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第一章风力发电机组结构1.8 控制系统控制系统利用微处理器、逻辑程序控制器或单片机通过对运行过程中输入信号的采集传输、分析，来控制风电机组的转速和功率；如发生故障或其他异常情况能自动地检测平分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。
控控制系统的主要任务就是自动控制风机组运行，依照其特性自动检测故障并根据情况采取相应的措施。
控制系统包括控制和检测两部分。
控制部分又设置了手动和自动两种模式，运行维护人员可在现场根据需要进行手动控制，而自动控制应在无人值班的条件下预先设置控制策略，保证机组正常安全运行。
检测部分将各传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制器的显示屏上可以查询。
现场数据可通过网络或电信系统送到风电场中央控制室的电脑系统，还能传输到业主所在城市的总部办公室。
安全系统要保证机组在发生非常情况时立即停机，预防或减轻故障损失。
例如定桨距风电机组的叶尖制动片在运行时利用液压系统的高压油保持与叶片外形组合成一个整体，同时保持机械制动器的制动钳处于松开状态，一旦发生液压系统失灵或电网停电，叶尖制动片和制动钳将在弹簧作用下立即使叶尖制动片旋转约90°，制动钳变为夹紧状态，风轮被制动停止旋转。
根据风电机组的结构和载荷状态、风况、变桨变速特点及其他外部条件，将风电机组的运行情况主要分为以下几类：待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式、人工停机方式和紧急停机方式。
（1）待机状态风轮自由转动，机组不发电（风速为0~3m/s），刹车释放。
（2）发电状态发电状态Ⅰ：启动后，到额定风速前，刹车释放。
发电状态Ⅱ：额定风速到切出风速（风速12~25m/s），刹车释放。
（3）故障停机方式：故障停机方式分为：可自启动故障和不可自启动故障。
停机方式为正常刹车程序：即先叶片顺桨，党当发动机转速降至设定值后，启动机械刹车。
（4）人工停机方式：这一方式下的刹车为正常刹车，即先叶片顺桨，当发电机转速降至设定值后启动机械刹车。
2mw风机参数摘要：1.2mw风机的基本参数2.2mw风机的性能特点3.2mw风机的应用领域4.2mw风机的选购与维护正文：随着可再生能源的不断发展，风力发电作为一种清洁、可持续的能源得到了广泛关注。
2mw风机作为风力发电设备的一种，以其出色的性能和广泛的应用领域受到了市场的欢迎。
本文将从2mw风机的基本参数、性能特点、应用领域以及选购与维护等方面进行详细介绍。
一、2mw风机的基本参数2mw风机，顾名思义，是指输出功率为2兆瓦的风力发电机组。
这类风机通常采用三叶片设计，转子直径在100-120米之间，高度在80-100米之间。
根据不同的地理环境和气候条件，2mw风机可以分为陆地型和海上型两种。
二、2mw风机的性能特点1.高效率：2mw风机采用先进的气动设计，使其在低风速条件下具有较高的发电效率。
2.稳定性能：2mw风机采用了先进的控制系统，能够实现对风速、风向等环境因素的实时监测，确保风机在各种工况下的稳定运行。
3.较低的噪音：2mw风机在设计时充分考虑了噪音控制，使其在运行过程中对周边环境的影响降到最低。
4.易于维护：2mw风机采用模块化设计，使得部件更换和维修更加便捷。
三、2mw风机的应用领域1.陆地风电项目：2mw风机适用于陆地上各类风电项目，特别是在风资源较好的地区，能够实现较高的发电效益。
2.海上风电项目：2mw风机也可应用于海上风电项目，其稳定的性能和较低的噪音使其成为海上风电项目的理想选择。
3.偏远地区供电：2mw风机可作为偏远地区供电的一种解决方案，为当地居民提供清洁、稳定的电力。
四、2mw风机的选购与维护1.选购注意事项：选购2mw风机时，应充分考虑风机的性能、可靠性、售后服务等因素，选择具有良好口碑和实力的风机制造商。
2.维护保养：为确保2mw风机的稳定运行和延长使用寿命，应定期进行维护保养，包括对风机部件的检查、更换、清洁等工作。
总之，2mw风机作为一种高效、环保的风力发电设备，在我国可再生能源发展中发挥着重要作用。
山湾子力矩值
金风70／1500机组，三段塔架，轮毂中心高度65米，各部件重量如表所示：
国电UP82/1500ⅢA65m塔架风机基本参数
竹子下力矩值
重量与尺寸
御道口金风77/1500机组主要参数
御道口力矩值
华锐SL1500/82塔架风机基本参数
连接螺栓规格、预紧力矩一览表
华锐1500kW/82机组(轮毂高度70m)重量与规格
国电UP77/15002A+65m塔架风机基本参数
西大梁力矩值
重量与尺寸
机舱吊具挂法：前上;前下;后上;后下。
（上里下垂直）
下段上法兰主吊耳M48×230mm——10条，下段下法兰溜尾吊耳M52×240mm——6条。
中段上法兰主吊耳M36×185mm——10条（实际用8条），中段下法兰溜尾吊耳M48×230mm——6条。
上段上法兰主吊耳M27×165mm——10条，上段下法兰溜尾吊耳M36×185mm——6条。
联合动力1500kW/82 机组(轮毂高度65m，西海拉四台项目)
国电联合动力有限公司风力发电机组（ШA65m塔架）
说明：UP82采用40.25m的叶片，UP77采用的为37.5m的叶片。
联合动力UP82-1500ⅢA75m风电机组主要设备重量与规格（新艾里项目）
75m塔筒吊装力矩扳手值
辽宁朝阳梨树沟（）风电项目风机安装工程远见1500KW（轮毂高度80m）风力发电机主要设备重量与规格
