风力发电机组的叶片设计与优化

Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ●电力电子　

水平轴风力发电机组风轮叶片优化设计探讨　

随着世界经济的发展，对于　能源的需求也在逐年增加，石油、　煤矿等传统资源已经出现供不应　求的情况，为了满足实际的需求，　我国开始开发新能源。能源是生　产活动的基础和前提，水能、生　物质能、风能以及太阳能等都受　到越来越多的关注，这些新能源　对于环境的污染小，可以更快地　实现人与自然的和谐相处。文中　会简单减少风力机组的工作原理，　重点分析风轮叶片的优化设计。　

【关键词】水平轴风力发电机组风轮叶片　工作原理优化设计　

１风力发电机组的工作原理　

风力发电机组的工作原理十分简单，将　风能转化为机械能，再将机械能转化为电能，　

实现风力发电的目的。风轮叶片在发电的过程　

中发挥十分重要的作用，通过带动叶片旋转而　

加快机组运动的速度，使得发电机发电。风力　

发电机的结构只要分为以下五个部分：一是风　

轮，由多个不同的叶片组成，是带动发电机工　作的关键部件，能够很好地将风能转化为机械　

能；二是机头，支撑发电机其他零件，与机组　

的水平轴有很大的关系，直接决定了整个机组　

的正常工作：三是机尾，安装在机头的后半部　

分，主要的目的是保证风轮的方向，避免在风　

向发生变化时出现异常情况；四是回转体，这　个零件的运转需要借助机尾的力量五是塔架，　

简单地说就是将风力发电机组置于高空，减少　

外界环境的影响。　

２水平轴风力发电机组风轮叶片的优化　设计　

２．１风轮叶片常见的设计方法　

由于发电工作环境的特殊性，水平轴风力　

发电机组风轮叶片的设计受到多方面因素的影　响，因此面对不同的情况需要采用不同的设计　

方法，常见的有图解法、系数法、简化风车设　

计法以及Ｗｉｌｓｏｎ设计法等。叶片外形的设计　

是在Ｗｉｌｓｏｎ基础上的创新和发展，优化设计　

的目的主要是提高风力发电机组的工作效率，　满足实际生产的需要。目前我国发电机组外形　

设计的理论还不是特别成熟，不仅要符合函数　

风力发电机组风轮叶片标准

1 概述

“风力发电机组风轮叶片”标准是适用于并网型风力发电机组风轮叶片的标准，规定了其风轮叶片通用技术条件。

2 依据

所摘要的“风力发电机组风轮叶片”标准是中华人民共和国机械工业局于2000-04-24批准的，自2000-10-01实施。

主要起草人：田野、石海增、鲁金华、田卫国、陈余岳。

3设计要求

3.1.1总则

叶片气动设计是整个机组设计的基础，为了使风力发电机组获得最大的气动效率，建议所设计的叶片在弦长和扭角分布上采用曲线变化；设计方法可采用GB/T13981-1992《风力机设计通用要求》中给定的方法。

可采用专门为风力发电机组设计的低速翼型。

3.1.2 额定设计风速

叶片的额定设计风速按A中表A1 中规定的等级进行选取。

3.1.3 风能利用系数Cp

为了提高机组的输出能力，降低机组的成本，风能利用系数Cp应大于等于0.44。

3.1.4 外形尺寸

叶片气动设计应提供叶片的弦长、扭角和厚度沿叶片径向的分布以及所用翼型的外形数据。

3.1.5气动载荷

根据气动设计结果，考虑有关适用标准给定的载荷情况，计算作用在叶片上的气动载荷。

3.1.6 使用范围

叶片的气动设计应明确规定叶片的适用功率范围。无论是定桨距叶片还是变桨距叶片，都要求其运行风速范围尽可能宽。对于变桨距叶片，要给出叶片的变距范围。

3.2结构设计

3.2.1总则

叶片结构设计应根据3.1.5 中的载荷，并考虑机组实际运行环境因素的影响，使叶片具有足够的强度和刚度。保证叶片在规定的使用环境条件下，在其使用寿命期内不发生损坏。另外，要求叶片的重量尽可能轻，并考虑叶片间相互平衡措施。

叶片强度通常由静强度分析和疲劳分析来验证。受压部件应校验稳定性。

强度分析应在足够多的截面上进行，被验证的横截面的数目取决于叶片类型和尺寸，至少应分析四个截面。在几何形状和（ 或）材料不连续的位置应研究附加的横截面。

龙源期刊网

风电场风力发电机组叶片失效断裂分析

作者：惠鹏 郭永刚 鞠伟

来源：《科技创新导报》2017年第33期

摘 要：风力发电系统大多都布置在环境恶劣的条件下，通过将自然风产生的动能转化为电能进行工作。由于自然风具有强烈的随机性，常常发生风速、风向剧变的情况，因此要求风电场中的风力发电机必须能够承受较大的载荷。而随着风力发电规模和技术的不断发展，风机叶片变得越来越大，这无形中增加了叶片损坏的概率。本文通过对机组叶片的结构和受力情况进行介绍，对风电场风力发电机组叶片的断裂监测和预防进行了分析。

