风力机叶片的设计 ppt课件
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风力发电机ppt课件.pptx
目录
1
风力发电机概述
2
风电机组传动系统
3
偏航系统
4
变桨系统
风力机主要部件
风轮
叶片 轮毂
Text in here
塔架
主要部件
机舱
齿轮箱 发电机 偏航系统 制动系统
基础
风力发电机分类
按风轮 结构划分
水平轴风力机 垂直轴风力机
叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直。 风轮围绕一个垂直轴进行旋转。
风力发电机分类
按功率调节方式划分:定桨距与变桨距
定桨距 风力机
叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力机的功率 调节完全依靠叶片的失速性能。当风速超过额定 风速时，在叶片后端将形成边界层分离，使升力 系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率 的进一步增加。
优点: 缺点:
结构简单
不能保证功率恒定，并且由于阻力增大,导致叶片和 塔架等部件承受的载荷相应增大
变桨系统 功能
保障风机机组安全停机 气动刹车
超过安全风速时或故障停机、 紧急情况下，旋转桨叶到安全 位置，保护风力发电机组，实 现安全停车功能。
变桨系统相关部件
变桨轴承
变桨轴承安装在轮毂上， 通过外圈螺栓把紧。 其内齿圈与变桨驱动 装置啮合运动，并与 叶片联接。
外圈
内圈
变桨驱动装置
变桨齿轮箱
• 变桨驱动装置通过螺柱 与轮毂连接。
结构形式
由于要求的增速比往往很大，风电齿轮箱通 常需要多级齿轮传动。大型风电机组的增速 齿轮箱的典型设计，多采用行星齿轮与定轴 齿轮组成混合轮系的传动方案。
风电机组齿轮箱结构形式
图为一种一级行星+两级定轴齿轮传动的齿轮箱结构，低速轴为行 星齿轮传动后两级为平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配传动比，提 高传动效率。
1
风力发电机概述
2
风电机组传动系统
3
偏航系统
4
变桨系统
风力机主要部件
风轮
叶片 轮毂
Text in here
塔架
主要部件
机舱
齿轮箱 发电机 偏航系统 制动系统
基础
风力发电机分类
按风轮 结构划分
水平轴风力机 垂直轴风力机
叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直。 风轮围绕一个垂直轴进行旋转。
风力发电机分类
按功率调节方式划分:定桨距与变桨距
定桨距 风力机
叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力机的功率 调节完全依靠叶片的失速性能。当风速超过额定 风速时，在叶片后端将形成边界层分离，使升力 系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率 的进一步增加。
优点: 缺点:
结构简单
不能保证功率恒定，并且由于阻力增大,导致叶片和 塔架等部件承受的载荷相应增大
变桨系统 功能
保障风机机组安全停机 气动刹车
超过安全风速时或故障停机、 紧急情况下，旋转桨叶到安全 位置，保护风力发电机组，实 现安全停车功能。
变桨系统相关部件
变桨轴承
变桨轴承安装在轮毂上， 通过外圈螺栓把紧。 其内齿圈与变桨驱动 装置啮合运动，并与 叶片联接。
外圈
内圈
变桨驱动装置
变桨齿轮箱
• 变桨驱动装置通过螺柱 与轮毂连接。
结构形式
由于要求的增速比往往很大，风电齿轮箱通 常需要多级齿轮传动。大型风电机组的增速 齿轮箱的典型设计，多采用行星齿轮与定轴 齿轮组成混合轮系的传动方案。
风电机组齿轮箱结构形式
图为一种一级行星+两级定轴齿轮传动的齿轮箱结构，低速轴为行 星齿轮传动后两级为平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配传动比，提 高传动效率。
风机叶片构造ppt课件
0°标记
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
0°标记
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
挡雨环
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
人孔盖
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
铭牌
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
雷电峰值卡卡片夹
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