远见30台E87/15、3台E82/15风力发电机组（塔架高度，轮毂高度80m）梨树沟风电项目螺栓紧固力矩值对照表。
风力发电机组额定功率风力发电机组额定功率是指发电机组在标称工况下能够输出的最大功率。
额定功率与发电机组的设计和性能密切相关，是风力发电机组的重要参数之一。
一、风力发电机组的基本原理风力发电机组是利用风能驱动发电机发电的设备。
它由风轮、塔架、传动装置、发电机和控制系统等组成。
当风轮受到风的作用时，风轮叶片会转动，通过传动装置将旋转运动传递给发电机，发电机将机械能转化为电能输出。
二、风力发电机组的额定功率与设计1. 风轮设计：风力发电机组的额定功率与风轮的设计密切相关。
风轮的设计包括叶片的数目、长度、形状以及材料等。
这些参数决定了风轮的捕风面积、叶片的受力程度和转动效率，进而影响风力发电机组的额定功率。
2. 发电机设计：发电机是将机械能转化为电能的核心部件。
发电机的额定功率取决于其设计和材料的选择。
额定功率一般由发电机的输出电压和额定电流决定。
3. 控制系统设计：控制系统可以通过调整风力发电机组的转速和叶片角度来优化发电效率。
控制系统的设计直接影响着风力发电机组的额定功率。
三、风力发电机组额定功率的计算方法风力发电机组的额定功率一般由制造商通过实验和模拟计算确定。
常用的计算方法有以下几种：1. 标称功率法：根据风力发电机组的设计参数和特性曲线，通过定量分析和数值计算得出额定功率。
这种方法相对简单，适用于设计成熟的风力发电机组。
2. 风洞试验法：通过在风洞中对风力发电机组进行模拟试验，测量风轮在不同风速下的转速和输出电量，以此推算出额定功率。
3. 数值模拟法：利用计算流体力学（CFD）方法对风力发电机组进行三维流场分析，得到风轮的捕风面积、叶片的受力情况和输出电量等参数，进而计算出额定功率。
四、风力发电机组额定功率的影响因素风力发电机组的额定功率受多个因素的影响，包括：1. 风速：风速是影响风力发电机组额定功率的重要因素。
不同的风速对发电机组的转速和叶片角度有不同的要求，进而影响额定功率的大小。
2. 温度：温度的变化会影响空气密度，进而影响风轮的受力和转动效率。
浅析风力发电机组一．引言随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。
中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。
在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。
在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。
二．风力发电机组的分类（1）风力发电机组类型按容量分容量在0.1~1kW为小型机组,1~100kW为中型机组,100~1000kW 为大型机组 ,大于10000kW 为特大型机组。
（2）风力发电机组类型按风轮轴方向分水平轴风力机组：风轮围绕水平轴旋转。
风轮在塔架前面迎风的称为上风向风力机，在塔架后面迎风的称为下风向风力机。
上风向风力机需利用调向装置来保持风轮迎风。
垂直轴风力机组：风轮围绕垂直轴旋转，可接收来自任何方向的风，故无需对风。
垂直轴风力机又分为利用空气动力的阻力作功和利用翼型的升力作功两个主要类别。
（3）风力发电机组类型按功率调节方式分定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性（失速）或偏航控制。
变桨距（正变距）机组：须配备一套叶片变桨距机构，通过改变翼型桨距角，使翼型升力发生变化从而调节输出功率。
主动失速（负变距）机组：当风力机达到额定功率后，相应地增加攻角，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。
（4）风力发电机组类型按传动形式分高传动比齿轮箱型机组：风轮的转速较低，必须通过齿轮箱、齿轮副的增速来满足发电机转速的要求。
齿轮箱的主要功能是增速和动力传递。
直接驱动型机组：应用了多极同步风力发电机，省去风力发电系统中常见的齿轮箱，风力机直接拖动发电机转子在低速状态下运转。
第一章、绪论1、风力发电机组的组成风力发电机组可分为风轮、机舱、塔架和基础几个部分;1风轮由叶片和轮毂组成;叶片具有空气动力外形,在气流作用下产生力矩驱动风轮转动,通过轮毂将扭矩输入到主传动系统;2机舱由底盘、导流罩和机舱罩组成,底盘上安装除主控制器以外的主要部件;机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器,舱壁上有隔音和通风装置等,机舱底部与塔架连接;3塔架支撑风轮与机舱达到所需要的高度;塔架上安置发电机与主控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆,还装有供操作人员上下机舱的扶梯,大型机组还设有升降机;4基础为钢筋混凝土结构,根据当地地质情况设计成不同的形式;基础中心预置有于塔架连接的基础部件,以保证将风力发电机组牢牢固定在基础上;基础周围还设置预防雷击的接地装置;2、变桨距、变速型的风力发电机组内部结构1变桨距系统：设在轮毂之中,对于电动变距系统来说,包括变距电动机、变距减速器、变距轴承、变距控制器和备用电源等;2发电系统：包括发电机、变流器等;3主传动系统：包括主轴及主轴承、齿轮箱、高速轴和联轴器等;4偏航系统：由偏航电动机、偏航减速器、偏航轴承、制动机构等组成;5控制与安全系统：包括传感器、电气设备、计算机控制