风力机风轮的性能和设计方案
风力发电机组的叶轮设计优化与性能分析
风力发电机组的叶轮设计优化与性能分析1. 引言风力发电作为一种可再生能源的重要形式，被广泛应用于电力供应系统。
叶轮作为风力发电机组中的核心部件，直接影响着发电机组的性能和效率。
本文旨在通过对风力发电机组叶轮的设计优化与性能分析，提出一种能够提高发电效率的叶轮设计方案。
2. 风力发电机组的工作原理风力发电机组利用风能将风动能转化为机械能，然后通过发电机将机械能转化为电能。
叶轮作为风力发电机组中的核心部件，承担着捕捉和利用风能的重要任务。
叶轮优化设计的目标是最大化风能的转化效率，提高发电机组的发电量。
3. 叶轮设计优化3.1 叶片数目和形状设计叶片数目和形状直接影响着风力发电机组的功率转化性能。
一般而言，叶片数目越多，转化效率越高。
然而，叶片数目过多会增加制造成本并增加风力发电机组的重量。
因此，需要综合考虑叶片数目和形状的设计，找到一个平衡点。
3.2 叶片长度和宽度设计叶片长度和宽度的设计也是叶轮设计中的重要因素。
叶片长度越长，捕捉风能的面积越大，风力发电机组的转化效率越高。
然而，过长的叶片会增加风力发电机组的叶轮重量，并对叶轮结构造成一定的负荷。
因此，需要对叶片长度和宽度进行优化设计。
3.3 叶片材料选择叶轮受到来自空气流动的巨大压力和弯曲力的影响，因此在叶片材料的选择上需要考虑其强度、轻量化和耐腐蚀性。
目前常用的叶片材料有玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）等。
在叶片材料的选择中，需要综合考虑材料的力学性能和经济性，以实现叶轮结构的优化设计。
4. 叶轮性能分析4.1 基于流体动力学的模拟分析通过建立风力发电机组的叶轮流体动力学模型，可以对叶轮的流场分布和压力分布进行模拟分析，了解叶轮在风力作用下的性能表现。
这可以为叶轮的优化设计提供有力的依据。
4.2 发电机组的发电量模拟叶轮是风力发电机组中能量转化的关键部件，其性能的优化直接影响发电机组的发电效率。
通过基于叶轮性能和风能资源的数据，可以进行发电量的模拟计算，评估叶轮优化设计的效果。
风轮设计
桨叶的外形设计
设计方法一 设计方法二
桨叶的外形优化
Glauert优化方法 Wilson优化方法
华北电力大学
1
桨叶的外形设计
设计方法一
• 设已知： ▫ 风轮叶尖速比l0，直径D，叶片数B和剖面翼型。 • 求叶片外形：
▫ 叶片来流角f ，从而确定叶片扭角q ，确定各剖 面弦长C。
= a( 1 - a )
（15）
华北电力大学
18
桨叶的外形优化
【4】风能利用系数： 风轮半径r处的风轮轴功率为：
l0
dP = dM = 4 r 3 2 b( 1 - a )V1dr
dP = 8
（16）
风能利用系数：
Cp =
0
1 3 2 R V1 2
l0
2
l0
0
b( 1 - a )l3 dr
华北电力大学
2
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：
2 V = V1 3 其中，V1为来流风速。
由右图可知：
3 r 3 r 则： cot f = = = l0 V 2 V1 2 R
r
3 r f = arc cot( l0 ) 2 R
（ 1）
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。
桨叶的外形优化
【5】叶片外形计算：
(1- a ) 1 利用公式： f = arctg (1 b ) l
计算来流角f 。
r 8a sin2 f 利用公式（12），且不计阻力，可得：C = BCl ( 1 - a ) cos f
(19)
风力发电机组方案设计
风力发电机组方案设计一、引言风力发电作为一种可再生能源，正逐渐受到越来越多的关注和重视。
风力发电机组是将风能转化为电能的装置，具有环保、可持续等优点，被广泛应用于各地的发电项目中。
本文将对风力发电机组的方案进行设计，以满足特定需求和要求。
二、风力资源评估在设计风力发电机组之前，需要首先进行风力资源评估。