避雷系统电阻
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
叶片固定工装示意图
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
叶片固定工装
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
向塔架变形。 导雷系统： 接收和传导雷电的系统 接收器： 装进叶片表面的金属设备来传导电流以使叶片
避免电击破坏。
叶片扭旋： 所有叶片轮廓截面上的叶片扭旋。
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
叶片（blade）
Ming Yang 1.5 MW / Loop 1 Development / December 2006
风力发电机PPT课件
图3-15 电磁式直流发电机结构
2023/8/18
第28页/共119页
（2）永磁式交流同步发电机
永磁式交流同步发电机的转子 上没有励磁绕组，因此无励磁绕 组的铜损耗，发电机的效率高； 转子上无集电环，发电机运行更 可靠；采用钕铁硼永磁材料制造 的发电机体积小，重量轻，制造 工艺简ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，因此广泛应用于小型 及微型风力发电机中。
2023/8/18
第37页/共119页
2）超同步运行状态。此时n>n1，转差率s<0，转子中的电流相序发 生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方
向，功率流向如图所示。
3）同步运行状态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流，与同步
发电机相同。
2023/8/18
第38页/共119页
1
6
S
5
N
N
S 4
2 3
图3-17 凸极式永磁发电机结构示意图
1—定子齿 2—定子轭 3—永磁体转子 4—转子轴 5—气隙 6—定子绕组
2023/8/18
第29页/共119页
（3）硅整流自励式交流同步发电机
如下图，硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。
硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励 磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机 端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。
本章主要内容
3.1 风的特性及风能利用 3.2 风力发电机组及工作原理 3.3 风力发电机组的控制策略 3.4 风力发电机组的并网运行和功率补偿 3.5 风力发电的经济技术性评价
2023/8/18
第1页/共119页
材料122风力发电机叶片材料的发展ppt课件
变弦长的叶片没办法挤拉出来，因此
玻璃钢叶片
其是以牺牲空气动力效率为前提的
所谓玻璃钢(glass fiber reinforced plastic，简称GFRP)就是环氧树
脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成
的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻
璃纤维及涂环氧树脂，其它部分填固化问题。 一般而言，复合材料制品在固化过程中放热不易控制， 特别是在产品结构局部厚度较大处，放热峰温度过高，局部热量不易散去，易 产生焦化。为了避免发生放热过多，固化过程通常分阶段进行，但延长了固化 周期。为了缩短整个固化周期，Hexcel研发了一种专门用于叶片根部的低放热 预混料HexPly M19。据介绍HexPly M19是一种低毒性，环境友好型预混料其最 大的优点就是容易控制固化反应过程中的放热。HexPly M19与玻璃纤维和碳纤 维一起使用，比同样条件下的一般预混料固化快巧-20%。由于固化反应放热易 控制，因此较传统预浸料在高温条件下固化时间短，从而缩短了固化周期。 随着固化周期的缩短，模具成本和加工成本也相应地降低。据估算其模具成本 可降低10%，模具使用寿命可延长30%。
为满足上述要求，提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风 力发电的经济性，降低成本。叶片长度从1980年的4.5m发展到今天 的61.5m，容量从当初的55kW发展到今天的5MW。1970年的风力机 叶片主要有钢材、铝材或木材制成，今天选择的材料以E-玻纤增强 塑料(GFRP)居多，目前已开始采用碳纤维复合材料(CFRP)，叶片材料 的开发顺应了叶片大型化和轻量化的方向发展