关键词：风电机组 叶片断裂 结构 受力 监测

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（c）-0080-02

随着经济和社会的不断发展，能源问题成为制约人类发展的关键问题。石化资源由于其污染性、不可再生性等特点已经无法满足社会发展的需求。这种情况下，风能成为一种重要的绿色替代能源，并因此受到了更多的研究和关注。通过风力发电机组将风产生的动能转化为电能，不仅有效降低了污染废料的排放，还改善了电力结构。随着装机容量的快速增加，风力发电设备和技术的发展非常迅速。其中，叶片是风电场风力发电机组的重要组成部件，直接影响到发电机的性能、效率、质量和经济效益。叶片会随着机组容量的增大而快速增加，越大的风机叶片会无形中增加叶片损坏的概率。而且在风机的运行过程中会使叶片受到恶劣自然环境的影响，使叶片出现共振现象。叶片共振是风力发电机组叶片失效断裂的重要原因之一。本文通过对机组叶片的结构和受力情况进行介绍，对风电场风力发电机组叶片的断裂监测和预防进行了分析。

1 机组叶片的基本结构和特性

1.1 材料

由于风力发电机组都是布置在环境恶劣的条件下，因此，风力发电机的叶片材料选择要十分慎重，要综合考虑叶片的重量、强度和化学性能，这样才能有效降低叶片的断裂概率。选择的材料应具有较大的强度和比模量、良好的减震性和破损安全性，以及耐疲劳性。

飚力缓　｛Ｎ　）　

４２　ＯＵ　＾　４０　Ｏ０　／＼７　一口一　ｆ１二　０　３８　ＯＯ　一　＿～　墨３６Ｄ０　Ｔｒ—　一一　—　～　一一　墨４ｏｊ　ｉ二二　：　一一一一＾　２　Ｏ３００　．。譬　一　、。　∞　。、　０　寻吾　要　蛋　廿守廿　鲁苷蚌最　…　ｒ４…　０　０　０　ｅ　０　０　０　一　………０　￡：　发电盈占比ｆ’　３６ｏ４　３＂／ｌ　８　３７９８　３９　８Ｉ　３Ｚ３０　３８Ａ８　３Ｒ６６　３８．９２　３Ｋ５７　３９ｘ５３　４０∞３＂Ｌ８８　３Ｗ５１３　＋　风速ｔ　ｓ）　ｂｍ７　７．０２，５　４３＆４２　５０２　４１５　３　９２　５．３２　５５６　４３）３　４．４２　５３６　６们　图５风场１桨距角优化前后发电置占比　８　７　６　著　４殖　薹　２姐　０　

通过对图５及相关数据统计得出，安装角优化　后的测试风机的发电量平均占比较优化前有了　定　提升，发电量平均增幅达到１．４％。　３．２风场２　在风场２的３３台１．５ＭＷ风机中．有４台风机　进行了安装角优化测试，以未进行过安装角微调的　风机（共６台）及该４台测试风机为总体样本区间，　以测试风机桨距角微调前后的发电餐占比来说明桨　角优化对风机发电量的影响，如图６所示，桨距角微　调优化后，测试风机的发电量占比有了明显提升，平　均增幅在２．３％。　４结论　通过实际风电场机组的安装角优化测试表明，　机组吊装后的原始安装角往往并非最优安装角，对　于风电场投资商而言，需要与风机设备厂家联合重　新计算叶片的最优安装角．并进行试验测试，以确定　ｂ　Ｏ０　／　同　一：　６　ＯＯ　＼／Ｆ　、　ｍ　，　鼍　ｏｎ　＿　＼　＿　／　刁　型　０ｏ　丽　一＿　－　ｍ　一　一　一　一＿　＿　二．：　一＊：　一　一　—　苷．　一　ｌ１　２　ＯＯ　一　ＩｌＪ。　一　一　ＯＯ０　●　窭　霹　霉叠　正　譬　盛　卫　蚌　喜　冲、廿　譬　蚌蚌　２　慧　耳；簧　兰　ｒ　Ｊ　品　鬲　舄　聂　ｇ　高　…｛　ｒ　ｅ翻　比（％）　３９　２　３０　３　３９　９　３８　３　４０　ｏ　３９｝　４０　６　４Ｉ　８　４０　８　４Ｏ　９　＋　均风速（ｍ　Ｊ　Ｏｌ３　５　０３　４１Ｓ　３　ｑ７　５１４　Ｓ　４ｌ　５　ｏｏ　４　３ｑ　５　２５　图６风场２优化前后发电基占比　４１　５　４ｉ０　４Ｏ５　４０　０一　专　３９５丑　ｑ　３９　０盎Ｉ　脚　３８　５　３８０　３７　５