与安全系统含相应软件和控制欲安全系统执行机构等;此外,还设有液压系统,为高速轴上设置的制动装置、偏航制动装置提供液压动力;液压系统包括液压站、输油管和执行机构;为了实现齿轮箱、发电机、变流器的温度控制,设有循环油冷却系统、风扇和加热器;3、风力发电机组的分类：1按功率大小：a微型~1kw；b小型1~100kw；c中型100~1000kw；d大型1000kw以上;2按风轮轴方向：a水平轴风力发电机组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,叫做上风向风力发电机组；风轮安装在塔架后面,风先经过塔架,再到风轮,则称为下风向风力发电机组;上风向风力发电机组必须有某种调向装置来保持风轮迎风,而下风向风力发电机组则能够自动对准风向,从而免去了调向装置;对于下风向风力发电机组,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塔影效应,增加了风轮旋转过程中叶片载荷的复杂性,降低了风力发电机组的出力和其他性能；b垂直轴风力发电机组;3按功率调节方式：a定桨距风力发电机组；b变桨距调节风力发电机组；c主动失速调节风力发电机组;4按传动形式：a高传动比齿轮箱型；b直接驱动型；c中传动比齿轮箱型半直驱;5按发电机转速变化：a定速恒速；b多态定速；c变速;4、设计依据风力发电机组的设计依据是风力发电机组的设计任务书,一般包括基本形式、基本参数和外部条件;1基本形式：目前的主流机型是水平轴、上风向、三叶片、变桨距、变速恒频风电机组; 2基本参数：风力发电机组的基本参数主要是指风力发电机组的额定功率、转速范围、总效率、设计寿命和生产成本等;3外部条件：风力发电机组的外部条件包括运行环境条件、电网条件和风场地质情况;运行环境条件主要是风资源、湍流和阵风情况、气候情况等;5、设计内容设计内容包括风力发电机组设计图样和相关的设计文件;设计图样包括外观图、部件图和零件图；设计文件包括设计计算说明书、运输和安装说明书、用户使用和维护手册等;1外观图：风力发电机组的外观图描述了其整体结构并标注了主要尺寸,同时用文字注明了设备的技术特征,如机组类型、功率调节方式、风轮旋转方向、额定功率、额定风速、风轮直径、风轮转速范围、风轮倾角、风轮圆锥角、变距最大角度、齿轮箱类型、齿轮箱增速比、发电机类型、塔架类型、轮毂中心高和各主要部件质量;2部件图：部件图是各层次安装工作的指导图样,表示各零件之间的装配关系、配合公差、轮廓尺寸、装配技术条件和标题栏等;3零件图：零件图是生产零件的依据,包括零件的结构和形状、尺寸、表面粗糙度和几何公差、材料及表面处理技术要求、技术条件、标题栏等;设计零件时,要进行相应的载荷分析和强度校核;4设计文件：设计文件是与设计相关的规范性文件,详细描述了机组设计、制造、装配、运行维护过程的理念、标准、理论依据、方法和技术要求,用于设计部门存档、指导装配和安装、指导用户作业和指导维修人员的维修作业;6、设计原则可靠性、经济性与社会效益、先进性、工艺性和易维修性、标准化;7、设计步骤1方案设计概念设计：确定风力发电机组的主要参数、整体布局和结构形式；对机组的整体载荷及整机质量进行初步计算,选择主要部件的结构,完成机舱布局的计算机设计模型；同时给定控制策略;在此基础上撰写方案设计说明书;2技术设计初步设计：根据方案设计资料,进行整机和部件结构设计和确定技术要求；进行机组载荷计算和分析；对关键零部件进行校核计算和分析；进行电气控制与安全系统设计；初步选择外购件的型号;在此基础上提供技术设计图样和技术设计说明书;3施工设计详细设计：根据技术设计结果,进行载荷计算,对零部件进行强度和刚度校核及失效分析,对关键零部件进行优化设计；对整机进行可靠性分析和动态分析;修改和审定加工图样和技术文件,填写标准件和外购件明细表,撰写设计计算说明书、运输和安装说明书以及用户使用和维修手册;第二章、风力发电机组机械设计基础1、风力发电机组等级由风速和湍流参数决定,分级的目的在于最大限度的利用风能,风速和湍流参数代表了相应风电机组安装场地的类型;注：1、表中所示参数值对应于轮毂高度;2、V ref表示10min平均参考风速；A表示高湍流特性等级；B表示中湍流特性等级；C表示低湍流特性等级；I ref表示风速为15m/s时湍流强度的期望值;2、风况分为：正常风况风力机正常运行期间频繁出现的风况条件和极端风况1年一遇或50年一遇的风况条件;参考风速：50年一遇在轮毂高度处持续10min阵风;3、风况条件是由平均恒流与确定阵风或湍流结合而成;4、每种类型的外部条件又可分为正常外部条件和极端外部条件;5、湍流：风速矢量相对于10min平均值的随机变化;在使用湍流模型时应考虑风速、风向和风切边变化的影响;6、湍流风速矢量的三个分量；纵向沿着平均风速方向横向水平并且与纵向垂直的方向竖向与纵向和侧向均垂直的方向7、正常风廓线模型NWP：风廓线vz是地表以上平均风速对垂直高度z的函数;Vz=VhubZ/Zhub的a次方;8、极端风况：用于确定风力发电机组的极端风载荷,这些风况包括由暴风及风速和风向的迅速变化造成的风速峰值;9、极端风速模型EWM：极端风速模型可能为稳定的或波动的风模型;风速模型应该基于参考风速Vref和确定的湍流标准差σ1,σ1=Iref+b;b=s,σ1=;10、其他环境条件：热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用、温度、湿度、空气密度、阳光辐射、雨、冰雹、雪和冰、活学活性物质、雷电、地震、盐雾;11、正常环境：温度-30~+150,湿度<=95%,阳光辐射强度1000W/m2;12、电网条件：1电压标称值+10%2频率标称值+2%3三相电压不平衡度,电压负序分量的比率不超过2%4适合的自动重合周期5断电,假定电网一年内断电20次,一次断电6小时为正常条件,断电一周为极端条件;13、设计工况：分为运行工况启动发电关机和临时性工况运输吊装维护14、设计工况：发电、发电兼有故障、起动、正常关机、紧急关机、停机、停机兼有故障、运输装配维护和修复;15、DLC设计载荷状态 