风机叶轮的设计和风电场机组布置方案

湖南水利水电职业技术学院

Hunan Technical College of Water Resources and Hydro Power

毕业设计成果

姓名：XXXX

专业：发电厂及电力系统

班级：10级发电厂及电力系统一班

学号：20103501XXXX

摘要

本次课题设计的题目是“风机叶轮的设计和风电场机组布置方案”。风机叶轮的设计主要是通过公式计算，得到风轮扫掠面积，风轮直径，增速比等重要参数，再采用三维CAD软件绘制叶片的翼型组合成三叶片三维立体风机示意图和风电场机组布置方案的比较选择。

本次的设计具体内容主要包括：风轮设计的相关内容，比如:确定风轮扫掠面积、确定风轮直径、确定叶片数目、风轮转速计算、确定增速比等计算数据和翼型设计的一些相关数据计算

关键词：风力机叶片翼型坐标变换风电场机组布置方案（图）

绪论

能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。

受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30%，2005年，中国政府对2020年的风电发展目标进行了修改，将风电装机容量由2000万千瓦增至3000万千瓦。

与此同时，我国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。

一、风轮设计 1、

由匀风速Vm 求额定风速

70556

.5......)2.58.41.5(36

111=+++⨯==∑=n i i m v n v s m s m v v m /6.8/70.55.15.1=⨯=⨯= 风轮扫掠面积、风轮半径

由风电场具体资料可以获得单机额定容量，额定风速由上求得，便可由式子

651.663)(2

3

=⋅⋅⋅=

m v Ct Ca K N s e η

算出风轮扫掠面积后，由风轮扫掠面积由可算出风轮直径：

m s

d 076.292=⋅

=π

，此处取风轮直径为30m

那么风轮半径，即叶片长度就可求得

m d

r 152

==

2、 叶尖速比λ、叶片个数K 的确定

叶尖速比与风轮转速成正比，叶尖速比越大风轮转速就越高，而风轮转速取决于风力机的用途.用于发电的风力机叶尖速比常取5~7.此处取6 叶尖速比为6，由下表知叶片数可取2-4，但由于3叶片有以下优势。 ① 二叶片风机功率系数p C 低

低实度变化的主要影响如图

4-9

所示.

低实度产生一个宽而平坦的曲线，表示在一个较宽的叶尖速比范围内

P C 变化小，但是P C 的最大值较低，这是因为阻尼损失较高（阻尼损

失大约与叶尖速比率的立方成比例）

高实度产生一个含有尖锋的狭窄的性能曲线，这使得叶轮对叶尖速比变化非常敏感并且，若实度太高，p C 最大值将相对角低，m ax p C 的降低是由失速损失所造成的。

由图4-9可看出，3桨叶产生最佳实度。当然，两桨叶也是可以接受的选择，虽然它的p C 最大值稍微低点，但峰值较宽，这可以获得较大的风能捕获。

风力机叶片数与叶尖速比的匹配

叶尖速比λ

叶片数 叶尖速比λ

叶片数 1 8-24 4 3-5 2 6-12 5-8 2-4 3

3-8

8-15

2-1

② 三叶片气动性能好,气动中心在旋转中心处,是叶片数且最少的类圆形风轮.由于3个均匀分布的叶片叶轮面上的惯性力和气动力较为均

匀，故三叶片风机的动力学特性好。

③ 从视觉角度出发，三叶片风机运行均匀分布，美观。 综上所述，选择三叶片风轮。

由下图(叶尖速比与风轮实度关系曲线)

3、

单个叶片面积

)('2

m k

s k s y =

叶尖速比,6=λ经计算得：

)(061.112m s y =

4、风轮转速n

rpm rpm R

n 33866.32260取==

πλχ

5、增速比i

发电机与转速1500rpm,4533/1500==∴i ,可考虑用三级齿轮传动。 6、叶片不同半径处叶尖速比i λ

v

Rn

v u 602πλ=

=

是叶尖端线速度与风速之比。 叶片从转速中心至叶片不同半径处的叶尖速比用i λ表示可下式λλR

r

i i =

不同半径处的图

风轮半径R=15m ，叶尖速比6=λ

4

.015

1

696.0154.2652

.1158.3608

.2152.5664

.2156.662

.3158

676

.3154.9632

.4158.10688

.4152.12644

.5156.136615156

1110987654321======================∴λλλλλλλλλλλ

由叶尖速比λ与叶片的相对迎风角ϕ的关系曲线得： 7、叶片不同半径处i r 处对应的入流角i ϕ（相对迎风角）