复合材料制作叶片的主要优势 可根据风力机叶片的受力特点设计强度 和刚度 翼型容易成型，并达到最大气动效率 抗振性好，自振频率可自行设计 疲劳度较高 耐腐蚀性和耐气候性好 维修简便，易于修补
风电叶片气动设计PPT课件
K Cy Cx
叶片各切面示意图
叶片各切面示意图
叶片各切面示意图
叶片设计一般流程
1. 确定叶片厚度分布 2. 确定叶片个切面扭角 3. 优化叶片弦长 4. 布置叶片变距轴线 5. 设置叶尖和叶根
设计目标： ➢ 最大风能利用系数/最大
发电量 ➢ 合理可接受的载荷 ➢ 较低的噪声
叶片各切面翼型选择
NACA四位数字翼型，以NACA 2412为例
第一位数字2—— f 2% 相对弯度
第二位数字4—— x f 40%
最后两位数字12—— c 12% 相对厚度 所有NACA四位数字翼型的 xc 30%
翼型参数含义
NACA六位数字翼型，以NACA 643-618为例 第一位数字6—— 指所属的翼型族号 第二位数字4—— 指当翼型弯度为零时，零迎角下最
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
叶尖：高的升阻比（Cl/Cd）,薄翼型 叶根：高升力系数（Cl），由于结构原因要求大厚度 叶片中段：协调翼型厚度和升阻比
Betz 设计
叶尖速比
Betz 扭角设计
Betz 设计
Betz 弦长设计
Betz 设计
14 12 10
8 6 4 2 0
0
10
20
30
40
Hale Waihona Puke 5060Betz 设计
叶片弦长和叶片数量的关系
低压强点 xcp值的十分数
叶片各切面示意图
叶片各切面示意图
叶片各切面示意图
叶片设计一般流程
1. 确定叶片厚度分布 2. 确定叶片个切面扭角 3. 优化叶片弦长 4. 布置叶片变距轴线 5. 设置叶尖和叶根
设计目标： ➢ 最大风能利用系数/最大
发电量 ➢ 合理可接受的载荷 ➢ 较低的噪声
叶片各切面翼型选择
NACA四位数字翼型，以NACA 2412为例
第一位数字2—— f 2% 相对弯度
第二位数字4—— x f 40%
最后两位数字12—— c 12% 相对厚度 所有NACA四位数字翼型的 xc 30%
翼型参数含义
NACA六位数字翼型，以NACA 643-618为例 第一位数字6—— 指所属的翼型族号 第二位数字4—— 指当翼型弯度为零时，零迎角下最
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
叶尖：高的升阻比（Cl/Cd）,薄翼型 叶根：高升力系数（Cl），由于结构原因要求大厚度 叶片中段：协调翼型厚度和升阻比
Betz 设计
叶尖速比
Betz 扭角设计
Betz 设计
Betz 弦长设计
Betz 设计
14 12 10
8 6 4 2 0
0
10
20
30
40
Hale Waihona Puke 5060Betz 设计
叶片弦长和叶片数量的关系
低压强点 xcp值的十分数
风力机叶片的设计23页PPT
Thaபைடு நூலகம்k you
风力机叶片的设计
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
风力机叶片的设计
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
风力发电叶片ppt课件
1. 叶片变性前后形状
2. 应力分布
最大应力：14.49兆帕
3. 应变分布
最大应变：0.4095%
4. 位移分布
最大位移：1.748米
精品课件
5
• 碳纤维复合材料在叶片的有限元模型的应用
•横梁盖（红色部分）: 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料
比起玻璃纤维，碳纤维具有更高 的刚度和强度。
精品课件
6
• 分析结果: flapwise静载荷条件,碳纤维
1. 叶片变性前后形状
2. 应力分布
最大应力：9.451兆帕
3. 应变分布
最大应变：0.2739%
4. 位移分布
最大位移：1.781米
精品课件
7
• 分析结果: edgewise静载荷条件,碳纤维
1. 叶片变性前后形状
2. 应力分布
最大应力：8.339兆帕
3. 应变分布
最大应变：0.2265%
4. 位移分布
最大位移：0.8488米
精品课件
8
结论
在同样的加载条件下，碳纤维复合材料叶片的应力， 应变，位移均比玻璃纤维复合材料叶片小。
精品课件
9
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
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F1=105N
F2=3x105N
10m
30m
精品课件
3
• 分析结果: flapwise静载荷条件,玻璃纤维
1. 叶片变性前后形状
2. 应力分布
最大应力：18.19兆帕
风力机叶轮设计.
