3-1叶片数和风轮直径的确定
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第三章 水平轴风力机的气动设计 第一节 叶片数和风轮直径的确定
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。
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
叶片数 6~20
风机类型
低速 4~12 3~8
中速
3~5 2~4 高速 1~2
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2～3。叶片数少 的风力机在高尖速比运行时ห้องสมุดไป่ตู้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。
1 1 3 3 p c p v1 D 2 41 2
式中：p—风力机输出功率；cp—风能利用系数； ρ —空气密度：v1—设计风速(风轮中心高度位置处)。
η —传动链η
1x发电机效率η 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0．81左右) ；
根据计算功率的公式，可推导出计算风 轮直径D的公式：
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。
二、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λ 并预估在此λ 下的Cp值
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。
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。
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
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z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。
表1 尖速比与叶片数的关系
尖速比 1
2 3 4 5~8 8~15
1、单叶片风轮（c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。
a
b
c
2、双叶片风轮（b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（a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 。
为什么风力机多为三个叶片的？
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。
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α ， 以及选取各剖面的翼型。
叶片的主要性能参数： 额定功率：1000 W 额定风速：10 m/s 机电效率： 0.81 公称电压：DC 24/48 噪声：≤70 dB（A） 起动风速：4 m/s 抗最大风速：54 m/s 最大系统效率：32﹪ 工作温度：-40～+60 ℃
这个问题很简单的。因为三个叶 • 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。 片有较好的动平衡（运行和输出功率 减少轴承的磨损。降低维修成本。 较为平稳）；不易产生振荡；减少轴
承的磨损；降低维修成本。
图4
D 对于λ ＞5的大型高速风力机选叶片数（ 1、
2、3）需要考虑四个原则：
CP v 1 D 3 8P1 2
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？
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。
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
叶片数 6~20
风机类型
低速 4~12 3~8
中速
3~5 2~4 高速 1~2
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2～3。叶片数少 的风力机在高尖速比运行时ห้องสมุดไป่ตู้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。
1 1 3 3 p c p v1 D 2 41 2
式中：p—风力机输出功率；cp—风能利用系数； ρ —空气密度：v1—设计风速(风轮中心高度位置处)。
η —传动链η
1x发电机效率η 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0．81左右) ；
根据计算功率的公式，可推导出计算风 轮直径D的公式：
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。
二、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λ 并预估在此λ 下的Cp值
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。
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。
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
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z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。
表1 尖速比与叶片数的关系
尖速比 1
2 3 4 5~8 8~15
1、单叶片风轮（c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。
a
b
c
2、双叶片风轮（b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（a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 。
为什么风力机多为三个叶片的？
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。
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α ， 以及选取各剖面的翼型。
叶片的主要性能参数： 额定功率：1000 W 额定风速：10 m/s 机电效率： 0.81 公称电压：DC 24/48 噪声：≤70 dB（A） 起动风速：4 m/s 抗最大风速：54 m/s 最大系统效率：32﹪ 工作温度：-40～+60 ℃
这个问题很简单的。因为三个叶 • 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。 片有较好的动平衡（运行和输出功率 减少轴承的磨损。降低维修成本。 较为平稳）；不易产生振荡；减少轴
承的磨损；降低维修成本。
图4
D 对于λ ＞5的大型高速风力机选叶片数（ 1、
2、3）需要考虑四个原则：
CP v 1 D 3 8P1 2
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？