该评估包括测定所选发电站点的年平均风速、风能密度以及风能资源的分布情况等。
通过风力资源评估可以确定风力发电机组的设计参数，如机组容量、风轮直径等。
三、风力发电机组结构设计1.风轮设计根据风力资源评估的结果，确定合适的风轮直径。
风轮是将风能转化为机械能的关键部件，其尺寸的大小直接影响到风力发电机组的发电能力。
同时，风轮的材料选择和设计要考虑到耐久性、可靠性以及生产成本等因素。
2.发电机设计发电机是将机械能转化为电能的核心设备。
根据风轮的设计参数和需求，选择合适的发电机类型和容量。
常见的发电机类型包括同步发电机和异步发电机，其选用和设计要根据具体需求和预算进行评估。
3.控制系统设计四、电网接入设计五、经济评估六、安全和环保考虑在风力发电机组方案设计的过程中，必须充分考虑安全和环保因素。
包括选用符合安全标准的设备和材料、设置安全保护装置、合理规划建设场地，以及满足环境保护的要求等。
确保风力发电机组的安全运行和对环境的友好性。
七、总结通过对风力发电机组方案的设计，可以满足特定的需求和要求。
风力发电作为一种可再生能源，具有广阔的应用前景。
随着技术的不断发展，风力发电机组的效率和可靠性不断提升，将为人类的可持续发展做出重要贡献。
风力发电机组设计方案
风力发电机组设计方案近年来，随着气候变化问题的日益严重和能源需求的增长，可再生能源逐渐受到人们的关注和重视。
作为一种清洁、可持续的能源形式，风能被广泛应用于电力生成领域。
本文将提出一种风力发电机组设计方案，以满足不同环境和能源需求的要求。
一、设计目标风力发电机组设计的目标是提高能量利用效率、降低成本、提高可靠性和可维护性。
通过优化设计方案，确保发电机组在不同风速条件下都能稳定运行，并尽可能减少对环境的影响。
二、设计要素1. 风轮设计风轮是风力发电机组的核心部件，其设计关乎能量转换的效率。
为了提高风轮的效率，可以采用复合材料制造，并根据实际风速情况选择合适的风轮直径和叶片数目。
同时，考虑到强风等恶劣气象条件下的运行稳定性，应加强风轮的结构强度和抗风能力。
2. 发电机选择发电机是将风能转化为电能的关键设备。
根据预期的发电功率和输出电压要求，选择适当的发电机类型。
常见的风力发电机组发电机类型有永磁发电机和感应式发电机，可以根据具体需求作出选择，并确保其效率高、体积小、重量轻。
3. 控制系统设计风力发电机组的控制系统对风轮转速和发电功率进行实时监测和调节。
通过合理设计控制算法，可以使发电机组在变化的风速条件下实现最佳运行状态，提高发电效率。
同时，设计控制系统要考虑到故障检测和保护功能，确保发电机组的安全运行。
4. 塔架与基础设计风力发电机组需要稳定地安装在塔架上，因此塔架设计要考虑结构强度和稳定性。
根据实际场地条件，选择适当的塔架高度和材料，以确保风力发电机组在强风等恶劣气象条件下仍能稳定运行。
同时，基础设计要进行地质勘察和承载力计算，确保塔架稳固地安装在地面或水下。
三、设计流程1. 需求分析在设计风力发电机组之前，需要了解用户的能源需求和环境条件。
根据需求分析，确定设计的发电容量和使用场所，以便选择合适的设备和参数。
2. 设计方案制定根据需求分析结果，制定合理的设计方案。
包括风轮设计、发电机选择、控制系统设计和塔架基础设计等。
风力发电与风轮机优化设计
三、未来展望
随着科技的不断发展，未来的风轮机优化设计将更加注重智能化、自动化的 设计方法。例如，利用人工智能和机器学习技术对风轮机进行优化设计已经成为 当前的研究热点。此外，随着数字化和智能制造技术的发展，未来的风轮机制造 将更加高效和精准。例如，采用增材制造技术可以显著缩短制造周期，提高生产 效率。
参考内容
随着全球对可再生能源需求的日益增长，风能作为一种重要的清洁能源，其 开发与利用越来越受到人们的。水平轴风力发电机组作为风能利用的主要形式， 其性能的优劣直接影响到风能的转换效率和发电成本。而风轮叶片作为水平轴风 力发电机组的核心部件，其设计优化对于提高机组性能具有至关重要的意义。
一、水平轴风力发电机组概述
参考内容二
