风力发电机组(1)一、风力机分类 二、风力机基本原理 三、风轮系统 四、风轮特性一、风力机分类按风力机用途可分为风力提水机组和风力发电机组。风力提水机组 风力发电机组按风力机风轮转轴相对地面的位置可分为垂直轴 风力机和水平轴风力机。垂直轴风力机 水平轴风力机垂直轴风力机垂直轴风力机的转轴垂直于地面。优点：可以吸收来自任意方向风的能量，不需 要调向机构齿轮箱和发电机可以安装在地面，结构 简单，维护方便垂直轴风力机缺点：最大功率系数较低要在相对较低的尖速比下运行不能自行启动大型垂直轴风力机的气弹性问题和机械振动 问题也较为复杂垂直轴风力机D = 64 mD = 64 m， 4200 kW 4200 kWD = 10 m D = 10 m ，20 kW20 kW水平轴风力机水平轴风力机的转轴平行于地面。优点：最大功率系数较高在较高的的尖速比下运行通过叶片失速或变桨矩可控制高风速 下的功率输出水平轴风力机缺点：需要调向机构齿轮箱和发电机安装在位于塔顶的机舱内， 安装维护不方便水平轴风力机5兆瓦风力发电机组1.2兆瓦直驱式风力发电机组水平轴风力发电机组按风力机功率调节方式可分为：水平轴风力机定桨距失速型风力发电机组 变桨距失速型风力发电机组 变速恒频型风力发电机组定桨距失速型风力发电机组定桨距失速型风力发电机组通过风轮叶片失速 来控制风力发电机组在大风时的功率输出，通过 叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。 变桨距失速型风力发电机组变桨距失速型（主动失速型）风力发电机组在 低于额定风速时通过改变桨距角，使其功率输出增 加，或保持一定的桨距角运行；在高于额定风速时 通过改变叶片桨距角来控制功率输出，稳定在额定 功率。变速恒频型风力发电机组变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角 可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒 压电能。在低于额定风速时，它通过改变风轮转 速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳尖速比下 运行，输出最大的功率；在高于额定风速时通过 改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在 额定功率。变桨距失速型风力发电机组与变速恒频型风力发电 机组不同之处是：当风速超过额定风速时，是将风轮叶片的入 流角（迎角）向大的方向，即使桨距角变小来调 节。当风速低于额定风速时，则将风轮叶片的入 流角（迎角）向小的方向，即使桨距角变大来调 节变速恒频型风力发电机组变速恒频型风力发电机组又可分为： 传统式风力发电机组 直驱式风力发电机组 混合式风力发电机组变速恒频型风力发电机组传统式风力发电机组传统式风力发电机组发电机刹车装置 齿轮箱轴承轮毂机舱底座偏航轴承偏航传动装置整流罩直驱式风力发电机组直驱式风力发电机组是无齿轮箱的变桨距变速 风力发电机组，风轮轴直接与低速永磁同步发电 机连接。与传动式风力发电机组比较，直驱式风力发 电机组的结构简单，运动部件少，传动、发电效 率高，但需要采用低速多级永磁发电机，重量和 成本高，制造较困难。直驱式风力发电机组直驱式风力发电机组231765489101. 叶轮（叶片） 2. 轮毂 3. 变桨系统 4. 电机转子 5. 电机定子 6. 偏航系统 7. 测风系统 8. 底座 9. 塔架 10. 提升机混合式风力发电机组混合式风力发电机组采用1级行星齿轮和低速 永磁同步发电机，是直驱式风力发电机组和传统 式风力发电机组的混合型式。混合式风力发电机组混合式风力发电机组轴承一级行星齿轮发电机变桨系统二 、风力机基本原理风力机是将风的动能转换成机械能或电能的 装置。风力机风轮叶片在风的作用下产成空气动 力使风轮旋转，将动能转换成机械能，再通过传 动系统和电气系统将机械能转换成电能。