ECD方向变化的极端连续阵风模型 EDC极端风向变化模型EOG极端运行阵风模型EWM极端风速模型EWS极端风切变模型ETM极端湍流模型NTM正常湍流模型NWP正常风廓线模型F疲劳性载荷分析U极限强度分析N正常A非正常 T运输和安装Vmaint维修保养风速;16、局部安全系数：由于载荷和材料的不确定性和易变性,分析方法的不确定性以及零件的重要性,在设计中一定要有必要的安全储备;17、载荷局部安全系数：载荷特征值出现不利偏差的可能性或不确定性；载荷模型的不确定性;18、材料局部安全系数：材料特征值出现不利偏差的可能性或不确定性；零件截面抗力或结构承载能力评估不确定的可能性；几何参数不确定性；结构材料性能与试验样品所测性能之间的差别；换算误差;19、失效影响安全系数用来区分以下几类零件：1一类零件：失效安全结构件结构件失效后不会引起风力发电机组重要零件的失效2二类零件：非失效安全结构件3三类零件：非失效安全机械件把驱动机构和制动机构与主结构连接起来,以执行风力发电机组无冗余的保护功能;20、风力发电机组极限状态分析内容：极限强度分析；疲劳失效分析；稳定性分析；临界挠度分析;21、稳定性分析：在设计载荷作用下,非失效安全的承载件不应发生屈曲;对于其他零件在设计载荷下,允许发生弹性变形;在特征载荷下,任何零件都不应发生屈曲;第三章、总体设计总体参数是涉及到风力发电机组总结结构和功能的基本参数,主要包括额定功率、发电机额定转速、总效率、设计寿命、年发电量、发电成本、总重量、重心;1、额定功率是正常工作条件下,风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率;2、设计寿命：风电机组安全等级I到Ⅲ的设计寿命至少为20年;3、额定风速是锋利发电机组达到额定功率输出时规定的风速;10~15m/s；切入风速是风力发电机组开始发电时,轮毂高度处的最低风速;3~4m/s；切出风速是风力发电机组达到设计功率时,轮毂高度处的最高风速;25m/s攻角不变,半径r处的叶素弦长与风轮转速Ω的平方成反比；变桨距攻角改变,反比于转速;4、叶片质量正比于外壳厚度与弦长的乘积,因此它随转速而正比增加;5、转速增加导致叶片重量增加、成本增加,同时转速增加导致叶片平面外的疲劳弯矩减小,机舱和塔架成本减少;6、风力发电机组产生的气动噪声正比于叶尖速度的5次方;陆基叶尖速限制在65m/s,海上74m/s;7、比功率：风力发电机组额定功率与风轮的扫掠面积的比值;405W/m平方;风电机组的总体布局包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置;8、总体布置原则：保证风力发电机组的强度、刚度、抗振性、平衡和稳定性,支撑部件要力求有足够的刚度；整机各部件、各系统、附件和设备等,要考虑布置得合理、协调、紧凑；保证正常工作和便于维护,并考虑有较合理的重心位置；传统系统力求简短,达到结构紧凑、体积小、重量轻;9、相似设计：根据研究出来的性能良好、运行可靠地模型来设计与模型相似的新风力机;10、风力机相似是指风轮与气体的能量传递过程以及气体在风力机内流动过程相似,他们在任一对应点的同名物理量之比保持常数,这些常数叫相似常数;11、相似条件：几何相似、运动相似、动力相似;12、几何相似：模型与原型风力机的几何形状相同,对应的线性长度比为一定值;13、运动相似：空气流经几何相似的模型与原型机时,其对应点的速度方向相同、比例保持常数;14、动力相似：满足几何相似、运动相似的模型与原型机上,作用于对应点力的方向相同,大小之比应保持常数;15、Re为雷诺数,表示作用于流体上的惯性力与黏性力之比16、对于具有相同叶尖速比的相似模型和原型机,他们的效率也相等;17、模型试验中,雷诺数的值比临界雷诺数高,相似性依旧成立;相反相似性差;18、风电机组成本排序：叶片、塔架、齿轮箱、机舱、电网联接、发电机;第四章、风轮与叶片设计风轮的作用是把风的动能转换成风轮的旋转机械能;风轮的输出功率与风轮扫掠面积或风轮直径的平方、风速的立方和风能利用系数成正比;第一节、概述一、叶片的基本概念1、叶片长度：叶片径向方向上的最大长度；2、叶片面积：叶片旋转平面上的投影面积；3、叶片弦长：叶片径向各剖面翼型的弦长；4、叶片扭角：叶片各剖面弦线和风轮旋转平面的夹角;二、风轮的几何参数1、叶片数：风轮的叶片数取决于风轮尖速比；2、风轮直径：风轮在旋转平面上的投影圆的直径；3、轮毂高度：风轮旋转中心到基础平面的垂直距离；4、风轮扫掠面积：风轮在旋转平面上的投影面积；5、风轮锥角：叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜角；其作用是在风轮运行状态下减少离心力引起的叶片弯曲应力和防止叶尖与塔架碰撞的机会;6、风轮仰角：风轮的旋转轴线和水平面的夹角；其作用是避免叶尖和塔架的碰撞;7、风轮偏航角：风轮旋转轴线和风向在水平面上投影的夹角；偏航角可以起到调速和限速的作用,但在大型风力发电机组中一般不采用这种方式;8、风轮实度：叶片在风轮旋转平面上投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