随着全球能源结构的转变，可再生能源在能源供应中的地位日益重要。风力 发电作为一种清洁、可再生的能源，在全球范围内得到了广泛的应用。然而，风 力发电的功率输出受到多种因素的影响，如风速、风向、温度等，这些因素的变 化使得风力发电的功率输出具有很大的不确定性。因此，如何提高风力发电系统 的功率预测精度，优化功率预测策略，对于提高风力发电系统的运行效率、降低 运行成本、提高电力系统的稳定性具有重要意义。
3、控制策略优化：风轮机的控制策略对其性能有着重要影响。通过对控制 策略进行优化，可以实现风轮机的自适应调节，以适应不同的风速和风向条件。 例如，采用先进的控制算法，可以实现风轮机的最优控制，提高其发电效率。
4、可靠性提升：在优化设计的过程中，还需要考虑提高风轮机的可靠性。 通过对风轮机的结构和控制系统进行可靠性分析，可以找出潜在的问题和风险， 并采取相应的措施进行改进和预防。例如，采用冗余设计和故障诊断技术，可以 显著提高风轮机的可靠性。
4、实时监测与调整
风力发电机组风荷载分析及优化设计
风力发电机组风荷载分析及优化设计一、引言风力发电是目前可再生能源中占据相当重要位置的一种，风力发电机组也是其重要组成部分之一。
与其它工程系统相比，风力发电机组主要面临的挑战之一就是大风荷载下的稳定性能。
本文将从风荷载分析及优化设计方面探讨如何提升风力发电机组的稳定性能。
二、风荷载分析1. 风荷载形式在风力发电机组中，风荷载主要是指风及其产生的风力作用在风轮及其支撑系统上所形成的荷载。
根据气象学研究，风力可以分为三种形式：切向风、径向风和上升气流。
其中最主要的当属切向风，即来自于风速分量沿风轮叶片切线方向的力。
2. 风荷载计算风荷载的计算一般可以采用下列方法：（1）椭圆轨迹法：将风力作用点看成一个运动点，其受到的风荷载所形成的作用线经过研究后发现是椭圆形的，最大荷载所在位置即为椭圆的焦点之一。
（2）风口逆推法：通过揭示叶片在不同风速下的变形规律和受力行为，得到了叶片结构变形和受力响应的特性参数，然后结合气象物理及气动特性等，经过逆推出风速下叶片受力情况，进而计算出整机的风荷载。
（3）场合适法：利用CAD软件建立计算模型，通过模拟流场中流动场、压力场等参数，综合考虑叶片的材料、形状、缆索布置、叶根安装等影响因素对风力发电机组的激励能力进行模拟计算。
3. 风荷载分析结果及优化设计通过以上方法得出的风荷载分析结果可以用于进行稳定性分析，并通过优化设计降低风荷载带来的影响。
优化设计中主要包括以下几个方面：（1）优化叶片结构由于叶片是风能转换核心部分，因此叶片的结构及其质量直接影响到发电机组的稳定性。
叶片的优化设计可以包括减轻质量、改变叶形和优化叶片布局等方面。
（2）优化筒杆和传动系统筒杆和传动系统也是风力发电机组中非常重要的部分，优化设计主要包括减小振动、降低噪声、提高精度等方面。
（3）优化弹性支撑系统由于受到风荷载影响，风力发电机组的整体振动会加剧，导致叶片与塔筒之间的摩擦和磨损加剧，从而降低系统的使用寿命。
风轮总体参数设计
风轮总体参数设计1、风轮叶片数B一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比λ0，根据风轮叶片数和尖速比的关系表确定风轮叶片数量目前用于风力发电的风力机一般属于高速风力机，一般取叶片数2—3，用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。
叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较高的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水，而叶片数少的风力机在高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高，因此适用于发电。
由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，目前小型风力发电机采用三叶片的较多，对大于中型风力发电机由于考虑成本因素，有人用二叶片，但仍以三叶片为主。