1 2 P S(v 1 v 2 )(v 12 v 2 ) 4
2 v 1 是已知条件，所以可得 v 2 1 v 1 时，此时 v v 1 风轮功率最大。 3 3
所以，风轮的功率如下
Pmax
8 Sv 13 27
max
Pmax
1 Sv 13 2
16 0.593 27
表明粗糙度和雷诺数的影响
粗糙度对表面边界层的影响很大，在叶片失速的时候，噪声会增大，引起震 动。 有限翼展的影响 会在叶尖产生涡流，形成阻力，该阻力称为诱导阻力。
实际工程中设计方法介绍 Glauert理论
对于有限长的叶片，叶轮叶片的下游存在着尾迹涡，从而形成两个主要 的涡区；一个在轮毂附近，一个在叶尖。对于空间的某一个定点，其风 速可以被认为是由非扰动的风速和涡流系统产生的风速之和。
C lnl
16 9
r
4 2 (1 tan ) 9 3
2
设叶尖处和距转轴半径r处的尖速比分别为 同时，由于
0
tan
R v1
和
r v1
，
为小值，所以上式可以再简化为
16 C lnl 9
R r2 4 0 0 2 9 R
2
只需要再确定R和
0 的值即可。
Glauert的升级版，考虑的非工况下 风轮的性能
基于Soildworks的叶片绘制（前端处理）
用Profili软件进行数值模拟
用ANSYS进行叶片动静载荷，震动分析
叶片材料
木制叶片及布 蒙皮叶片
• 近代微、小型，观赏用风力发电机也有用木制叶片，由于叶片不易弯曲，常采用等安装角叶片。在采用木 制叶片的时候需要用强度很好的整体方木做叶片纵梁来承担工作时候所需要承担的力和弯矩。
风力机PPT
next
可回收利用的热塑性叶片的开发
• Gaoth Tec Teo与三菱重工以及Cyclics公司签署了一份合作协议，共 同为全世界范围内大 规模风场开发热塑性复合材料风力机叶片，它们 使用了Cyclics的CBT®树脂以及一种增强添 加剂。此树脂可以改善成 型效率，以及通过没有有害的环氧树脂组分来提高车间的安全性。 使 用像水一样粘度的Cyclics工程热塑性材料—— CBT树脂体系制作了 世界上首个12.6米可 循环风力机叶片，这样在叶片退役后，平均每套 风力机上可以回收19吨风力机叶片材料，这 在风电工业是史无前例 的。此项开发更有利于环境，使风能可靠更为实在。Cyclics欧洲股份 有限公司的常务董事Roman Eder说：更快捷安全的成型、叶片性能 的提高、可回收利用的叶 片及成型废料都是目前叶片的显著进步[19] 。但是，GEC认为，虽然热塑性树脂比环氧树脂还 要轻，但是，它 易于发生蠕变，而且用胶粘剂来胶接热塑性树脂基复合材料壳体比较 困难， 因此，不适于用在大型风力发电机叶片上。
碳纤维/轻木/E玻璃纤维混杂
• “Zebrawood”是一个通俗名称，指的是在环氧包裹
Douglas松木层之间包含碳纤维的 结构，黑线就意味着“ 斑马（Zebra）”。此概念让环氧有了两层含义，即粘接 松木薄板又 湿润碳纤维，因此重量和成本并没增加多少 。松木和碳纤维有相似的工作应变，因此当需要 轻木/环 氧叶片的时候，这种材料被看作是获得高强高刚以及成本 有效的手段。而且，人们 还认为松木不仅是提供破坏容 差，而且还可以起到防护外来冲击的作用，而这一点恰恰 是所 有碳纤维结构受关注的原因之一叶片结构设计 •
复合材料风力机叶片气动结构一体化 优化设计
前言
• 风能是绿色、环保、可再生能源,取之不尽,用之不竭。在当今世界能源短缺、 供应紧张,同时又突出强调环保的情况下,大力开发利用风能,用之发电,乃是普 遍的趋势和潮流,世界如此,中国亦然。风力发电是目前世界上能源领域发展最 快且相对成熟的技术之一,据知大约每年以25～30%的速度递增在风电设备
第4章_风轮叶片设计
Ø
• • • • • Ø
Ø
l
Ø
• •
其他要求 对叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准，还 应考虑风电机组的具体安装和使用情况。上述的叶片基本 设计要求，主要参考了IEC 61400—1[2]标准和德国GL的 《风力发电风电机组认证规范》中的有关规定，以下一些 要求仅供设计参考。 极限变形 由于复合材料的优良特性，大型风电机组风轮叶片的 设计首先考虑叶片的刚度是否满足使用要求，然后进行强 度校核。因此对叶片的极限变形要求极为重要： 避免风电机组运行过程中与塔架碰撞，要限制叶片在最大 设计风速时的极限变形； 在叶片变桨距时，应考虑气动弹性载荷对变形的影响。
Ø
Ø
Ø
Ø
l
结构设计要求
