第三节 风力机的基本参数与基本理论
风电场主要设备介绍及其基本理论
风电场主要设备介绍及其基本理论1 风力发电机的类型风力发电机多种多样，归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
1.1水平轴风力发电机水平轴风力发电机可分为升力型和阻力型两类。
升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。
对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。
大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。
对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。
风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则称为下风向风机。
水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。
1.2垂直轴风力发电机垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有纯阻力装置的风轮；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。
这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。
达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。
在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。
达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。
现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。
这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。
其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮，它由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。
风力发电机组基础理论
西方国家意识到对化石能源的依赖性太强，各国政府开始重视其他替代能 源特别是可再生能源（环保压力）。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
蓬勃发展
能源危机后， 美国、丹麦、 瑞典、德国 下大决心开 发风能。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
风车
辗磨谷物、灌溉
？
风力发电机
发电
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程 第一次尝试
丹麦：1891年，Poul La Cour。
一战导致的石油价格的上涨， 推动了风机技术的迅速发展， 到1918年共有120台风力发电机 投入运行（功率10～35kW、风 轮直径最大达20m）。
1.3 风机的类型 3）变桨定速型（主动失速）
停机时刀尖朝前。
1、风力发电机组的入门知识
1.4 风力机的发展趋势 越来越庞大
但并不是越大越好，还要考虑当地风况和机组成本等因素
1、风力发电机组的入门知识
1.4 风力机的发展趋势 陆上——海上
要用较高的塔架以获取更好的风况 一般不大于3MW
风况较好，一般适用于3MW以上 风机，以节约基础成本
6
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
它是利用风能旋转的、最简单的捕风装置
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
1）历史记载的最早的风车出现在公元644年，在现在 的阿富汗一带，为垂直轴，用于辗磨谷物。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
2）中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。
风力机的基本参数与理论
风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。
下面是翼型的几何参数图1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。
2）弦线、弦长连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。
弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。
3）最大弯度、最大弯度位置中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用x f表示。
4）最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用x t表示。
5）前缘半径翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。
6）后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。
7）中弧线翼型内切圆圆心的连线。
对称翼型的中弧线与翼弦重合。
8）上翼面凸出的翼型表面。
9）下翼面平缓的翼型表面。
（2）风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。
下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。
根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。
按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。
风力机的基础理论
第二章 风力机的基础理论[3、4]第一节 风力机的能量转换过程一、风能的计算由流体力学可知，气流的动能为221mv E =（2-1） 式中 m ──气体的质量；v ──气体的速度。
设单位时间内气流流过截面积为S 的气体的体积为L ，则 L ＝S v如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为 m=ρL=ρS v 这时气流所具有的动能为321Sv E ρ=（2-2） 上式即为风能的表达式。
在国际单位制中，ρ的单位是kg/m 3；L 的单位是m 3 ；v 的单位是m/s ；E 的单位是W 。
从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。
其中ρ和v 随地理位置、海拔高度、地形等因素而变。
二、自由流场中的风轮风力机的第一个气动理论是由德国的Betz 于1926年建立的。
Betz 假定风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；此外，假定气流经过整个叶轮扫掠面时是均匀的；并且，气流通过风轮前后的速度为轴向方向。
现研究一理想 风轮在流动的大气中的情况（见图2-1），并规定：v 1──距离风力机一定距离的上游风速；v ──通过风轮时的实际风速； v 2──离风轮远处的下游风速。
设通过风轮的气流其上游截面为 S 1，下游截面为S 2。
由于风轮的机械能 图2-1叶轮的气流图量仅由空气的动能降低所致，因而 v 2必然低于 v 1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S 2大于S 1。
如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得：S 1v 1＝S v ＝S 2v 2风作用在风轮上的力可由Euler 理论写出：F ＝ρS v （v 1－v 2） （2-3） 故风轮吸收的功率为)(212v v Sv Fv P -==ρ （2-4） 此功率是由动能转换而来的。
从上游至下游动能的变化为 )(212221v v Sv T-=∆ρ （2-5） 令式（2-4）与式（2-5）相等，得到 221v v v +=（2-6）作用在风轮上的力和提供的功率可写为：)(212221v v Sv F -=ρ （2-7） ))((41212221v v v v Sv P +-=ρ （2-8）对于给定的上游速度v 1，可写出以v 2为函数的功率变化关系，将式（2-8）微分得)32(412221212v v v v Sv dv dP --=ρ 式02=dv dP有两个解： v 2＝－v 1，没有物理意义； v 2＝v 1/3，对应于最大功率。
风力发电机原理
• 风力发电机组最主要的参数是风轮直径（对于垂直轴风力发电机来说是风轮扫掠面积）和额定功率，成为 产品型号的组成部分：风轮直径（或风轮扫掠面积）说明风力发电机组能够在多大的范围内获取风中蕴含 的能量，是风力发电机能力的基本标志。。
（2）额定功率
• 额定功率是与风力发电机组配套的发电机铭牌功率，其定义式“正常工作条件下，风力发电机组在额定风 速下设计要达到的最大连续输出功率”。风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年 发电量和最低的发电成本，配置较大直径风轮供低风速区选用，配置较小直径的风轮供高风速区选用.