2、 风轮直径D风轮直径可用下列公式进行估算32321121121/2*/4**0.49p p P C V D V D C ρπηηηη== 式中：P ———风力机输出功率(W);ρ———空气密度，一般取1.25kg/m ²;V 1 ———设计风速(风轮中心高度)m/s;D ———风轮直径（m ）;η1———发电机效率；η2———传动效率；C———风能利用系数。
高速风力机一般取0.4以上，低速风p力机一般取0.3左右。
3、设计风速V1风轮设计风速(又称额定风速)是一个非常重要的参数,直接影响到风力机的尺寸和成本。
设计风速取决于使用风力机地区的风能资源分布。
风能资源既要考虑到平均风速的大小，又要考虑风速的频度。
知道了平均风速和风速的频度，就可以按一定的原则来确定风速V1的大小，如可以按全年获得最大能量为原则来确定设计风速。
4、尖速比0风轮的尖速比是风轮的叶尖速度和设计风速之比，尖速比是风力机的一个重要设计参数，通常在风力机总体设计时提出。
首先，尖速比与风轮效率是密切相关的，只要机器没有过速，那么运转于较高尖速比状态下的机器，就具有较高的风轮效率。
对于特定的风轮，其尖速比不是随意而定的，它是根据风力机的类型、叶片的尺寸和电机传动系统的参数来确定的。
小型风力发电机毕业设计
小型风力发电机毕业设计小型风力发电机毕业设计一、引言随着人们对可再生能源的需求日益增长，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式，越来越受到关注。
在这个背景下，设计一台小型风力发电机成为了我毕业设计的主题。
本文将介绍我设计的小型风力发电机的原理、结构和性能优化。
二、原理小型风力发电机的工作原理与大型风力发电机基本相同。
它们都利用了风的动能来驱动风轮旋转，进而带动发电机产生电能。
在小型风力发电机中，风轮通常由数个叶片组成，这些叶片的角度和形状会影响风轮的转动效率。
当风吹过风轮时，叶片会受到气流的冲击，产生扭矩，进而使风轮旋转。
旋转的风轮通过传动装置将动能转化为电能。
三、结构小型风力发电机的结构相对简单，主要包括风轮、传动装置和发电机三个部分。
1. 风轮：风轮是小型风力发电机的核心部件，它负责接受风的作用力并转化为机械能。
风轮通常采用三叶片结构，因为这种结构在风力作用下旋转效率较高。
另外，风轮的材料也需要轻量、坚固和耐腐蚀。
2. 传动装置：传动装置将风轮旋转的机械能转化为发电机所需的转速和扭矩。
传动装置通常由齿轮或链条组成，它们能够将风轮的低速旋转转换为发电机所需的高速旋转。
3. 发电机：发电机是小型风力发电机的核心组件，它将机械能转化为电能。
发电机通常采用交流发电机或直流发电机，其中交流发电机的结构相对简单，直流发电机的效率相对较高。
四、性能优化为了提高小型风力发电机的性能，我在设计中采取了以下优化措施。
1. 叶片设计：通过优化叶片的角度和形状，可以提高风轮的转动效率。
我使用了计算流体力学模拟软件对不同叶片设计进行了模拟和分析，最终确定了最佳的叶片结构。
2. 传动装置优化：通过选择合适的传动装置，可以提高传动效率，减少能量损失。
我进行了多次实验和计算，最终选择了一种高效的传动装置。
3. 发电机选择：根据小型风力发电机的需求，我选择了一种高效、稳定的发电机。
这种发电机具有较高的转换效率和较低的能量损耗。
风力机课程设计说明书
目录风力机原理与应用课程设计说明书 (1)一、设计题目 (1)二、设计任务 (1)三、原始数据 (1)四、设计步骤 (1)1、计算风轮直径D (1)2、确定尖速比λ (2)3、确定叶轮的实度σ和叶片数目z (2)4、将风轮叶片分为10个剖面，每个剖面间隔0.1R，计算各剖面的λ值 (3)5、确定各剖面的来流角Φ (3)6、确定各剖面的形状参数N (3)7、选取翼型 (3)8、计算弦长 (4)9、计算叶片展弦比Sp (5)10、根据叶片的展弦比，对升力曲线进行修正 (5)11、根据αc，计算θ角 (6)12、绘制精确的叶片和翼型图 (6)五、设计结果及说明 (6)风力机原理与应用课程设计说明书一、设计题目风轮叶片气动设计二、设计任务（1）基于叶素和动量理论设计水平轴风力机叶片； （2）绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线； （3）绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线； （4）绘制设计风力机的性能曲线；（5）绘制设计叶片的图纸，以及各位置的叶片翼型结构图纸； （6）编写设计说明书一份，并附上必要的计算公式。