结构设计是形成叶片构件的关键设计过程，需要根据叶片所受的 各种载荷，并考虑风电机组实际运行环境因素的影响，使叶片具有足 够的强度和刚度。在规定的使用环境条件下运行时，应保证叶片在使 用寿命期内不发生破坏。另外，要求叶片的设计重量尽可能轻，并考 虑叶片间的相互平衡措施。 叶片的强度通常需要通过静强度和疲劳强度分析校核，受压结构 部分还应进行稳定性校核。强度分析应在足够多的截面上进行，需要 分析校核的横截面数目可根据叶片类型和尺寸确定，但至少应分析4 个以上的截面结构。同时，在叶片几何形状或材料不连续的位置，应 考虑增加必要的附加截面分析。 叶片强度分析可用相应的应变、应力等力学分析校核方法。对于 应力分析，还应额外校验最大载荷点处的应变，以确认设计结构不超 过材料破坏极限。
叶片结构设计的基本内容
n l
设计要求 气动设计要求
为了使风电机组有较高的风能利用效率，一般需要通过叶片气动 设计获得相应的设计参数或指标。采用葛劳渥(Glauert)、维尔森 (Wilson)或其他改进的可靠设计方法，通过计算确定叶片的气动外形 (如叶片的翼型、弦长、扭角、剖面厚度沿展向的分布等)，并提供相 应的设计条件参数(额定叶尖速比等)。 根据有关设计标准或第2、3章的分析，气动设计过程通常需要确 定以下设计参数或指标： 设计风速 设计风速是叶片设计的重要基础参数，包括额定设计风速、切入 风速、切出风速以及相应的湍流条件等。 气动性能指标 气动设计需要确定叶片的气动功能特性，如风能利用系数CP、推 力系数CQ、转矩系数CT等指标。
风力机叶片的设计PPT课件
φi
50.366 40.862 33.368 27.714 23.469 20.238 17.731 15.744 14.138 12.819 11.717 10.785 9.988 9.298 8.695 8.335
β
c
φ角的弧度
阻力系 数
βi
ci φi*П/180 Cdi
40.866 209.578 0.87904697 0.0149
第7页/共20页
1）、确定翼型的设计升力系数和最佳攻 角 根据Profili软件输入翼型型号NACA23012,可得到表3-1和图3-1、图3-2、图3-3及图3-4如下所示
Alfa -8
-7.5 -7
-6.5 -6
-5.5 -5
-4.5 -4
-3.5 -3
-2.5 -2
-1.5 -1 0
0.5 1
1.285 136.745 0.188241327 0.0149
0.488 127.182 0.174318549 0.0149
-0.202 118.807 0.162275277 0.0149
-0.805 111.423 0.151761481 0.0149
-1.165 106.971 0.145466244 0.0149
1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158
周速比 λi
0.258 0.548 0.838 1.128 1.417 1.707 1.997 2.287 2.577 2.867 3.157 3.447 3.737 4.027 4.317 4.510
风力机的机械设计.ppt
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。
2021/9/23
10
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。
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。
2021/9/23
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。
尖速比的最终值：
在初定的基础上，需根据额定风速和发电机 转速选择齿轮箱传动比，再计算尖速比，作为 设计参数。
2021/9/23
43
一、功率匹配
叶轮功率曲线——叶轮输出功率与风速或叶 轮转速之间的关系曲线。 发电机功率特性曲线——输出功率与转速之 间的关系曲线。 问题：在同一额定功率下，叶轮所对应的 额定转速与发电机所对应的额定转速相差 几倍到几十倍。 解决途径：利用增速机构，使发电机在叶轮的 额定转速下发出额定功率。
——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。
21/9/23
24
§3.6 桨叶设计中的若干问题
3.6.1 叶轮的总体参数
升阻比愈高： ——风能利用系数愈大，则风力机的 效率愈高。 ——性能曲线中风能利用系数Cp受叶 片数或尖速比的影响愈小
2021/9/23
31
七、其它参数
安置位置：低速端或高速端。
2021/9/23
10