（叶片数一到三）都属于此类。 • 叶尖速比对风电机的建造结构和形状有很大的影响，比如：
• 叶片转速：如果叶片长度一定，那么叶尖速比越大，叶片的转速也就越快。只有一个叶片的风电机，其叶 尖速比很高，旋转速度也要比三叶片的风电机快的多。需要注意的是，风力泵的叶尖速比虽然属于慢速比 机械，但旋转速度一般都很快。原因是其转动直径很小，最终圆周速度相对低很多，所以属于慢速比机械。
• 定桨距风轮因失速有个过程，超过额定风速后功率略有上升，然后又下降。如果风速继续增加，为了保护 风力发电机组的安全，规定了允许风力发电机组正常运行的最大风速，称为切出风速（停机风速）。机组 运行时遇到这样的大风必须停机与电网脱开，输出功率立刻降为0，功率曲线到此终止。
叶片锥角
攻角、浆距角和迎角
叶尖速比
• 叶尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。它等于叶片顶端的速度（圆周速度）除以风接触 叶片之前很远距离上的速度；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖速比就越大。
• 根据叶尖速比的不同，我们可以把风电机分成两类：慢速比风电机和快速比风电机：
风力发电机组的主要参数
风力发电机组的主要参数包括以下几种：风轮直径：风轮直径是指风力发电机风轮叶片的最大直径，风轮直径越大，风力发电机的叶片转动时所受到的风力越大，从而产生更多的转动能量，进而产生更多的电能。
因此，风轮直径是影响风力发电机发电效率的重要参数。
额定功率：额定功率是指风力发电机在额定风速下所能够产生的电功率。
切入风速：切入风速是指风力发电机组开始运行时的风速。
额定风速：额定风速是指风力发电机在额定功率下运行时的风速。
切出风速：切出风速是指风力发电机组停止运行时的风速。
容量因子：容量因子是指风力发电机组实际输出的电功率与额定功率之比。
可利用小时数：可利用小时数是指一个年度内，风力发电机组能够正常运行的总小时数。
负荷因子：负荷因子是指风力发电机组在运行过程中，平均输出的电功率与额定功率之比。
损失因子：损失因子是指风力发电机组在运行过程中，由于各种原因导致的能量损失。
3_风力发电技术课本知识点总结
第一章风及风能资源一、风的形成及影响因素1.风的产生：是由地球外表大气层由于太阳的辐射而引起的空气流动，大气压差是风产生的根本原因2.特性：周期性、多样性、复杂性3.风的分类：季风、山谷风、海陆风、台风、龙卷风二、风的测量1.风的测量包括风向和风速两种2.风向测量：风向测量是指测量风的来向风向测量装置：1)风向标：是测量风向最通用的装置，有单翼型、双翼型、流线型2)风向杆（安装方位指向正南）、风速仪（可测风向和风速，一般安装在离地面10米的高度）3.风向表示法：风向一般用16个方位表示，静风记为C。
4.风能密度:单位截面积的风所含的能量称为风能密度，常以W/m2表示。
三、风资源分布1.我国风资分布可划分为：风能丰富区、风能较丰富区、风能可利用区、风能贫乏区1)风能丰富区:有效风能密度＞200W/m2。
2)风能较丰富区：有效风能密度为150~200W/m2，3~20m/s风速出现的全年累计时间为4000~5000h。
3)风能可利用区：有效风能密度在50~150W/m2之间，3~20m/s风速出现时数约在2000~4000h之间。
4)风能贫乏区：该区风能密度低于50W/m2，全年时间低于2000h第二章风力机的理论基础一、贝兹理论二、翼型的几何参数三、风车理论四、叶素理论气动效率五、葛劳渥漩涡理论六、葛劳渥轴线推力和扭矩计算有限长的叶片，叶片的下游存在尾迹涡，主要有两个漩涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。
漩涡诱导速度可看成以下三个漩涡系叠加的合速:①中心涡，集中在转轴上②每个叶片的边界涡③每个叶片尖部形成的螺旋涡七、风力机的相似特性相似准则：所谓模型与风力机实物相似是指风轮与空气的能量传递过程以及空气在风轮内向流动过程相似，或者说它们在任一对应点的同名物理量之比保持常数。
流过风力机的气流属于不可压缩流体，理论上应满足几何相似、运动相似和雷诺数相等。
对风力机而言，后一个条件实际做不到，故一般仅以前两个条件作为模型和风力机实物的相似准则，并计及雷诺数。
风力机空气动力学基本原理
风轮参数
风轮的性能参数
风轮的性能参数
通常用上面三个无量纲系数用来表示风力 机的特征性能指标。
推力系数CT 直接关系到风轮轴向推力的 大小，在很大程度上影响了风力机塔架的设计；
风轮的性能参数
扭矩系数CM 则是表示风轮输出负载扭矩的 参数，它决定了齿轮箱的尺寸和发电机的选型；
风能利用系数CP（也称为功率系数）决定 了风力机风轮从风中所能获得的能量的能力， 即它是反映风力机的效率的参数。
设计案例
叶片气动外形设计结果以叶片弦长、扭角、厚 度沿叶片展长方向的分布形式给出。
叶片弦长分布
设计案例
叶片扭角分布
设计案例
叶片相对厚度分布
风轮参数
把叶片和轮毂组装起来就是风轮了，在风 力机整机中风轮还有以下参数： 叶片数：组成风轮的叶片个数。 锥角：叶片与旋转轴垂直平面的夹角 风轮仰角：风轮旋转轴与水平面的夹角。