三、原始数据三叶片风力机功率P ＝600.0KW 来流风速V 1＝14m/s 风轮转速n ＝26.8rpm 风力机功率系数C p ＝0.43 传动效率为η1＝0.92 发电机效率为η2＝0.95 空气密度为ρ＝1.225kg/m 3四、设计步骤1、计算风轮直径D根据公式21p 31281ηηρπC V D P =得21p 138ηηρπC V PD =，故D=34.8m ，R=17.4m 。
2、确定尖速比λ根据公式160nV D πλ=得λ=3.48。
根据公式60n2πω=得ω=2.8rad/s 。
3、确定叶轮的实度σ和叶片数目z如图所示对尖速比λ＝3.48，取实度σ＝0.1较为合适；而对小型风力机叶片数z ＝3是较为合适的。
4、将风轮叶片分为10个剖面，每个剖面间隔0.1R ，计算各剖面的λ值根据公式1rV ωλ=,计算得如下所示结果：5、确定各剖面的来流角Φ 根据公式λφ3cot =得φ2arctan =，计算得如下所示结果： 6、确定各剖面的形状参数Nλ°=3.48，根据公式94)r(r 91622+=︒︒R RN λλπ计算得如下所示结果：7、选取翼型选取NACA4412翼型，查下图得最大升阻比C L /C D =105，其中C L =1.08,C D =10.3×10-3,α=6°。
风力发电机组设计方案比较和效果评估
风力发电机组设计方案比较和效果评估随着环境污染问题的日益严重，全球范围内对可再生能源的需求也越来越大。
作为一种可再生的清洁能源，风能被广泛应用于发电领域。
风力发电机组设计方案的比较和效果评估对于提高风力发电系统的性能和效率至关重要。
本文将分析和评估几种常见的风力发电机组设计方案，并比较它们的效果。
首先，我们将讨论水平轴风力发电机组设计方案。
水平轴风力发电机组是目前最常见和广泛应用的风力发电系统之一。
它的主要特点是风轮以水平轴旋转，同时发电机位于塔筒顶部。
这种设计方案具有结构简单、维护方便、功率输出稳定等优点。
然而，水平轴风力发电机组的风轮面积相对较小，对于低风速地区或高楼大厦周围的建筑物遮挡较多的情况，其发电效率可能较低。
此外，水平轴风力发电机组在逆变器和变频器的功率控制方面存在一定的挑战。
接下来，我们将讨论垂直轴风力发电机组设计方案。
垂直轴风力发电机组的主要特点是风轮以垂直轴旋转，这种设计方案可以有效解决水平轴发电机组在低风速地区效率较低的问题。
垂直轴风力发电机组的另一个优点是其风轮面积相对较大，可以更好地利用风能资源。
然而，垂直轴风力发电机组在结构复杂性、维护成本较高和发电功率波动较大等方面存在一些挑战。
除了水平轴和垂直轴风力发电机组，还有一些新型设计方案出现在风力发电领域。
例如，混合轴风力发电机组设计方案将水平轴和垂直轴的特点结合在一起，以实现更高效的发电。
该设计方案的主要特点是风轮同时具有水平和垂直轴，具有较大的风轮面积和较稳定的功率输出。
然而，混合轴风力发电机组的结构复杂度和成本较高，需要更复杂的控制系统。
此外，还有一些创新的设计方案如飞行器式风力发电机组和浮筒式风力发电机组也值得关注。
飞行器式风力发电机组的主要特点是风轮安装在空中悬浮的设备上，可以更好地捕捉高空的风能资源。
浮筒式风力发电机组则将风轮安装在浮筒上，浮在海洋或湖泊表面，利用水面上的风力发电。
这些创新的设计方案在利用风能资源方面具有巨大潜力，但目前仍面临一些技术和经济挑战。
FTJ-4.8-10-6-8型风力提水机风轮的设计与计算
综 上 所 述 ， 择 叶 片数 Ｚ １ （ ） 每 片 长 选 ＝８片 ，
轮 叶 片数 少 ， 流通 过量 增 加 ， 图 ２所 示 ， 气 如 叶 片距离 为 ａ相邻 叶 片气 流 问 为 ｂ 气 流 带宽 ｂ 。 隔 。