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。
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。
2021/9/23
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。
尖速比的最终值：
在初定的基础上，需根据额定风速和发电机 转速选择齿轮箱传动比，再计算尖速比，作为 设计参数。
2021/9/23
43
一、功率匹配
叶轮功率曲线——叶轮输出功率与风速或叶 轮转速之间的关系曲线。 发电机功率特性曲线——输出功率与转速之 间的关系曲线。 问题：在同一额定功率下，叶轮所对应的 额定转速与发电机所对应的额定转速相差 几倍到几十倍。 解决途径：利用增速机构，使发电机在叶轮的 额定转速下发出额定功率。
——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。
21/9/23
24
§3.6 桨叶设计中的若干问题
3.6.1 叶轮的总体参数
升阻比愈高： ——风能利用系数愈大，则风力机的 效率愈高。 ——性能曲线中风能利用系数Cp受叶 片数或尖速比的影响愈小
2021/9/23
31
七、其它参数
风力发电机叶片简介演示
条件更换策略
实时监测叶片状态，一旦发现叶片性能严重下降或达到预定更换条 件，立即进行更换。
THANK YOU
感谢观看
先进制造技术
采用先进的制造技术，如3D打印和复合材料成型工艺，可以制造出具有更复杂几何形状和更高性能的叶 片。这为进一步优化叶片设计提供了技术保障。
04
叶片的检测与维护
叶片的缺陷与损伤检测
01
Байду номын сангаас
02
03
视觉检测
通过高清相机捕捉叶片表 面的图像，利用计算机视 觉技术识别裂纹、变色、 变形等缺陷。
超声波检测
力学性能和耐候性，同时重量较轻，适用于大型风力发电机叶片。
02 03
碳纤维
碳纤维是一种高性能、高强度的材料，用于叶片制造可显著提高叶片的 刚度和抗疲劳性能。然而，碳纤维成本相对较高，目前主要用于高端风 力发电机。
木材和复合材料
一些小型风力发电机叶片采用木材或其他复合材料制造。这些材料具有 成本低、环保等优点，但性能相对较差，适用于低风速地区。
利用超声波在叶片材料中 的传播特性，检测叶片内 部的裂纹、气泡等缺陷。
红外线热像检测
通过红外线热像仪观察叶 片表面的温度分布，从而 发现潜在的缺陷和损伤。
叶片的维护与修复
表面清洗
定期清除叶片表面的污垢 、沙尘等附着物，保持叶 片的光洁度，减少风阻。
防腐涂层
对叶片表面进行防腐处理 ，涂抹专用防腐涂层，延 长叶片使用寿命。
先进复合材料成型工艺
随着技术的发展，一些先进的复合材料成型工艺如拉挤成型、模压成型和3D打印等也逐 渐应用于风力发电机叶片的制造。这些工艺具有生产效率高、材料利用率高、产品设计灵 活等优点，代表了未来叶片制造技术的发展方向。
实时监测叶片状态，一旦发现叶片性能严重下降或达到预定更换条 件，立即进行更换。
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先进制造技术
采用先进的制造技术，如3D打印和复合材料成型工艺，可以制造出具有更复杂几何形状和更高性能的叶 片。这为进一步优化叶片设计提供了技术保障。
04
叶片的检测与维护
叶片的缺陷与损伤检测
01
Байду номын сангаас
02
03
视觉检测
通过高清相机捕捉叶片表 面的图像，利用计算机视 觉技术识别裂纹、变色、 变形等缺陷。
超声波检测
力学性能和耐候性，同时重量较轻，适用于大型风力发电机叶片。
02 03
碳纤维
碳纤维是一种高性能、高强度的材料，用于叶片制造可显著提高叶片的 刚度和抗疲劳性能。然而，碳纤维成本相对较高，目前主要用于高端风 力发电机。
木材和复合材料
一些小型风力发电机叶片采用木材或其他复合材料制造。这些材料具有 成本低、环保等优点，但性能相对较差，适用于低风速地区。
利用超声波在叶片材料中 的传播特性，检测叶片内 部的裂纹、气泡等缺陷。
红外线热像检测
通过红外线热像仪观察叶 片表面的温度分布，从而 发现潜在的缺陷和损伤。
叶片的维护与修复
表面清洗
定期清除叶片表面的污垢 、沙尘等附着物，保持叶 片的光洁度，减少风阻。
防腐涂层
对叶片表面进行防腐处理 ，涂抹专用防腐涂层，延 长叶片使用寿命。
先进复合材料成型工艺
随着技术的发展，一些先进的复合材料成型工艺如拉挤成型、模压成型和3D打印等也逐 渐应用于风力发电机叶片的制造。这些工艺具有生产效率高、材料利用率高、产品设计灵 活等优点，代表了未来叶片制造技术的发展方向。