动量理论动量理论可用来描述作用在风轮上的力与来流 速度之间的关系，回答风轮究竟能从风的动能中转 换成多少机械能。风轮尾流不旋转时的动量理论 vV1 V2A1 AA2连续性假设：动量定理：能量方程：此值称为贝兹（Betz）极限，即在理想情况下， 风轮最多能吸收59.3的风的动能。风轮尾流不旋转时的动量理论,当考虑风轮尾流旋转时，风轮轴功率有损失，风轮 功率系数要减小。风轮尾流旋转时的动量理论V1 V2 VA1 AA2叶素理论叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多段（ 叶素），假设在每个叶素上的流动相互之间没有 干扰，即叶素可看成是二维翼型，这时，将作用 在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，就可求得 作用在风轮上的力和力矩。叶素理论阻力升力叶素理论风力机翼型风力机叶片的剖面形状称之为风力机翼型 ，它对于风力机性能有很大的影响。目前风力 机叶片使用的翼型有NACA系列，FX系列， SERI系列，FFA-W系列和DU系列等。风力机翼型的特点： 风电机组叶片是在低雷诺数下运行，一般在0.7106 10106 范围，这时翼型的边界层特性变得很异常； 风电机组叶片是在大迎角下运行，叶片各剖面处的入流角（ 迎角）可以在090范围内变化。这时翼型的深失速特性显 得十分重要； 风电机组在偏航运行时，叶片各剖面处的入流角（迎角）是 周期性变化，必须考虑翼型的动态失速特性。 风电机组叶片在大气中运行，沙石、碎石、雨滴、油污等会 使叶片表面的粗糙度增加，影响翼型气动特性； 从制造技术考虑，风电机组叶片的后缘不是尖的，而是钝的 ，作了加厚处理； 从结构强度和刚度考虑，风电机组叶片翼型的相对厚度大， 在叶片根部处一般可达30%左右。风力机翼型翼型几何参数风力机翼型t相对厚度：翼型升力特性迎角/（） 升力系数CL风力机翼型翼型阻力特性0.00.51.01.5-50-100-150-200050100150200迎角/（） 阻力系数CD风力机翼型翼型俯仰力矩特性-0.1-0.2-0.3-0.40.00.10.20.30.4-50-100-150-200050100150200 迎角/（） 俯仰力矩系数CM风力机翼型风力机翼型流动迟滞现象CL/（）风力机翼型动态失速现象升力特性阻力特性CDCL/（）/（）三、风轮系统风轮是风力机最关键的部件，风力机通过 风轮吸收风的动能。作用在风力机上的载荷也 主要来自风轮，风轮由叶片、轮毂和变桨距系 统组成。风轮几何参数 叶片数 直径 轮毂中心高 扫掠面积 锥角 仰角 偏航角 实度30m 330kw16m 50kw45m 750kw70m 1500kw5MW 126,3m风轮几何参数10020804060802006040风轮直径D/m塔架高度H/m100风轮几何参数风轮物理参数 转速 尖速比 风能利用系数 扭矩M，风轮物理参数CP风轮物理参数CM叶片外形叶片外形叶尖刹车位置叶尖正常运行位置000扭角/（ ）弦长/m相对厚度/(%)r/m1.5兆瓦变速恒频型风电机组叶片气动外形叶片结构叶片主体结构采用梁壳结构Vestas叶片剖面结构CTC叶片剖面结构叶片结构叶片主体采用硬质泡沫塑料夹心结构；大梁采用 D形、O形、矩形和C形等形式，是叶片的主要承载部 件，蒙皮较薄（=23cm ），主要保持翼型和承受 叶片的扭矩载荷。这种形式的叶片重量轻，但叶片前 缘强度和刚度较低。LM叶片剖面结构叶片结构叶片上下壳体是其主要承载结构，以GRP层板 为主（=1020mm ）。为减轻叶片后缘重量，提高 叶片整体刚度，在叶片上下壳体后缘局部采用硬质泡 沫夹心结构。大梁为硬质泡沫夹心结构，与壳体粘接 后形成盒式结构，其优点是叶片整体强度和刚度较大 ，但叶片比较重，制造成本高。叶片材料玻璃纤维增强塑料（GRP）碳纤维增强树脂（ CFRP）木材叶片材料目前风力机叶片主要采用复合材料，复合材料以玻璃纤维或碳纤维为增强材料，树脂为基体。