离网型风力发电机组的风轮2.docVIP

离网型风力发电机组的风轮 风轮是由叶片和轮毂组成，是风力机的核心部件。叶片设计成具有良好的空气动力外形和足够的机械强度。是承受风载荷，把风能转换为机械能的关键的动力构件。 为设计和制造出效率高运行可靠的风力机，在投入制造前风轮必须解决如下这个问题： （1）根据风力发电机组的总体设计要求，确定风轮的结构型式和主要技术参数。 （2）叶片的空气动力外形设计。 （3）风轮的空气动力特性分析与动力计算，充分满足强度、刚性要求。 （4）确定风轮气动载荷，结构运动惯性力等，以便风轮在恶劣的环境和复杂的运行条件下具有可靠的安全性能。 （5）消除风轮的有害振动。 1、风轮型式和主要技术参数。 风力机总体设计要求通常给出：风轮布置（水平/垂直、上风/下风、锥角、仰角等）桨距（定/变）、翼型、叶片数、尖速比、额定风速、输出功率、切入风速、切出风速、安全风速等，依据这些要求确定风轮的结构和主要技术参数。离网式小风力发电机主流产品的风轮多采用水平轴、上风向、定桨距、3叶片结构，也有些机型采用下风向、变桨距的架构型式。 1.1 叶片数目 以前市场上流通的小风电产品，风轮叶片数有2、3、4、5多种，有的风轮为适应低风速地区，外沿设计了扩散轮圈，叶片数多达5~8片。 多数机型选3叶片，它的优点是： ①叶片数量适中； ②风轮容易调整平衡； ③三叶片的质量对风轮、塔架、轴线形成匀称布局减小动态响应的几率； ④可运行在经济合理的尖速比范围与直驱发电机配套运行相对于多叶片的机型而言，机型尺寸小、重量轻、效率高。 尖速比 风力机的尖速比可从4、5、6、7、8、9中选取，在额定风速、输出功率风轮直径确定之后，值便决定了风轮转速。尖速比值高，发电机转速高，能提高发电机的效率，降低发电机的制造成本，据经验值高到使叶片线速度超过70m/s时，风轮这时易生噪音且叶片由风蚀造成的损害严重。因此，在风能资源比较丰富的地区，用于发电的风力发电的机型，尖速比值取6~7比较合适。 额定风速 额定风速取值是否合理的制定原则应为它的年发电量是否最高。取值偏高，机组很少达到额定输出功率，设备的利用率低，年发电量少，风力发电的营运成本高；取值过低，风轮发电机及塔架尺寸大质量重，造价高，转速和功率的控制系统负担重，制造成本高，风电每度电成本高，综合经济技术效果比较差。 以往有很多“微风发电”的案例，已经证明过分追求微风低风速发电是极不经济的。 据经验估计，针对风况大致相同的地区，取常年平均风速的1.6~2倍作为该地区的额定风速比较适宜。如果进一步兼顾到该地区风频高、能量较高风速段（如6~8m/s），使机组具有更高的系统转换效率则更有利。 风轮直径的估算 式中 D——风轮直径（m） ——额定功率（V） ——空气质量密度随海拔高度，大气温度和湿度有关，其标准状态=1.225kg/。 ——额定风速（风轮轮毂处，m/s） ——风轮效率，取0.35~0.4 ——发电机效率 ——传动及其他效率 叶片翼型 以往用于风力机的叶片翼型有：GAM(美国NASA兰利)、NACA63（美国航空航天局）、CLARKY。 近年研发了适合于风力发电机的翼型有： FFA63-系列，瑞典航空研究院专为风力机研发相对厚度大升阻比高； DU系列，荷兰Delft技术大学，专为风力机研发升阻比高； NREL-S系列，美国国家可再生能源实验室专为风力机研制适用于失速型风轮。 近年我国小风电定桨距叶片多采用S系列翼型，变桨距叶片多采用FFA63、DU系列翼型，使用效果令人满意。 叶片的空气动力设计及风轮的特性 2.1计算方法： 依据总体设计参数，确定翼型、叶片数、尖速比、风轮运行方式（定、变桨距）、额定风速、风轮直径、风轮功率系数、发电机效率等。 采用动量——叶素理论，建立数学模型，从叶素微段得到诱导速度， 对叶片进行优化设计。 其中：设计变量（ 叶片沿展向变化的剖面弦长C、相对厚度t和几何扭角Q）。 目标函数 （对定桨距，叶尖角为零度时风力机年输出功率；对变桨距，叶尖角度为零度，风速为额定值时风轮的功率系数）。 约束条件： 包括在结构上约束叶片的几何参数；在性能上约束输出功率（对变桨距，额定风速达到输出功率；对定桨距，输出功率不能高于最大功率）。 2.2迭代计算步骤： （1）假设a和b的初值，一般可取0； （2）计算入流角 （3）计算迎角 （4）根据翼型空气动力特性得到叶素的升力系数Cl和阻力系数Cd； （5）计算法向力系数Cn和切向力系数Ct （6）计算新的a和b值 （7）比较计算的a和b值与上一次的a和b值，如果误差小于设定的误差值（一般可取0.0001），则迭代终止；否则，再回到（2）继续迭代。需要指出的是：当风轮进入涡环状态时，还要用经验公式对动量—叶素理论进行修正。 迭代求的a和b值后，根据叶素理论积分得到风轮主轴力矩，进而求得