风轮设计PPT课件
r R
)2
4 9
求得。
【7】计算弦长C:
rN C=
Cl B
对于每个计算点，使用下列公式计算弦长： 若根部弦
第9页/共23页
，
9
桨叶的外形设计
【8】计算叶片展弦比Sp:
n
C = C(i )/ n
平均弦宽
i=1
R Sp = C
则展弦比
【
9
】
对
攻
角a
ac
进= a行0修正0C.：1l1
(
1
3 Sp
)
根据叶片的展弦比，
桨叶的外形设计 【1】求来流角f ：
风轮处风速V在最佳运行条件下，则有：
其中，V1为来流风速。
V
=
2 3 V1
由右图可知：
（1）
cot f
=
r
V
=
3 2
r
V1
=
3 2
0
r R
则
f：=
arc cot(
3 2
0
r R
)
攻角a 为满足升阻比L/D在最大值附近，再根据q=f-a 来确定叶片扭
角。
1
第1页/共23页
径
D
已经
0
确定(，D故/
= V1
求2 )得
合
适
的
叶
尖
速
比
0
。
【3】 确定叶s =轮B实A度b / sA和叶片数目B ： B = As / Ab
如右图所示：根据叶尖速比0 ,确定风轮实度 s 。
根据：
，确定叶片数目：
Ab指叶片无扭角时在风轮旋转平面上的投影面积。
7
第7页/共23页
第五章 风力机叶片设计
如此，求出迎角后，即可根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力
系数Cl 和阻力系数Cd 。
《风力机空气动力学》
3
§5-2：基础理论
合成气流速度V0引起的作用在长度为dr 叶素上的空气动力dFa可以分 解为法向力dFn和切向力dFt，则
dFn
1 2
cV02
C
n
dr
dFt
1 2
cV02 C t
测试结果如下图所示。 测试数据的处理
低频振动（轴向窜动、圆盘效应） 1阶振动 2阶振动 3阶振动
振动模态
1阶反对称
1阶对称
2阶反对称
2阶对称
轴向窜动 圆盘效应
0.587 0.96a Cn
1 a2
4F sin 2
代替
a Cn 1 a 4F sin 2
葛劳渥特（Glarert）修正方法(Glauert H. 1935)
当a>0.2时，第⑥步中由
a
1 2
2
k1
2ac
2 k1 2ac 2 4 kac2 1
பைடு நூலகம்dr
其中c：叶素剖面弦长
Cn、Ct ：法向力系数和切向力系数
则
Cn Ct
Cl Cl
cos sin
Cd Cd
sin cos
阻力使切向力，即力矩 减小，而使推力增加
这时，作用在风轮平面dr圆环上的轴向力（推力）可表示为
dT
1 2
BcV02 C n dr
其中B：叶片数
8
§5-2：基础理论
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3.16
11
r
r11 R
4.51 1070 1400
3.45
12
r
r12 R
4.51 1160 1400
3.74
13
r
r13 R
4.51 1250 1400
4.03
14
r
r14 R
4.51 1340 1400
4.32
15
r
r5 R
4.51
1400 1400
4.51
（5）、确定各个截面的安装角和弦长。
对每个叶素来说，其速度可以分解为垂直于风轮旋转平面的分量Vy0 和平行风轮旋转平面的分量Vy0 ，速度三角形和空气动力分量
如图 2-3 所示。图中：Φ角为入流角， 为迎角， 为叶片在叶素处的几何扭角。
合成气流速度 V0 引起的作用在长度为 dr 叶素上的空气动力 dFa 可以
分解为法向力 dFn 和切向力 dFt ， dFa 和 dFt 可分别表示为
风电机组设计
第三组
(一) 设计理论 (二) 相关参数确定 (三) 叶片的设计过程 (四) 总结 (五) 主要参考文献
（一）设计理论
叶素理论
叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的流动相互之间没有干 扰，即叶素可以看成是二维翼型，这时，将作用在每个叶素的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。
0.017 0.1182 0.1677 0.2293 0.2927 0.3685
0.438 0.5114 0.5873 0.6512 0.6972 0.7421 0.7887 0.8339 0.8779 0.9256 0.9716 1.0162
1.065
Cd 0.0241
0.021 0.0194 0.0179 0.0167 0.0154 0.0131 0.0121 0.0115 0.0103 0.0099 0.0093 0.0074 0.0067 0.0065 0.0066