受 Ｚ与角 度 Ｉ 影 响 ， 叶尖 速 比 变化 （ ｌ ， 当 引起 角
式 中 ： ｐ叶 尖速 比 （＝ ． Ｃ－ ｋ１ ５时预 期 的 功 率 系数 ，
Ｃ： ． ７ 口Ｏ１ ） ９
ｐ 空 气密度 ，＝ ．７ ｇｍ 。 一 ｐ １ ｋ／３ ２ 所 以风 轮 提供 的 功 率 为 Ｐ总 ２ ２ １ Ｏ２ ＝ ＝８． ｘ． ８ ７
２ ３６ ０ ．２Ｗ
３ ０ ｈ以上 ． 别 地 区 ４ ０ ｈ以上 ． 能 资 源 十 ００ 个 ００ 风 分 丰 富。 － ｍ ｓ范围 内 的风速 频率较 高 ， 了使 ３６ ／ 为 风 力 提水 机在 风频 较高 的风 速段具 有 最 大 的 风 能 利用 系数 ． 里选取 ５ ／ 为设 计风 速 。 这 ｍｓ
Ｆ Ｊ ４ － ０６ ８ Ｔ 一 ． １－ — 型风 力提水机 ８ 风轮的设计与计算
卢 宏 字 ’ 李 艳 杰 ２ 何 占松 ，
１ ． 黑龙 江省 畜牧 机械 化研 究所 ； ． 庆惠 博普 石油 机械设 备 制造 有 限公 司 ２大
【 摘
要】 本文根据风力提水机预期达到的提水功率来设计计算风轮 叶片的各项参数 ， 依据计 风轮叶片 叶片安装角
嫩平 原风 资源 数 据 为基 础 的 。根据 当地 的 风 资 源 数据 ， 平 均 风能 密度 在 ２ ０ ｍ 以上 ， 别 年 ０ Ｗ／ ： 个
地 区 可达 ３ ０ ｍ ，风 速大 于 ３ ／ 的 时 间一 年 ０ Ｗ， ｍｓ 有 ５０ — ００ ． ０ ０ ６ ０ ｈ 风速 大 于 ６ ／ 的时 间 一年 就 有 ｍｓ
风轮尺寸与额定风速
风轮尺寸与额定风速风轮尺寸与额定风速风力机的额定风速为了确定风轮的尺寸首先要确定风力机的额定风速，在国家标准GB/T 13981一92《风力机设计通用要求》中6.1.1条规定对风力发电机组的切入风速与额定风速有规定：风力发电机组的切入风速与额定风速表这是早些年的规定，近些年常用年平均风速来确定额定风速（有关年平均风速见相关词语定义），根据国外的统计资料，在降低制造成本的前提下以年平均风速来计算额定风速，对于可变桨风力机的额定风速为年平均风速的1.67至1.77倍；对于失速型风力机的额定风速为年平均风速的2倍以上。
按此计算出的额定风速比上表的数值要高，针对大型水平轴风力机或许更合适些。
我们觉得对于风速变化不太大的环境与具有良好安全性能的可变桨风力机可适当减小这个比例，以降低成本。
但许多微型小型风力机既不能变桨又无自动安全保护功能，为适应宽的风速变化范围在大风时不烧毁发电机，不得不把额定风速定得比较高，额定风速为年平均风速的2倍以上。
多以13m/s或更高作为额定风速。
额定风速13m/s的风力发电机在风速为6m/s运行时，其功率仅为额定功率的10%，对于大部分时间工作在6m/s风速下确实是浪费。
我国内陆平原地区年平均风速较低，若大风很少的话可降低额定风速，但要有一定的防护措施以防万一。
靠沿海地区平均风速高一些，但沿海地区会有强台风，必须加强风力机的抗强风能力。
风力机的其它性能要求除了额定风速外，风力机还有切出风速、停机风速、安全风速等风速指标以及发电机组的工作范围，在国家标准都有规定，下面附上GB/T 19068.1-2003《离网型风力发电机组技术条件》部分有关内容：3.3 性能要求3.3.1 机组的切人风速和额定风速应符合GB/T 13981-1992中6.1.1的规定。
3.3.2 机组在额定工况下，其输出应不小于额定功率。
3.3.3 机组的切出风速应不小于17 m/s,3.3.4 机组的停机风速应不小于18 m/s,3.3.5 机组的安全风速应不小于50 m/s,3.3.6 机组的最大工作转速应符合以下要求: 额定功率小于或等于1kW，应不大于额定转速的150%;额定功率大于1kW，应不大于额定转速的125%.3.3.7 机组的安全防护系统应保证机组运行时不超过最大工作转速，且在停机风速下能自动或人工停机。
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。
