风力机的机械设计.pptx

——由于随风速的增加，气动推力加大，即便功率恒定 或稍有下降。此时叶片、机舱和塔架上将承受较高的 动态载荷。
——在频繁的刹车过程中，使叶片与传动系统产生较大 的动载荷。
——起动风速较高，使起动性较差。 ——在低空气密度地区难以达到额定功率。
§3.6 桨叶设计中的若干问题
3.6.1 叶轮的总体参数
一台设计良好的风力机必须具有良好的空气 动力性能。
3、失速调节的特点
优点 ——无变桨距调节时的运动机构，轮毂结构简化， 生产成本降低，维护费用减少。 ——失速后，阵风对叶轮的输出功率影响不大，
即
该功率不会随阵风出现太大的波动。因此风力机 无
需进行功率调节，进而省去功率调节系统的费用。
缺点 ——需可靠的刹车以免在风速过大失速消失后出现飞车， 这导致了额外的费用。
原理：通过改变桨叶的升阻比。 实现：常通过超速时的离心作用。
§3.3 对风装置
为了使风力机有效地捕捉风能，应保证叶 轮始终基本上处于迎风状态。
这里简单介绍电动对风装置。 大中型风力机中普遍使用电动对风装置。 一、系统组成 风向标，控制电路，偏航齿轮，伺服电机， 刹车等。
二、对风原理
三、其它问题
承载能力大、躁声小、起动力矩小。
类别：
定轴齿轮传动
齿轮传动 行星齿轮传动
混合轮系传动
600kw风力机用的齿轮箱
二、机械刹车
一般有两种刹车装置： ——运行刹车：正常情况下反复使用。 ——紧急刹车：出现运行故障时使用。
安置位置：低速端或高速端。
三、空气动力刹车
用途：常用于失速型风力机的超速保护， 作为机械刹车的补充。
——改变S：叶轮侧偏 ——改变Cp：变桨距、失速 。
一、变桨距调节
1、调节原理 ——佳与CL及Cp关系； ——利用= - （桨距角 ） 2、实现方式
全桨叶变桨距，叶尖局部变桨距。 全桨叶变桨距方式 1）离心式
2）风压式 利用风压中心与转轴中心不重合的特点。
3）伺服机构式
二、失速调节
1、失速现象 当桨叶上的攻角增大到一定数值时，在翼型上翼面
风力机的空气动能主要表现为叶轮的空气动 力性能。
叶轮的空气动力性能主要取决于它的气动设 计。
气动设计时，必须先确定总体参数。这也是 进行方案设计所必需的。
一、尖速比0
叶轮的叶尖线速度与额定风速之比。是一个重 要设计参数。与叶片数及实度有关。
用于风力发电的高速风力机，常取较大的尖速 比。尖速比在5-15 时，具有较高的风能利用系 数。通常可取 6-8 。 ——高速风力机在制造成本，运行平稳性等方 面均优于低速风力机。但启动风速较高。
流 动的气流产生偏离而不能附着在上面（称为脱落或分离） 的现象。
W V
-U
V≤额定风速 正常气流
W
V
-U
V>额定风速 ——失速
几点说明：
正常流动时，流线平滑且流过上翼面。这种流动从翼 型前缘邻近到剖面的最大压力点处是加速进行的，然 后沿着上翼面的其余部分到后缘缓慢减速。对于保持 附着在上翼面的流动来说，这种减速必定是非常缓慢 的。
偏航角速度： 0.026~0.035rad/s (1/4r/m~1/3r/m)
回转制动器的应用： 保证对风可靠。
§3.4 塔架
型式 有拉索式 无拉索式 桁架式
圆筒式 塔架高度
§3.5 调速（限速）方式
在一定的风速变化范围内自动限制转速 和功率。
调速原理：
叶轮输出功率：P=1/2CpSV13
2、失速调节
根据翼型上升力L、阻力D与驱动力矩T、推力F之间 的关系以及叶轮输出功率P=T，失速时的驱动力矩不 再增加，使叶轮的转速维持近似的恒定，而功率也不 再增加。
由于叶尖处的安装角 较小，其攻角较大而接近失速 状态。一旦风速超过额定值，叶尖首先进入失速状态。
叶轮输出的最大功率对叶片的安装角的变化很敏感， 大体上是安装角越大，开始失速时的风速越大，而最 大功率也越高。采用失速调节时的安装角应该相当准 确，以免不必要的空气动力损失而影响出力。
0；
——当t为±90时，M最大。
外加其它正常作用的载荷，桨叶根部应 力最大。
§3.2 齿轮箱与刹车
大型风力机的转速大多在30~50rpm之间， 也有更低的（考虑桨叶离心力与叶尖线速
度）
，与发电机之间存在较大的转速差。故设 置
传动装置——齿轮箱。 传动装置包括：增速器、联轴器等。
一、齿轮箱
基本要求： 重量轻、效率高（尤其对大型风力机）、
桨叶的危险剖面：桨叶根部。
考虑桨叶处于水平和垂直两个特殊方位时的强 度计算。
1、桨叶处于水平位置
叶根载荷：
——重力矩（最大）；
——气动推力产生的弯矩； 弯曲应力
——扭转力矩产生的弯矩；
——离心力：
拉应力
2、桨叶处于垂直位置
偏航时的陀螺力矩为：
M=2J sint ——当t为0（即处于水平位置）时，M为
2、铰链式连接（柔性连接）
常用于两叶片叶轮。铰链轴分别垂直于叶片轴 和叶轮转轴——挥舞运动不受约束。
如果两个叶片固连成一体，特称为跷跷板铰链， 可使桨叶在旋转平面前后几度（如5度）的范 围内自由摆动，以便更利于锥角效应。
变桨距叶轮中的桨叶转轴另行介绍。
但扭转力矩变化较大，叶轮躁声大，结构复杂。
当攻角足够大（大于失速攻角）时，上述的“减速” 加大而使附面层无法保持，使气流从翼型表面分离— —失速。
一般来说，失速攻角在12°左右（大致相当于升力系 数为1. 2）。同时，它在很大程度上还取决于翼型形 状和雷诺（Reynolds）数。
未失速的翼型具有低阻力且升力系数随攻角线性增加 的特性。而失速的翼型阻力加大，升力大大降低。
二、轮毂材料与检验
轮毂可用铸钢铸造或由钢板焊接而成。 ——铸件不能有铸造缺陷（夹渣、缩孔、 砂眼、裂纹等），否则重新浇铸。
——对焊接件的焊缝要进行超声波检查。
大型风力机叶轮的轮毂可用加延长节的 方式，简化轮毂的制造，减少出现各种 缺陷的可能。
对轮毂（和延长节）要进行静强度和疲 劳强度分析。
三、桨叶的强度计算
第三章 风力机的机械设计
叶轮 传动装置 偏航装置
塔架 附属部件 转速调节
§3.1、叶轮
由轮毂和相连接的叶片组成。 讨论要点：
——轮毂与桨叶的连接型式 ——轮毂材料与检验 ——桨叶的强度计算
一、轮毂Байду номын сангаас桨叶的连接型式
1、固定连接（刚性连接） 三叶片叶轮大多用此连接方式。 制造成本低，较少维护，无磨损。 但要承受所有来自叶片的载荷。 连接用螺栓的材质要好，外加防松装置。