-0.009 -0.0111 -0.0145 -0.0188
-0.018 -0.017 -0.0154 -0.0128 -0.0104 -0.0081 -0.0043 -0.0019 -0.0026 -0.004 -0.0083 -0.0113 -0.0154 -0.0199 -0.0219 -0.0203 -0.0183 -0.0166 -0.0147 -0.0125 -0.011 -0.0093 -0.0075 -0.0063
-4.7015 2.6154 17.9091 23.9571 30.9865 37.0506 43.869 49.2135 54.9892 60.5464
65.12 67.6893 69.3551
71.7 73.1491 73.1583
75.252 76.5039 75.8358 77.7372
Cm -0.0119 -0.0078 -0.0043 -0.0014 -0.0049
1.13
4
r
r4 R
4.51
440 1400
1.42
5
r
r5 R
4.51
530 1400
1.71
6
r
r6 R
4.51
620 1400
2.00
7
r
r7 R
4.51
710 1400
2.29
8
r
r8 R
4.51
800 1400
2.58
9
r
r9 R
4.51
890 1400
2.87
10
r
r10 R
4.51 980 1400
0.007 0.0074 0.0079 0.0084 0.0089 0.0093 0.0097
0.01 0.0103 0.0107
0.011 0.0114
0.012 0.0123 0.0127 0.0134 0.0137
Cl/Cd -30.917 -34.019
-35 -35.7263
-33.976 -31.9481 -32.5802 -29.3388 -24.1565 -21.6505 -17.0505 -12.6452 -10.4459
1）、确定翼型的设计升力系数和最佳攻角 2）、应用Glauert方法设计
1）、确定翼型的设计升力系数和最佳攻 角 根据Profili软件输入翼型型号NACA23012,可得到表3-1和图3-1、图3-2、图3-3及图3-4如下所示
Alfa -8
-7.5 -7
-6.5 -6
-5.5 -5
-4.5 -4
1 2
Bcv02Cn dr
（2-3）
式中 B--叶片数。
作用在风轮平面 dr 圆环上的转矩为
（2-4）
dM
1 2
Bcv02Ct rdr
（二）相关参数确定
•
（三）叶片的设计过程 （1）计算风轮直径。利用公式
D= 8Pu / CpU1312
=
8 500
1.2253.147.83 0.40.72
=2.8m 则风轮半径 R=1.4mm。
(2)计算叶片长度。假设轮毂半径为 80mm，那么叶片长度 Lb 为
Lb =R- rhub =1400-80=1320mm
(3)等分叶片。把它分成 15 等份，则每等份为 88mm，取成整数后可以把前 14 个 截面段分为 90mm，这样，最后一个截面段为 60mm。
计算各截面周速比。首先计算出额定叶尖速比r
r = n R / (30U1) = 2403.141.4 30 7.8 =4,51
(4)计算各截面的周速比
0
=
r
×r0 R
=4.51× 80 1400
=0.26
1 =
r
× r1 R
=
4.51 170 1400
0.55
2
=r
r2 R
4.51
260 1400
0.84
3
=r
r3 R
4.51
350 1400
Hale Waihona Puke （2-1）dFn1 2
cV0
2
Cn
dr
1
2
dFt 2 cV0 Ct dr
其中 ——空气密度；c——叶素剖面弦长；；e、q——分别表示
法向力系数和切向力系数，即
（2-2）
Cn Cl cos Cd sin
Ct Clsin Cd cos
这时，作用在风轮平面 dr 圆环上的轴向力可表示为
dT
-3.5 -3
-2.5 -2
-1.5 -1 0
0.5 1
1.5 2
2.5 3
3.5 4
4.5 5
5.5 6
6.5 7
7.5 8
8.5
Cl -0.7451 -0.7144
-0.679 -0.6395 -0.5674
-0.492 -0.4268
-0.355 -0.2778
-0.223 -0.1688 -0.1176 -0.0773 -0.0315
由表格可知 该翼型的最 佳攻角为9.5， 设计升力系 数为1.1583， 阻力系数为 0.0149，最大 升阻比为