风轮设计风速选择
风轮设计风速选择及风力机单机容量的选择题目摘要内容结论参考文献摘要：主要从三大方面介绍了风轮设计风速选择，一、叶片的几何参数；二、风轮的几何参数；三、风轮的物理特性三个方面。
从这三个方面介绍了改如何选择风速以及具体要求。
内容一节风轮总体参数的设计要求风轮的作用是把风的动能转换成风轮的旋转机械能。
这个二次能量可以用不同的方式加以利用，如发电、提水、制热或其他可能的能量转换方式等。
风轮应尽可能设计的最佳，以提高其能量转换效率。
风轮之所以能从风中获得能量，是因为它能使经过风轮扫掠面积内的风速降低到一定程度。
静止状态的风轮和以非常高的转速旋转的风轮都不会产生功率；在这两种极端情况之间，有一个使风力发电机组获得最大功率的转速。
风轮一般由一个、两个或两个以上的几何形状一样的叶片和一个轮毂组成。
风力发电机组的空气动力特性取决于风轮的几何形式，风轮的几何形式取决于叶片数、叶片的弦长、扭角、相对厚度分布以及叶片所用翼型空气动力特性等。
风轮的设计是一个多学科的，它涉及空气动力学、机械学、气象学、结构动力学、控制技术、风载荷特性、材料疲劳特性、试验测试技术等多方面的知识。
风轮的功率大小取决于风轮直径，对于风力发电机组来说，追求的目标是最的发电成本。
由于风轮的噪声与风轮转速直接相关，大型风力发电机组应尽量降低风轮转速；因为当叶尖线速度达到70-80m/s 时，会产生很高的噪声。
在风轮转速确定的情况下，我们可以改变叶片空气动力外形来降低噪声。
如改变叶尖形状，降低叶尖载荷等。
风轮是风力发电机组最关键的部件，风轮的费用约占风力发电机组总造价的20%-30%，而且它至少应该具有20年的设计寿命。
除了空气动力设计外，还应确定叶片数、叶片结构和轮毂形式。
一、叶片的几何参数1. 叶片长度叶片径向方向上的最大长度，如图4 -1所示。
2. 叶片面积叶片面积通常理解为叶片旋转平面上的投影面积。
3.叶片弦长叶片径向各剖面翼型的弦长。
叶片根部剖面的翼型弦长称根弦，叶片尖部剖面的翼型弦长称尖弦。
风力发电机组结构及传动系统设计
风力发电机组结构及传动系统设计风力发电机是利用风能转化为电能的设备，由于其清洁、可再生的特性，成为了现代能源领域的重要组成部分。
为了达到高效、可靠且经济的发电目标，风力发电机组的结构及传动系统设计至关重要。
本文将讨论风力发电机组结构及传动系统的设计原则和关键要素。
一、风力发电机组结构设计1. 风轮设计：风轮是转化风能为机械能的关键部件。
其设计应考虑风速、气动特性和刚度等因素。
风轮应具备最大化捕获风能的能力，并保证在高风速情况下的稳定性。
此外，材料的选择也非常重要，应考虑强度、耐腐蚀性能和重量等因素。
2. 主轴设计：主轴是连接风轮和传动系统的关键组件。
其设计应考虑承受风轮转动产生的巨大力矩和转速的要求。
主轴应具备足够的强度和刚度，并采用高强度材料进行制造。
另外，润滑和散热系统的设计也应充分考虑，以确保主轴的可靠性和安全性。
3. 塔架设计：塔架是支撑风轮的结构，其设计应考虑高度、稳定性和抗风能力。
塔架应具备足够的刚度和强度，以抵抗风力引起的振动和地震等外力作用。
此外，塔架的施工和维护也需要充分考虑，以确保安全和可持续性。
二、风力发电机组传动系统设计1. 齿轮传动系统设计：齿轮传动系统是将风轮转动的机械能传递到发电机的关键部件。
其设计应考虑传动效率、噪音和可靠性。
合理选取传动比和齿轮材料，以最大程度地提高传动效率和减少能量损失。
此外，齿轮传动系统的润滑和冷却也需要充分考虑，以保证其稳定性和寿命。
2. 发电机设计：发电机是将机械能转化为电能的关键部件。
其设计应考虑输出功率、效率和可靠性。
根据风轮的转速和功率要求，选取合适的发电机类型，如永磁发电机或同步发电机。
同时，发电机的绝缘、冷却和保护系统也需要充分设计，以确保其正常运行和安全性。
3. 控制系统设计：控制系统是风力发电机组的大脑，用于调节风轮转速和传动系统的运行。
其设计应考虑风速、输出功率、负荷变化等因素。
控制系统应具备高精度、高可靠性和自适应性能，以保证风力发电机组在不同工况下的高效运行。
风力机叶轮设计.