风轮直径
给定输出功率的风力机，风轮直径D为：
D
P — 风力机额定功率；
P
C p
2பைடு நூலகம்
V13
4
Cp — 风能利用系数，一般取0.4~0.5之间；
η — 传动装置和发电机总效率，一般取0.4~0.65；
ρ — 空气密度，
(15℃)；
1.225kg m3
翼型的攻角与升阻比
翼型的选取对风轮的效率十分重要， 性能优良的翼型应该在某一攻角范围内 保持升力系数CL较高，而相应的阻力系 数CD较小，即在某一攻角范围内有较高 的升阻比。
叶片气动外形设计结果以叶片弦长、扭角、厚度沿叶片展长方向的分布形式给出。 翼型后缘B：翼型的尾部B为尖型； 空气动力学是流体力学的一个分支，它主要研究空气与物体之间有相对运动时，空气运动的基本规律以及空气 把叶片和轮毂组装起来就是风轮了，在风力机整机中风轮还有以下参数：
风力发电机组 参数
风力发电机组参数摘要：I.风力发电机组简介- 风力发电的定义- 风力发电机组的作用II.风力发电机组的主要参数- 风轮直径- 额定功率- 风能转化效率III.风力发电机组的工作原理- 风力发电机组的构成- 风力发电的原理IV.风力发电机组的应用- 风力发电的发展现状- 风力发电的未来前景V.风力发电机组的选择与维护- 风力发电机组的选购- 风力发电机组的维护正文：风力发电机组是一种利用风能转化为电能的设备，通过风力发电机组可以实现对风能的有效利用。
风力发电机组主要由风轮、发电机、控制系统等部分组成，其中风轮是风力发电机组的主要部件，通过风轮的旋转带动发电机转动，进而产生电能。
风力发电机组的主要参数包括风轮直径、额定功率和风能转化效率。
风轮直径是指风轮的直径，一般情况下，风轮直径越大，风力发电机组所能捕获的风能就越多。
额定功率是指风力发电机组在额定风速下达到的功率，也是风力发电机组的重要参数。
风能转化效率是指风力发电机组将风能转化为电能的效率，一般情况下，风能转化效率越高，风力发电机组的性能就越好。
风力发电机组的工作原理是通过风轮捕获风能，然后通过风力发电机组内部的传动系统将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。
风力发电机组的应用非常广泛，不仅可以用于家庭用电，还可以用于工业生产、农业灌溉等领域。
在选择风力发电机组时，需要考虑风力发电机组的风轮直径、额定功率和风能转化效率等因素。
在维护风力发电机组时，需要注意定期清洗风轮、检查发电机、控制系统等部件，以确保风力发电机组的正常运行。
总之，风力发电机组是一种非常重要的可再生能源设备，具有广阔的应用前景。
风力机的基本参数与理论
风力机的基本参数与理论风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。
下面是翼型的几何参数图1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。
2）弦线、弦长连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。
弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。
3）最大弯度、最大弯度位置中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用x f表示。
4）最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用x t表示。
5）前缘半径翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。
6）后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。
7）中弧线翼型内切圆圆心的连线。
对称翼型的中弧线与翼弦重合。
8）上翼面凸出的翼型表面。
9）下翼面平缓的翼型表面。
（2）风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。
下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。
根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。
按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。
《风力机理论与设计》第3章 风力机的基本设计理论
图3.4 风轮扫掠面上半径为dR的圆环微元体
• 3.2.4动量-叶素理论 • 3.2.5叶片稍部损失和根部损失修正
• 当气流绕风轮叶片剖面流动时，剖面上下表面产生压力差， 则在风轮叶片的梢部和根部处产生绕流。这就意味着在叶 片的梢部和根部的环量减少，从而导致转矩减小，必然影 响到风轮性能。所以要进行梢部和根部损失修正。
第三章 风力机的基本设计理论
• 【本章教学目标】
• 掌握贝兹理论基本条件、推导过程；理解涡流理论、叶素 理论、动量理论、动量-叶素理论的内容；熟悉叶片的功 能，了解翼型的基本空气动力学知识。