值；实度大小与尖速比成反比;三、风轮的物理特性1、风轮转速;2、风轮叶尖速比公式;3、风轮轴功率公式;第二节、风轮载荷设计计算一、叶片受力示意图升力,阻力系数公式;翼型的选择：对于低速风轮,由于叶片数较多,不需要特殊的翼型升阻比；对于高速风轮,由于叶片数较少,应当选用在很宽的风速范围内具有较高升阻比和平稳失速特性的翼型,对粗糙度不敏感,以便获得较高的功率系数；另外要求翼型的气动噪声低;二、叶片载荷1、静载荷1最大受力：50年一遇的最大阵风作为最大静载荷值；2最大弯矩：当重力和气动力在同一方向上；3最大扭矩：当最大阵风时;2、动载荷1由阵风频谱的变化引起的受力变化；2风剪切影响引起的叶片动载荷；3偏航过程引起的叶片上作用力的变化；4弯曲力矩变化,由于自重及升力产生的弯曲变形；5在最大转速下,机械、空气动力制动,风轮制动的情况下；6电网周期性变化;三、叶片的受力分析离心力、风压力、气动力矩、陀螺力矩;四、风轮的强度校核1、在载荷下运转时叶片强度的计算;2、无载荷运转时叶片轴强度的计算;3、叶片停转时叶片轴强度的计算;第三节、叶片气动设计一、风力机的性能指标风轮输出功率、风能利用系数、尖速比、推力系数;相关公式二、风力机的空气动力学设计动量理论、叶素理论;三、叶片结构设计与制造一轻型结构叶片的优缺点：优点：1、在变距时驱动质量小,在很小的叶片机构动力下产生很高的调节速度；2、减少风力发电机组总质量；3、风轮的机械制动力矩小；4、周期振动弯矩由于自重减轻而很小；5、减少了材料成本；6、运费减少；7、便于安装;缺点：1、要求叶片结构必须可靠,制造费用高；2、所用材料成本高；3、风轮在阵风时反应灵敏,因此,要求功率调节也要快；4、材料特性和载荷计算必须很准确,以免超载;二叶片材料用于制造叶片的主要材料有玻璃纤维增强塑料GRP、碳纤维增强塑料CFRP、木材、钢和铝等;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材料之间可能产生裂纹;复合材料的优点：可设计性强、易成型性好、耐腐蚀性强、维护少,易修补;缺点：耐热性差；抗剪切强度低；存在老化问题；生产时安全防护；表面强度低；可以燃烧;GRP材料的风力发电机组叶片成形工艺有手工湿法成形、真空辅助注胶成形和手工预浸布铺层等;三叶片主体结构叶片截面类型：实心截面、空心截面、空心薄壁复合截面等;蒙皮：提供叶片的气动外形,同时承担部分弯曲载荷与大部分剪切载荷;蒙皮的层状结构包括胶衣层、玻纤毡增强层、强度层;主梁：承载叶片的大部分弯曲载荷,是主要的承力结构;四铺层设计原则1、均衡对称原则；2、定向原则；3、按照内力方向的取向原则；4、顺序原则；5、抗局部屈曲设计原则；6、最小比例原则；7、变厚度设计原则；8、冲击载荷区设计原则;五叶根结构形式1、螺纹件预埋式：连接最可靠,但每个螺纹件的定位必须准确；2、钻孔组装式：优点：不需要贵重且质量大的法兰盘；在批量生产中只有一个力传递元件；由于采用预紧螺栓,疲劳可靠性很好；通过螺栓很好的机械联接,法兰不需要粘接;缺点：需要很高的组装精度；在现场安装,要求可靠的螺栓预紧;六功率调节方法1、失速控制优点：叶片和轮毂之间无运动部件,轮毂结构简单,费用低；没有功率调节系统的维护费用；在失速后功率的波动相对较小;缺点：气动制动系统可靠性设计和制造要求高；叶片、机舱和塔架上的动态载荷高；由于常需要制动过程,在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷；起动性差；机组承受的风载荷大；在低空气密度地区难以达到额定功率;2、变浆距控制优点：起动性好；刹车机构简单,叶片顺浆后风轮转速可以逐渐下降；额定点以后的输出功率平滑；风轮叶根承受的静、动载荷小;缺点：由于有叶片变距机构,轮毂较复杂,可靠性设计要求高,维护费用高；功率调节系统复杂,费用高;七防雷击保护雷击造成叶片损坏的机理：一方面,雷电击中叶尖后,释放大量能量,使叶尖结构内部的温度急剧升高,引起气体高温膨胀,压力上升,造成叶尖结构爆裂破坏,严重时使整个叶片开裂；另一方面,雷击造成的巨大声波对叶片结构造成冲击损坏;八降噪措施①提高制造精度,降低表面粗糙度；②修正轮齿缘;在制造齿轮时,在齿轮顶侧沿齿宽修成直线或均匀曲线；③改用斜齿轮；④改进齿轮参数;减小v、d,选取互为质数的传动比；⑤齿轮的阻尼处理;高阻尼、不淬火；⑥改进润滑方式;第四节、轮毂设计一、风轮轮毂的结构设计轮毂是连接叶片与主轴的重要部件,作用是传递风轮的力和力矩到后面的机械结构中去;通常轮毂的形状为三通形或三角形;常用的轮毂形式有：1刚性轮毂；2柔性轮毂铰链式轮毂,叶片在挥舞方向、摆振方向和扭转方向上都可以自由活动;由于铰链式轮毂具有活动部件,相对于刚性轮毂来说,制造成本高,可靠性相对较低,维护费用高；它与刚性轮毂相比所说力与力矩较小;二、风轮轮毂的载荷分析轮毂载荷的分析方法：最大剪切法、ASME锅炉和压力容器规则法、变形能法;第五章、传动与控制机构设计1、传动与控制机构：传动机械能所需传动机构和机组控制调节所需驱动机构2、主传动链：风轮轴功率传递到发电机系统所需机构;典型的主传动链包括风轮主轴系统、增速传动机构齿轮箱、轴系的支撑与连接轴承、联轴器和制动装置;设计要求：载荷传递路径最短,结构紧凑,机械传动系统与承载轴承部件集成;主要构件支撑方式：由独立轴承支撑主轴,三点支撑式主轴,主轴集成到齿轮箱,轴承集成在机舱底盘,固定主轴支撑风轮;3、主轴轴承：径向与轴向支撑通常采用滚动轴承,易产生弯曲变形;轴承计算包括静态和动态额定值、轴承寿命分析等;4、主轴：仅考虑主轴传递扭矩的初步结构设计计算,考虑综合