工作原理：- 介绍风的能量及风力发电的基本原理；- 阐述风力机的叶片设计、空气动力学原理；- 分析风力机转动产生电能的过程。

2. 风力机的结构及各部件功能：- 详解风力机的塔架、叶片、发电机、控制系统等主要部件；- 探讨各部件在风力机工作过程中的作用和相互关系。

3. 风力发电在我国的应用及发展前景：- 介绍我国风力发电产业的发展现状和规划；- 分析风力发电在新能源领域的地位和作用。

教学大纲安排如下：第一课时：风力发电原理及风力机工作原理；第二课时：风力机的结构及各部件功能；第三课时：风力发电在我国的应用及发展前景。

风力发电机组内部结构
风力发电机组内部结构主要包括风轮、发电机和塔架等组件。

1. 风轮：风力发电机组的核心部件，由多个叶片组成。

叶片通常采用复合材料制造，具有良好的抗风性能和轻质化特点。

根据风轮尺寸的不同，可以分为水平轴式和垂直轴式两种。

2. 发电机：负责将风能转化为电能的部件。

常见的风力发电机组发电机采用的是同步发电机。

发电机通常由转子、定子、励磁系统和电子调速系统等部分组成，通过风轮将机械能转化为电能。

3. 塔架：作为风力发电机组的支架和支撑结构，塔架高度根据风力发电机组容量和风轮直径等参数来设计。

塔架大多采用钢结构，有助于提高发电机组的稳定性和整体结构的抗风能力。

此外，风力发电机组还包括传动系统、控制系统、润滑系统等辅助组件，以及变频器和电力集电系统等。

传动系统用于将风轮的旋转速度和转矩传递给发电机，控制系统用于监测和控制风力发电机组的运行状态，润滑系统用于保障各个运动部件的正常运转。

变频器用于将发电机输出的交流电转换为适用于电网的频率和电压，电力集电系统用于集中收集和输送发电机组产生的电能。

风力发电机原理及结构风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，它包括风力机和发电机两大部分。

空气流动的动能作用在风力机风轮上，从而推动风轮旋转起来，将空气动力能转变成风轮旋转机械能，风轮的轮毂固定在风力发电机的机轴上，通过传动系统驱动发电机轴及转子旋转，发电机将机械能变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程。

1、风机基本结构特征风力机主要有风轮、传动系统、对风装置（偏航系统）、液压系统、制动系统、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。

（1）风轮风力机区别于其他机械的主要特征就是风轮。

风轮一班有2~3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。

风力发电厂的风力机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50~70m/s，3也片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮及降低2%~3%效率。

更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。

3叶片叶轮上的手里更平衡，轮毂可以简单些。

1）叶片叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝职称的。

对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5m，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其他特性，通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。

对于大型风机，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负荷材料，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，在叶片的连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坑能产生裂纹。

2）轮毂轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。

所有从叶片传来的力，都通过轮毂传到传动系统，在传到风力机驱动的对象。

同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。

轮毂承受了风力作用在叶片上的推理、扭矩、弯矩及陀螺力矩。

通常安装3片叶片的水平式风力机轮毂的形式为三角形和三通形。

风力机的类型与结构从能量转换的角度看,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。

1.风力机的类型风力机的种类和式样很多,难以一一尽述。

但由于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：一类为水平轴风力机,一类为垂直轴风力机。

1.1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121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。

水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。

风轮在塔架的前面迎风旋转,叫做上风向风力机。

风轮安装在塔架的下风位置的,则称为下风向风力机。

上风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮迎风。

而下风向风力机则能够自动对准风向,从而免除了调向装置。

但对于下风向风力机,由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮,这样,塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。

1.2垂直轴风力机垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转,如图122所示。

其主要优点是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。

垂直轴风力机的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上,这对于一个往往需要在一片呼啸的大风中为一台离地面几十米高的水平轴风力机进行维修服务的人员来说,无疑是一个值得高度评价的特点。