3.1贝兹理论
• 世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整理论是 1919年由贝兹（Betz）建立的。该理论所建立的模型是考 虑若干假设条件的简化单元流管，主要用来描述气流与风 轮的作用关系。贝兹理论的建立，是假定：风轮是一个圆 盘，轴向力沿圆盘均匀分布且圆盘上没有摩擦力；风轮叶 片无限多；气流是不可压缩的的况且是水平均匀定常流， 风轮尾流不旋转；风轮前后远方气流静压相等。这时的风 轮称为“理想风轮”。
图3.3 叶剖面和气流角的受力关系图
• 3.2.3动量理论
• 动量理论是William Rankime于1865年提出的。假设作用于 叶素上的力仅与通过叶素扫过圆环的气体动量变化有关， 并假定通过临近圆环的气流之间不发生径向相互作用。在 风轮扫掠面内半径r处取一个圆环微元体，如图3.4所示： 应用动量定理，作用在风轮(R， )环形域上的推力为：
气流的迹线为一螺旋线，因此，每个叶片的尖部形成为螺 旋形。在轮毂附近也存在同样的情况，每个叶片都对轮毂 涡流的形成产生一定的作用。此外，为了确定速度场，可 将各叶片的作用以一边界涡代替。所以风轮的涡流系统可 以如图3.2表示。
风力机设计理论及方法 风力机的基本设计理论1
4、NREL翼型系列
该翼型由美国国家可再生能源实验室所研制，主要应 用与大中型叶片，有3个薄翼型族和3个厚翼型族。这 些翼型能有效减小由于昆虫残骸和灰尘积累使桨叶表 面粗糙度增加而造成的风轮性能下降，并且能增加能 量最大输出和改善功率控制。
5、DU翼型系列
几种翼型的比较
S ——叶片扫掠的面积，m2； V ——实际通过风轮的风速，m/s。
根据风轮前后的压力差，作用在风轮上的推力又可写成
式∶
F S(P1 P2 )
P1 ——风轮前压力，Pa或kPa；
P2 ——风轮后压力，Pa或kPa。
• 应用伯努利方程
1 2
V12
P
1 2
V 2
P1
1 2
V22
⑸作用在风轮上的推力是均匀的。
• 将动量方程用于图3-1所示的控制体中，可 得作用在风轮上的推力为∶
式中∶
F m(V1 V2 )
V1 ——风轮前方的风速，m/s； V2 ——叶片扫掠后的风速，m/s；
m ——单位时间内的质量流量，kg/s。
m SV
式中∶
——空气密度，kg/m3；
3、FFA-W翼型系列：（ 2）FFA-W2翼型系列
（ 3）FFA-W3翼型系列
4、NREL翼型系列
5、DU翼型系列
（1）NACA四位数字翼型 1、NACA翼型系列：（ （23） ）NNAACCAA五 四位 、数 五字 位翼 数型 字翼型
（4）NACA六位数字翼型
（3-7）
（3-8）
（3-9）
动量理论说明了作用于风轮上的力和来流速度间的关系， 能够解答风轮转换机械能和基本效率问题。
风力发电技术规范
第三章 风力机的基本理论与结构
第二节风力机的结构组成
(3) 变桨距调速
采用桨距控制除可控制转速外,还
可减小转子和驱动链中各部件的 压力, 并允许风力机在很大的风 速下运行, 因而应用相当广泛。
1）液压机构来控制叶片的桨距
在大型风力机中, 常采用电子控
制的液压机构来控制叶片的桨距 。例如,美国MOD20 型风力发电 机利用两个装在轮毂上的液压调 节器来控制转动主齿轮,带动叶片 根部的斜齿轮来进行桨距调节;
在机座底盘或尾杆上。预调弹簧力,使在设计风速内风轮偏转力矩小于或
等于弹簧力矩。当风速超过设计风速时,风轮偏转力矩大于弹簧力矩,使风 轮向偏心距一侧水平或垂直旋转, 直到风轮受力力矩与弹簧力矩相平衡。
在遇到强风时, 可使风轮转到与风向相平行,以达到停转。
偏离主风向超速保护
第三章 风力机的基本理论与结构
第二节风力机的结构组成
二、调速或限速装置
作用：保证风力机不论风速如何变化转速总保持恒定或不超
过某一限定值。
类型：大致有三类:
1、使风轮偏离主风向,偏向机构 2、利用气动阻力,叶尖扰流器 3、改变叶片的桨距角，变桨距机构。
第三章 风力机的基本理论与结构
第二节风力机的结构组成
(1) 偏离主风向超速保护（如图）
S型风轮
另一类是利用翼型的升力作功,最典型的是达
里厄型风力机。是水平轴风力机的主要竞争者 。 优点：装置简单，成本也比较便宜， 缺点：启动性能差
达里厄型风力机
风力机的类型小结 1、根据风力机旋转主轴的布置方向（即主轴与地面相对位置 ）分类，可分为水平轴风力机和垂直轴式风力机。 2、根据桨叶受力方式不同，可分为升力型风力机和阻力型风 力机。 3、根据桨叶数量不同，可分为单叶片﹑双叶片﹑三叶片和多 叶片型风力机； 4、根据风轮设置位置不同，可分为上风向风力机和下风向风 力机 5、根据机械传动方式不同，可分为有齿轮箱型风力机和无齿 轮箱的直驱型风力机 6、根据桨叶是否可调节，可分为定桨距（失速型）风力机和 变桨距风力机
风力机理论基础
1.11
0.34
1.33
0.47
0.044
1. 2 阻力与升力
当气流与物体有相对运动时，气体对物体有平行于气流方向的作用力——阻力。 定性考察飞机机翼附近的流线。