载荷作用的主轴强度计算;5、轴系连接构件：高速轴与发电机轴采用柔性联轴器,以弥补安装误差、解决不对中问题；需考虑对机组安全保护功能；可降低成本；还需考虑完备的绝缘措施;轴与齿轮键连接平键、花键;6、主传动链齿轮：采用大传动比齿轮传动装置,将风轮所产生转矩传递到发电机,使其得到相应转速;基本特点：大传动比,大功率,难以确定动态载荷；常年运行在极端环境下,高空维修困难；设法见效其结构和重量；设置刹车装置,配合风轮气动制动;在满足可靠性和工作寿命要求前提下,以最小体积和重量为目标,获得优化的传动方案;7、齿轮箱：箱体,传动机构,支撑构件,润滑系统,其他附件;传动形式：定轴,行星齿轮以及组合传动；级数：单级,多级；布置形式：展开式,分流式,同轴式;风电齿轮箱：多级齿轮传动,采用一级或两级行星齿轮与定轴齿轮组成的混合轮系;8、轮系：由若干对啮合齿轮组成的传动机构,以满足复杂的工程要求;定轴：所有齿轮几何轴线位置固定,分为平面和空间定轴轮系,尽可能使传动级数少;星系轮系：至少有一个齿轮的轴线可绕其他齿轮轴线转动,传动效率高,承载能力强,结构简单工艺性好;9、设计载荷：分析过程要参照相应设计标准;最重要载荷参数是反映风轮输出转矩及其相应特性的载荷谱;制动载荷：风轮制动主要依靠气动制动功能,制动时间比机械制动时间短,机械制动多用于紧急情况;10、齿轮箱结构设计：内部构件尺寸+运行环境确定外部载荷准确信息;一般传动系统设计标准给出工况系数KA;;结构设计：初步确定总体结构参数,箱体结构设计,齿轮与轴的结构设计,构建连接;11、传动效率与噪声：散热是紧凑结构齿轮箱的关键,定轴轮系每级损失2%,行星轮1%,机组传动载荷小时效率会有明显下降;12、润滑油：减少摩擦,较高承载,防止胶合,降震,防疲劳点蚀,冷却防腐蚀;润滑系统：强制润滑,设置基本回路以及对润滑油加热冷却的回路;润滑方式有飞溅润滑和强制润滑;润滑油换油周期：开始,500h；运行过程,5000~10000h；定期抽样检测；半年检修；对齿轮箱重新进行检测;13、关机运动方程：空气动力矩,机械制动力矩,发电机电磁力矩;空气制动：定桨距由叶尖扰流器实现,变桨距由顺桨实现;机械制动：多置于高速轴;限制条件离心应力,摩擦速度,摩擦片温升,制动盘温升14、变桨距系统：起动,功率调节,主传动链制动;运动方程：空气动力矩,重力矩,摩擦力矩;15、电机驱动机构：驱动功率计算,电动机选择,变距轴承齿轮副传动比,减速箱基本参数;电机外壳的防护等级：IP--;电机外壳的防护GB/。
第二章风力机基础理论2.2风力机的分类国内外风力机的结构形式繁多，从不同的角度有多种分类方法。
①按风轮轴与地面的相对位置，分为水平轴式风力机和垂直轴(立轴)式风力机。
②按叶片工作原理，分为升力型风力机和阻力型风力机。
③按风力机的用途分类，有风力发电机、风力提水机、风力铡草机、风力脱谷机等。
④按风轮叶片的叶尖线速度与吹来的风速之比的大小来分，有高速风力机(比值大3)和低速风力机(比值小3)；也有把该比值2～5者称为中速风力机。
⑤按风力机容量大小分类：国际上通常将风力机组分为小型(100 kW 以下)、中型(100~1000kW)和大型(1 000 kW 以上)3种；我国则分成微型(1 kW2.1 以下)、小型(1～10 kW)、中型(10~100 kW)和大型(100 kW 以上)4种；也有的将l 000kW 以上的风机称为巨型风力机。
⑥按风轮相对于塔架的位置，分为上风式(前置式)风力机和下风式(后置式)风力机。
⑦按风轮的叶片数量，分单叶片、双叶片、三叶片、四叶片及多叶片式风力机。
现在各国应用较多的是水平轴、升力型和少叶式的风力发电机(多数为2—3个叶片) 风力机翼型的概念2.3 翼型的几何参数及气动特性2.3.1翼型的几何参数翼型定义：叶片展向长度趋于无穷小时叫翼型。
常见的翼型形状有如图所示几种：对称翼型双凸翼型S型翼型平凸翼型下图为一任意形状的翼，其几何尺寸和参数如下：1．弦长(即翼弦)b翼型最前点(前缘)与最后点(后缘)的连钱称翼弦，它的长度称弦长用b 表示。
当前、后缘厚度不为0时，翼弦定义为前缘中点与后缘中点的连线。
2．厚度(指最大厚度)c是上、下翼面在垂直于翼弦方向的距离，其中最大者称最大厚度，用c 表示。
3．相对厚度c最大厚度c 与弦长b 的比值，用cc b=表示。
4．最大厚度位置c σ指最大厚度线到前线点的弦向距离记作c σ。
5．最大厚度相对位置c σ指最大厚度位置c σ与弦长b 的比值，用c c bσσ=表示。
风力发电机1）、设备概述：简介：风力发电机是将风能转换为机械功,机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
依据目前的风力发电机技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
2）、设备分类：分类：风力发电机组的分类一般有3种。
（1）按风轮轴的安装型式：水平轴风力发电机组垂直轴风力发电机组（2）按叶片的数目：单片式、双片式、三片式、多片式。
（3）按风力发电机的功率：微型（额定功率50～1000W）小型（额定功率1.0～10kW）中型（额定功率10～100kW）大型（额定功率大于100kW）（4）按运行方式：独立运行、并网运行。
风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。
（1）水平轴风机：a.荷兰式b .农庄式c.自行车式d.桨叶式a)c)b)d)（2）垂直轴风力机：a)b)c)a.萨窝纽斯式b.达里厄式c.旋翼式（3）、设备结构：风机的主要结构叶轮是由叶片和轮毂组成，其功能是将风能转换为机械能。