其优点是：复合材料的可设计性强 易成型性好 耐腐蚀性强 维护少，易修补叶根结构螺纹件预埋式叶根钻孔组装式叶根叶片制造中航（保定）惠腾 风电设备有限公司制造 叶片时采用先进的预浸 抽真空加压室温固化成 型工艺方法叶片固有特性 风力机是一个多自由度系统，在风力机设计时 要对每个重要部件，特别是风轮叶片的固有特 性进行分析，辨别临界的振动模态。 风力机叶片在挥舞方向和摆振方向的一阶、二 阶固有频率与风轮旋转频率的偏离值要大于 10。 风力机叶片在挥舞方向上的固有频率也要远离 在摆振方向上的固有频率。叶片固有特性频率/Hz转速/（1/min）运行范围二阶挥舞方向频率一阶摆振方向频率一阶挥舞方向频率塔架频率一台1.5MW风电机组叶片的固有特性一阶挥舞频率 0.96Hz一阶摆振频率 1.82Hz叶片固有特性叶片防雷系统接闪器防雷击导线叶片防雷系统丹麦LM公司进行叶片防雷击高压模拟试验叶片测试 叶片静强度试验 叶片疲劳试验 叶片刚度分布及应变分布测量 叶片质量分布及重心位置测量 叶片挥舞、摆振方向一、二、三阶固有振频、振型 测量 叶片阻尼特性测量 叶片蠕变测量 叶片几何外形（弦长、扭角、厚度、剖面翼型）测量 叶片内部加工质量无损探伤检查叶片静力试验叶片疲劳试验轮毂外形目前，兆瓦级风力发电机组的轮毂多采用球形结构或 球形和星形相组合的结构，以保持较好地传递载荷、减轻 轮毂重量和减小外部尺寸。星形结构球形结构轮毂外形1.2兆瓦直驱式风电机组轮毂轮毂材料轮毂材料一般采用高强度球墨铸铁 ，它有较好的机械性能和高的可延展性 。轮毂强度分析液压式变桨距系统电动式电动式变距系统结构简单，性能可 靠，一般每个叶片采用独立的变距控制 ，即使一个或两个变距系统发生故障， 其余的变距系统仍能将风力机的转速降 下来，保护机组。Repower MD70 1.5兆 瓦风电机组在安全停机时的变距速率为 15度/秒。变桨距系统风轮特性 功率特性 载荷特性 噪声特性功率特性00.50.30.40.20.141281620 CP不同风轮偏航角时的风轮功率系数=0 =15 =30 =45功率特性00.50.30.40.20.141281620 CP不同叶片桨距角时的风轮功率系数功率特性CP0一叶片 二叶片 三叶片 四叶片 五叶片不同风轮实度时的风轮功率系数功率特性风力机功率特性主要取决于风轮功率系数；其 次取决于传动系统效率，发电机效率和风力机 运行方式；另外，还与塔架高度和外部环境等 因素有关。风力机功率特性一般用风力机输出功率随风速 变化曲线（P-V）和风力机功率系数随风速的变 化曲线（Cp-V）来表示。定桨距失速型风力发电机组功率特性功率特性P/kWV(m/s)电功率轴功率功率调节失速控制功率特性变速恒频型风力发电机组功率特性功率调节变桨距功率调节功率调节变速恒频型风力发电机组的功率调节V/（m/s）V/（m/s）P(kW)桨距角（）转速（1/min） Cp转速 桨距角功率调节主动失速型风力发电机组的功率调节V/（m/s）V/（m/s）P(kW)桨距角（） Cp一台1.5MW风电机组的性能V(m/s) Cp45678910111213140.2500.3700.4800.4250.4290.4310.4230.3980.3510.2910.236V(m/s) Cp15161718192021222324250.1930.1590.1330.1120.0950.0820.0710.0610.0540.0470.042功率特性塔架高度影响海拔高度影响温度影响阵风影响雨滴影响污染影响尾流影响功率特性影响因素功率特性P/kWV/（m/s）空气密度对定桨距风电机组功率特性的影响功率特性P/kWV/（m/s）空气密度对变桨距风电机组功率特性的影响V/（m/s）P(kW)温度对变桨距风电机组功率特性的影响t=40 参考值 t=-20功率特性功率特性V/（m/s）P(kW)温度对定桨距风电机组功率特性的影响t=40 参考值 t=-2