当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相 同的。 考察二维翼型气体流动的情况。根据流体运动的 1、质量守恒定律，有连续性方程：
A1V1 = A2V2 + A3V3 其中A、V分别表示截面积和速度。下标1、2、3分别代表远前方或后方、上表面和下 表面处。 2、伯努利方程：
P0 = P +1/2 * V2=常数 其中： P0 ——气体总压力；
P ——气体静压力。
1
2
1
1
3
1
下翼面处流场横截面面积A3变化较小，流速V3几乎保持不变，进而静压力P3≈ P1。 上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速增大，V2>V1。使得 P2 < P1，即压力减小。
半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺旋线的螺距。 可以从几个方面来理解：
——几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角。 ——此处的螺旋升角为该半径处的安装角r。 ——该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。 ——桨距值：H=2r tg r
1.2.2 贝兹理论
1. 贝兹理论中的假设 ——叶轮是理想的； ——气流在整个叶轮扫略面上是均匀的； ——气流始终沿着叶轮轴线； ——叶轮处在单元流管模型中，如图。
R
M
V
C
一、作用在机翼上的气动力
由于机翼上下表面所受的压力差，实际上存在着一个指向上翼面的合力，记为R。
——阻力与升力：R在翼弦上的投影称为阻力，记为D；而在垂直于翼弦方向上的投影称 为升力，记为L。
风力机组整机基础知识
4.雷电保护装置 雷击的产生 通常所说的雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者 是带电的云层对大地之间的迅猛放电现象。 安装的位置 雷电保护装置在变桨装置中 的具体位置见右图，在大齿圈下 方偏左一个螺栓孔的位置装第一 个保护爪，然后120等分安装另 外两个雷电保护爪。
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变桨系统主要部件 1.驱动装置－电机 2.齿轮箱 3.变桨轴承
通过控制系统将 叶片以精细的变桨Байду номын сангаас角度向顺桨方向转 动，实现风机的功 率控制。如果一个 驱动器发生故障， 另外两个驱动器可 以安全地使风机停 机。
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3.轮毂
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工作原理：当风向发生变化时，通过变桨驱动电机 带动变桨轴承转动从而改变叶片对风向地迎角，使叶片 保持最佳的迎风状态，由此控制叶片的升力，以达到控 制作用在叶片上的扭矩和功率的目的。
•雷电保护装置组成部件
雷电保护爪主要由三部分组成，按照安装顺序从上到下依次是垫片压板，碳纤维 刷和集电爪。
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5.变桨接近撞块和变桨限位撞块
安装位置：变桨限位撞块安装在变桨轴承内圈内侧，与缓冲块配合使用。变 桨接近撞块安装在变桨限位撞块上，与变桨感光装置配合使用。
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变桨轴承 变桨驱动装置
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变桨轴承（2） 变桨轴承采用双排深沟球轴承，深沟球轴承主要承受 纯径向载荷，也可承受轴向载荷。承受纯径向载荷时，接 触角为零。
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变桨驱动装置
1 ——轮毂 3 ——变桨轴承 30——变桨驱动器 62——垫圈（12） 53——螺母（M12）
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风力发电机组基础知识简介
中国南车株洲电力机车研究所风电事业部
风力机的基础理论
第二章 风力机的基础理论[3、4]第一节 风力机的能量转换过程一、风能的计算由流体力学可知，气流的动能为221mv E =（2-1） 式中 m ──气体的质量；v ──气体的速度。
设单位时间内气流流过截面积为S 的气体的体积为L ，则 L ＝S v如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为 m=ρL=ρS v 这时气流所具有的动能为321Sv E ρ=（2-2） 上式即为风能的表达式。
在国际单位制中，ρ的单位是kg/m 3；L 的单位是m 3 ；v 的单位是m/s ；E 的单位是W 。
从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。