其中，叶片是风力机的关键部件之一，其主要作用是将风能转化为机械能，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风力机正常稳定运行的决定因素。
传动系统一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和制动器等。
齿轮箱是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。
偏航系统的功能是跟踪风向变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。
控制系统是风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障，包括调速、调向和安全控制。
发电机是将风轮的机械能转换为电能。
机舱由底盘和机舱罩组成，底盘上安装除了控制器以外的主要部件。
塔架支撑叶轮达到所需要的高度，它除了要承受风力机的重力外，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行的动载荷。
风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式，达98%以上；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。
1 / 27 风力发电机风轮系统 2.1.1 风力机空气动力学的基本概念 1、风力机空气动力学的几何定义 （1） 翼型的几何参数 翼型
翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。下面是翼型的几何参数图
1）前缘、后缘 翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。 2）弦线、弦长 2 / 27
连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。
3）最大弯度、最大弯度位置 中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用xf表示。
4）最大厚度、最大厚度位置 上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用xt表示。
5）前缘半径 翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。 6）后缘角 翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。 7）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。 8）上翼面 凸出的翼型表面。 9）下翼面 平缓的翼型表面。 （2） 风轮的几何参数
1）风力发电机的扫风面积 3 / 27
风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。
下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。 4 / 27 根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。
2）风轮轴线：风轮旋转运动的轴线 3）旋转平面：与风轮轴垂直，叶片在旋转时的平面 4）风轮直径：风轮在旋转平面上的投影圆的直径 5）风轮中心高：风轮旋转中心到基础平面的垂直距离 5 / 27
6）风轮锥角：叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜角 7）风轮仰角：风轮的旋转轴线和水平面的夹角
8）叶片的轴线：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：叶片与半径r并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面 10）安装角或浆距角：叶片径向位置叶片翼型弦线与风轮旋转面间的夹角 6 / 27
2、流线概念 气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。 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。 ——描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方向。 ——一般情况下，各流线彼此不会相交。 ——流场中众多流线的集合称为流线簇。如图所示。 绕过障碍物的流线: ——当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。 7 / 27
物体在空气中运动或者空气流过物体时，物体将受到空气的作用力，称为空气动力。通常空气动力由两部分组成：一部分是由于气流绕物体流动时，在物体表面处的流动速度发生变化，引起气流压力的变化，即物体表面各处气流的速度与压力不同，从而对物体产生合成的压力；另一部分是由于气流绕物体流动时，在物体附面层内由于气流粘性作用产生的摩擦力。将整个物体表面这些力合成起来便得到一个合力，这个合力即为空气动力。风轮叶片是风力机最重要的部件之一。它的平面形状与剖面几何形状和风力机空气动力特性密切相关，特别是剖面几何形状即翼型气动特性的好坏，将直接影响风力机的风能利用系数。气流绕风轮叶片的流动比较复杂，是一个空间的三元流动。当叶片长度与其翼型弦长之比展弦比较大时，可以忽略气流的展向流动，而把气流绕叶片的流动简化为绕许多段叶片元 即叶素的流动，叶素之间互相没有干涉。当每个叶素的展向长度趋向无穷小时，叶素就成了翼型，空气绕叶素的流动就成了绕翼型的流动，也就成了二元流动或平面流动。
