第三章第三章 水平轴风力机的气动设计水平轴风力机的气动设计第一节第一节 叶片数和风轮直径的确定叶片数和风轮直径的确定内容简介内容简介1、掌握不同叶片数风力机的优缺点；2、了解风轮直径的计算方法。1课程章节 水平轴风力机气动分析及计算理论是在风力机的空气动力学气动性能计算的基础上进行的，它在很多方面借鉴了螺旋桨理论，只不过两者的能量转换过程是相反的。前者从空气流体中提取能量，然后转化成机械能；后者是输入机械能迫使空气流动形成气动拉力。 2课程章节 水平轴风力机无论是过去还是现在都是最流行、采用最广泛的。从儿童可以制作的玩具小风车，到单机容量几千千瓦的大型商业风力发电机组，水平轴风力发电机种类繁多。 而为了设计出效率高、运行可靠的风力机，必须解决以下两个问题。3课程章节 1、首先是确定风轮的基本几何尺寸与特征参数，如叶片数、风轮直径、叶尖速比；确定叶片的空气动力参数，如翼型、各叶素弦长、各叶素安装角、叶片外形等。 2、确定叶片与风力机所受的力，也变按照强度、刚度要求设计叶片结构和叶轮。4课程章节叶片的外形设计一个叶片的外形设计包括： 叶片数z、 确定风轮直径D、 叶片各剖面的弦长L、 叶片的安装角， 以及选取各剖面的翼型。5课程章节 叶片的主要性能参数：额定功率：1000 W 额定风速：10 m/s 起动风速：4 m/s机电效率： 0.81 抗最大风速：54 m/s公称电压：DC 24/48 最大系统效率：32噪声：70 dB（A） 工作温度：-40+60 6课程章节 风力机风轮的基本几何尺寸与特性参数取决于它的使用目的和当地年平均风能密度。如发电用高叶尖速比、提水用低叶尖速比。一、叶片数一、叶片数z z的确定的确定 依据风力发电机组的使用目的和当地风能情况决定水平轴风力机采用高速风轮还是低速风轮之后，叶片数z自然也就确定了，如表1所示。7课程章节表表1 1 尖速比与叶片数的关系尖速比与叶片数的关系尖速比叶片数风机类型12620412 低速343835中速588152412高速8课程章节 目前用于风力发电的风力机一般属于高速风力机，叶片数较少，一般取23。叶片数少的风力机在高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且启动风速较高，适用于发电。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑起动性能，总之要达到最多的发电量为目标。 9课程章节1、单叶片风轮（、单叶片风轮（c图）图） 优点：机组费用低； 缺点：需要增加配重和空气动力平衡措施。abc10课程章节2 2、双叶片风轮（、双叶片风轮（b b图）图） 优点：实度小，转速高； 缺点：需要解决结构载荷问题，费用反而高，需要柔性轮毂。3、三叶片风轮（三叶片风轮（a a图）图） 优点：效率比单叶片和两叶片稍高，受力平 衡好，轮毂简单； 缺点：风轮重，费用高 。11课程章节这个问题很简单的。为什么用三片，这因为三片叶有较好的动平衡。不易产生振荡。减少轴承的磨损。降低维修成本。 为什么风力机多为三个叶片的？为什么风力机多为三个叶片的？ 这个问题很简单的。因为三个叶片有较好的动平衡（运行和输出功率较为平稳）；不易产生振荡；减少轴承的磨损；降低维修成本。 12课程章节图4 13课程章节D 对于5的大型高速风力机选叶片数（1、2、3）需要考虑四个原则： 1）提高转速n就要减少叶片数z可减小齿轮箱的变速比，降低成本 2）减少风轮成本就要减少叶片数 3）叶片叶素的弦长L与叶片数z成反比，应综合把握这两个参数的尺度 4）风轮转动质量的动平衡，振动问题控制的难易程度，风轮运转噪声的大小。14课程章节 二、二、风轮直径的确定风轮直径的确定 在功率P和风力机前风速V1已知的条件下，选定叶尖速比并预估在此下的Cp值式中：p风力机输出功率；cp风能利用系数；空气密度：v1设计风速(风轮中心高度位置处)。传动链 1x发电机效率2(此效率值根据传动系统和发电机系统的不同而不同，初步设计时常选取081左右) ；15课程章节 根据计算功率的公式，可推导出计算风根据计算功率的公式，可推导出计算风轮直径轮直径D D的公式：的公式：16课程章节1、不同叶片数的风力机的优缺点各是什么？2、风轮的直径如何计算？17课程章节