其中ρ和v 随地理位置、海拔高度、地形等因素而变。
二、自由流场中的风轮风力机的第一个气动理论是由德国的Betz 于1926年建立的。
Betz 假定风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；此外，假定气流经过整个叶轮扫掠面时是均匀的；并且，气流通过风轮前后的速度为轴向方向。
现研究一理想 风轮在流动的大气中的情况（见图2-1），并规定：v 1──距离风力机一定距离的上游风速；v ──通过风轮时的实际风速； v 2──离风轮远处的下游风速。
设通过风轮的气流其上游截面为 S 1，下游截面为S 2。
由于风轮的机械能 图2-1叶轮的气流图量仅由空气的动能降低所致，因而 v 2必然低于 v 1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S 2大于S 1。
如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得：S 1v 1＝S v ＝S 2v 2风作用在风轮上的力可由Euler 理论写出：F ＝ρS v （v 1－v 2） （2-3） 故风轮吸收的功率为)(212v v Sv Fv P -==ρ （2-4） 此功率是由动能转换而来的。
从上游至下游动能的变化为 )(212221v v Sv T-=∆ρ （2-5） 令式（2-4）与式（2-5）相等，得到 221v v v +=（2-6）作用在风轮上的力和提供的功率可写为：)(212221v v Sv F -=ρ （2-7） ))((41212221v v v v Sv P +-=ρ （2-8）对于给定的上游速度v 1，可写出以v 2为函数的功率变化关系，将式（2-8）微分得)32(412221212v v v v Sv dv dP --=ρ 式02=dv dP有两个解： v 2＝－v 1，没有物理意义； v 2＝v 1/3，对应于最大功率。
第三节 风力机的基本参数与基本理论
作 业 布 置
教 学 后 记
⑷风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即 P1=P2 ，气流速度 的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的； ⑸作用在风轮上的推力是均匀的。 二、风力机性能参数 1.风轮直径与扫掠面积 风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用 D 表示。风轮直径大小决定了风轮扫 掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之 一。 风轮从自然风中获取的功率为：
般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的 风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片 数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较 高。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。由于三叶片的风力发电机的运行和 输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片的较多。 5.实度 风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比 （容积比） ，是风力机的一个参考数据。
实度是和尖速比密切相关的另一个重要设计参数。对风力提水机，因为需要 转矩大，因此风轮实度取得大；对风力发电机，因为要求转速高，因此风轮实度 取得小。自起动风力发电机组的实度是由预定的起动风速来决定的，起动风速 小，要求实度大。通常风力发电机组实度大致在 5%~20%这一范围。
实度的大小的确定要考虑以下两个重要因素：一是风轮的力矩特性，特别是 起动力矩，二是风轮的转动惯用量及电机传动系统特性决定。 6.额定风速、切入风速和切出风速 额定风速是指风电机组达到额定功率时对应的风速，额定风速的大小直接影 响到机组的总体构成和成本，额定风速取决于风电机组所在区域的风能资源分 布，需要事先掌握平均风速及其出现的频率。可以参照风速条件，按一定的原则 评估确定风速。 切入风速指风电机组开始并网发电的最低风速，决定了机组在低风速条件下 的性能。 切出风速则主要用于极端风速条件下对机组进行停机保护。当风速达到切出 风速时，机组将实施制动停机。 7.翼型及其升阻比 翼型的选取对风力发电机组的效率十分重要。风在叶片翼型上产生的升力 FL 与阻力 FD 之比称为翼型的升阻比，用 L/D 表示，即
风力发电系统理论和硬件
1.风力发电的理论基础风能的公式:其中：E：风能:空气密度S：横截面v：风速由风能的公式可以看出，风能大小与气流通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。