3、升力与阻力 8 / 27
风就是流动的空气，一块薄平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力，我们把这个力分解为阻力与升力。图中F是平板受到的作用力，D为阻力，L为升力。阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。
我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，升力为零。当平板静止时，阻力虽大但并未对平板做功；当平板在阻力作用下运动，气流才对平板做功；如果平板运动速度方向与气流相同，气流相对平板速度为零，则阻力为零，气流也没有对平板做功。一般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率。 9 / 27
当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零（阻力与升力都为零）。 当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会受到气流的压力，在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力D与升力L。
当夹角较小时，平板受到的阻力D较小；此时平板受到的作用力主要是升力L。 截面为流线型的飞机翼片阻力很小，即使与气流方向平行也会有升力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理（丹尼尔·伯努
利在1726年首先提出时的内容就是：在水流或气流里，如果速度小，压强就大，如果速度大，压强就小。），上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。 10 / 27
当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。
风力发电用风力机有阻力型与升力型两种，水平轴风力机基本都是升力型，垂直轴风力机有多种阻力型结构，也有是升力型结构。
3、压力中心 正常工作的翼片受到下方的气流压力与上方气流的吸力，这些力可用一个合力来表示，该力与弦线（翼片前缘与后缘的连线）的交点即为翼片的压力中心。
对称翼型在不失速状态下运行时，压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置；运行在不失速状态下的非对称翼型，在较大攻角时压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置，在小攻角时压力中心会沿叶片弦长向后移。 11 / 27
4、雷诺数 雷诺数是衡量作用于流体上的惯性力与粘性力相对大小的一个无量纲参数，雷诺数用Re表示， Re= v l ρ/μ
式中ρ——流体密度；v——流场中的特征速度；l——特征长度；μ——流体的粘度，流体的粘度主要随温度变化，空气的粘度随气温升高加大；而液体则相反，温度升高粘度减小。
定义ν为流体的运动粘度，ν=μ/ρ 于是 Re=μl /ν 在研究翼型的气动特性时，v取翼型的运动速度，l取翼型的弦长，得到的就是该翼型的雷诺数。
雷诺数对翼型气动特性影响较大，一般翼型的失速迎角随雷诺数的增大而增大、最大升力系数也随失速攻角的增大而增大。 12 / 27
5、失速 当翼片运行较小迎角时，翼片处在正常升力状态，翼片上方与下方的气流都是平顺的附着翼型表面流过，见下图中的A图，此时有较大的升力且阻力很小。如果将翼片迎角变大，当超过某个临界角度时，翼片上表面气流会发生分离，不再附着翼型表面流过，翼型上方会产生涡流，导致阻力急剧上升而升力下降，这种情况称为失速。见下图中的B图。 13 / 27 发生转变的临界角度称之为临界迎角或失速迎角，对于不同的翼型失速迎角也不同，普通翼型多在10度至15度，一般薄翼型失速迎角稍小，厚翼型失速迎角要大一些；对于同一个翼型影响失速迎角的是翼片运行时的雷诺数与翼片的光洁度。
6、相对风速 风力机叶片运动时所感受到的风速是外来风速与叶片运动速度的合成速度，称为相对风速。下图是一个风力机的叶片截面，当叶片运动时，叶片感受到的相对风速为w→，它是叶片的线速度（矢量）u→与风进叶轮前的速度（矢量）v→的合成矢量
w→=u→+v→
相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角α 14 / 27 2.1.2 风力机基本理论
1、贝兹极限 风能就是空气运动的动能，风在通过风轮时推动风轮旋转，把它的动能转变为风轮旋转的能量，但经过风轮做功后的风速不会为零，仅仅是减小，故风只能把一部分能量转交给风轮。那么风能把多大的能量转交给风轮呢，从理论上讲最大值为59.3%，这也是风力发电机组的风能利用系数的最大值，称为贝兹极限。目前高性能的风力发电机组风能利用系数约为40%。
4.1.3 风力机性能参数 1、风能利用系数Cp 风功率是速度为v的空气经过平面S后速度减为0所产生的功率，这是理想的情况，事实上空气经过平面S后并没有消失还得流走，速度不可能为0，所以说风只可能把一部分能量传给平面S。