，则最大风能系数为：假设风力机能吸收的最大风能为pmax这就是贝兹理论的极限值，它说明风力机从自然风中获取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为在尾流中的旋转动能。
能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异。
目前的技术水平下，风力机能达到的风能利用系数大都在0．4-0．5之间。
风轮实际能得到的有用功率输出为：除了风能利用系数C p外，风力发电机还有两个非常重要的参数：叶尖速比λ和桨距角β。
叶尖速比λ是为了表示风轮在不同风速中的状态而引入的，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来表示。
其中：ω：风轮的转速R：风轮半径V：风速桨距角β是指风轮叶片上某一点的弦线与叶片旋转平面间的夹角。
2 风力发电机的组成结构风力发电系统由风轮、传动系统、发电机、偏航系统、液压系统、机舱、电控系统、整流逆变系统、塔架等部件组成。
结构如下图所示：风力发电系统结构1．叶片 2、叶轮毂 3、机头 4、主轴 5、齿轮箱 6、发电机 7、风向风速仪 8、整流器 9，偏航机构 10、塔架 11、变电箱(1)风轮：由叶片和轮毂组成，是风力发电机组获得风能的关键部件将捕获的风能转变为机械能。
(2)传动系统：将风轮捕获的机械能传递到发电机。
传动系统包括主轴、主轴承、增速箱、刹车机构等部件。
(3)发电机：将机械能转变为电能。
(4)机舱：由底盘和机舱罩组成。
(5)偏航系统：偏航系统根据风向标接受的信息，由控制系统自动执行机舱的偏转，使风轮始终处于迎风状态。
偏航系统主要包括以下三个部分：偏航检测和控制、偏航驱动和偏航制动。
(6)液压系统：完成偏航制动、主轴制动和主轴润滑。
(7)塔体和基础：塔架是支撑机舱的结构部件，它使风力机风轮处在较为理想的高度上运转，也是安装维护人员上下机舱的通道。
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式中 P—风力发电机组设计（额定）风输出电功率（kW） ρ —空气密度，一般取标准大气状态； （kg/m3） V1—设计风速（风轮中心高度） （m / s） D—风轮直径（m） Cp— 风能利用系数。在计算时，一般应取额定风速下的 Cp 值。 风轮直径增加，其扫掠面积成平方增加，其获取的风功率也相应增加。早起 的风电机组直径很小，额定功率也相对较低，大型兆瓦机组的风轮直径在 70-80 米范围。 2.轮毂高度 风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，也是风电机组设计时要考虑的一 个重要参数，由于风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风能也越大，因 此，大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。但是轮毂高度增加，所需塔 架的高度也相应增加。当塔架高度达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等 方面都将产生新的问题，也导致风电机组成本的相应增加。 3.风轮转速、叶尖速比 风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比。下图是一个风力机的叶轮，u 是旋转的风力机风轮外径切线速度， u R ，v 是风进叶轮前的速度，叶尖速比
R V
其中，R 是风轮的最大旋转半径，或叶尖半径，单位 m；
为风轮角速度，单位 rad/s
V 为风速，单位 m/s
尖速比是风力发电机组的一个重要设计参数，通常在风力发电机组总体设计 时提出。首先，尖速比与风轮效率是密切相关的，只要风力发电机没有超速，运 转处于较高尖速比状态下的风力发电机，风轮就具有较高的效率。对于特定的风 轮，其尖速比不是随意而定的，它是根据风力发电机组的类型、叶尖的形状和电 机传动系统的参数来确定的。不同的尖速比意味所选用或设计的风轮实度具有不 同的数值。设计要求的尖速比，是指在此尖速比上，所有的空气动力学参数接近 于它们的最佳值，以及风轮效率达到最大值。 在同样直径下，高速风力发电机组比低速风力发电机组成本要低，由阵风引 起的动负载影响亦要小一些。另外，高速风力发电机组运行时的轴向推力比静止 时大。高速风力发电机组的起动转矩小，起动风速大，因此要求选择最佳的弦长 和扭角分布。如果采用变桨距的风轮叶片，那么在风轮起动时，变距角要调节到 较大值，随着风轮转速的增加逐渐减小。当确定了风力发电机组尖速比范围之 后，要根据风轮设计风速和发电机转速来选择齿轮箱传动比，最后进行尖速比的 计算，确定其设计参数。 4.叶片数 一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比 。目前用于风力发电一般属于高速风 力发电机组，即 ＝4～7 左右，叶片数一般取 2～3。用于风力提水的风力机一
教学过程
师 生 互 动 活 动 设 计
一、贝兹理论 第一个关于风轮的完整理论是山哥廷根研究所的 A·贝茨建立的。 贝兹理论是应用一元定常流动的动量方程，来讨论理想状态下的风力发电机的 最大风能利用系数。贝兹理论的假设条件如下： ⑴风轮流动模型可简化成一个单元流管； ⑵风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘, ； ⑶风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；对通过风轮的气流没有阻力。
左图为水平轴风力机叶轮，S 为每个叶片对风的投影面积，B 为叶片个数，R 为风轮半径， 为实度，
BS R2
右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C 为叶片弦长，B 为叶片个数，R 为风轮半 径，L 为叶片长度。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径与叶片长度的乘积， 为实度
BCL BC 2 RL 2 R
L FL CL D FD CD
式中， CL 是升力系数； CD 是阻力系数。 翼型的升力/阻力比（L/D）值愈高，则风力发电机组的效率愈高。 在攻角到达临界值之前，升力 FL 随攻角 的增加而增加，阻力 FD 随仰角的增 加而减小。当攻角增加到某一临界值时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时风 轮叶片突然丧失支撑力，这种现象称为失速。 风力机种类 叶片剖面翼型 尖速比（ ） 升阻比（L/D） 平板型 风力抽水机 曲板型 风帆型 普通翼型 微、小型风力发电机 风帆型 扭曲型 中、大型风力发电机 扭曲型 3～4 3～4 5～7 5～15 1 10 20～40 10～25 20～50 10～40 30～80 50～100
⑷风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即 P1=P2 ，气流速度 的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的； ⑸作用在风轮上的推力是均匀的。 二、风力机性能参数 1.风轮直径与扫掠面积 风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用 D 表示。风轮直径大小决定了风轮扫 掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之 一。 风轮从自然风中获取的功率为：
教 学 课 题 课 题 类 型
风力机的基本参数与基本理论
新授
课时 安排
2
上课 时间
2013 年 3 月 28 日
教 学 1.理解并掌握风力机的基本理论； 目 2.理解并掌握风力机的性能参数。 标 教 学 风力机的性能参数 重 点 辅 助 资 源 复 习 引 入 教学 难点
风力机的基本理论
教 学 手 段
实度是和尖速比密切相关的另一个重要设计参数。对风力提水机，因为需要 转矩大，因此风轮实度取得大；对风力发电机，因为要求转速高，因此风轮实度 取得小。自起动风力发电机组的实度是由预定的起动风速来决定的，起动风速 小，要求实度大。通常风力发电机组实度大致在 5%~20%这一范围。
实度的大小的确定要考虑以下两个重要因素：一是风轮的力矩特性，特别是 起动力矩，二是风轮的转动惯用量及电机传动系统特性决定。 6.额定风速、切入风速和切出风速 额定风速是指风电机组达到额定功率时对应的风速，额定风速的大小直接影 响到机组的总体构成和成本，额定风速取决于风电机组所在区域的风能资源分 布，需要事先掌握平均风速及其出现的频率。可以参照风速条件，按一定的原则 评估确定风速。 切入风速指风电机组开始并网发电的最低风速，决定了机组在低风速条件下 的性能。 切出风速则主要用于极端风速条件下对机组进行停机保护。当风速达到切出 风速时，机组将实施制动停机。 7.翼型及其升阻比 翼型的选取对风力发电机组的效率十分重要。风在叶片翼型上产生的升力 FL 与阻力 FD 之比称为翼型的升阻比，用 L/D 表示，即
作 业 布 置
教 学 后 记
般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的 风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片 数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较 高。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。由于三叶片的风力发电机的运行和 输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片的较多。 5.实度 风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比 （容积比） ，是风力机的一个参考数据。