5位数翼型族 美国NACA 6位数翼型族 德国DVL 1、7、8族等 各种修改翼型
英国RAF
命名规则：NACA XYZZ X-----------相对弯度 Y------------最大弯度位置 ZZ----------相对厚度
苏联ЦΑΓИ
叶片优化设计方法 Matlab参与计算 右侧图片的设计过程是按照Glauert 理论设计模型，Willson设计模型设计
风力发电机叶片设计
叶片形状设计 理论基础 现有翼型及其特点 辅助优化设计方法 制造材料和工艺 现有各种制造材料及其特性的介绍 制造工艺介绍
叶片和翼型的几何形状与空气动力特性
翼型的参数
l -----翼型的弦长，A点到B点的长度 C -----最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度 f -----翼型中线最大弯度
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。
假设作用在风轮上的轴向推力与扫掠面积成正比，则
dT v 2dS 2v 2rdr
考虑静止的翼型受到风吹，风的速度为 此时，作用在叶片上的力
v
，方向与翼型截面平行。
F
1 C r Sv 2 2
同时，这个力可以分解为平行于气流速度的阻力D与垂直于气流速度的升力L
1 C d Sv 2 2 1 L C lSv 2 2
风力机叶轮设计解析
ldr cos
将上式投影到转轴上，设叶片数为n，则轴向推力为
dT
1 2
Cln
v2
sin2
cos( cos
) ldr
与上文相同的式子等同，则得到
Clnl
4r
sin2 cos( )
已知在最佳运行条件下
v
2 3
v1
，则
cot
r v
3 r 2 v1
3
2
为叶尖速比---------叶尖圆周速度与风速的比值
-----攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角 0 -----零升力角，弦线与零升力线之间的夹角 -----升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角
理论基础
风能计算
由一般的流体力学可知，气流的动能可以表示为：
E
1 mv 2
2
设单位时间内气流流过的单位面积 S 的气体体积为 V ，气体密度为
则气流所具有的动能表示为
E
1 2
Sv 3
其中密度和风速随着地理位置，海拔高度，地形等因素而改变， 速度为主要因素
贝茨理论
假设条件 叶轮没有轮毂，具有无限多叶片 气流通过风轮时没有阻力 气流经过整个风轮面时是均匀的 气流速度方向在风轮前后通过风轮时是沿风轮轴线方向 气体为不可压缩气体
连续性条件 S1v1 S2v 2
作用在风机上的力
风力发电机叶片设计
叶片形状设计 理论基础 现有翼型及其特点 辅助优化设计方法
制造材料和工艺
现有各种制造材料及其特性的介绍 制造工艺介绍
叶片和翼型的几何形状与空气动力特性
翼型的参数
l -----翼型的弦长，A点到B点的长度 C -----最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度 f -----翼型中线最大弯度
海上风力发电风轮叶片静态变形分析与优化设计
海上风力发电风轮叶片静态变形分析与优化设计1. 引言海上风力发电作为可再生能源的重要组成部分，在解决能源危机及减少碳排放方面具有巨大潜力。
而风力发电的核心设备之一，即风轮叶片的设计与优化对于风机的性能和效率至关重要。
本文将对海上风力发电风轮叶片的静态变形进行分析，并针对变形问题进行优化设计。
2. 风轮叶片的静态变形风轮叶片在运行过程中受到复杂的气动和结构载荷的作用，容易出现静态变形问题。
而静态变形会导致风轮叶片的气动性能下降、动态平衡失调以及结构破坏等不良影响。
静态变形主要包括弯曲、挠度、变形角度等。
弯曲会导致风叶受力不均匀，进而影响到风叶的整体强度和稳定性。
挠度则会导致风轮叶片的形状变化，影响气动性能。
变形角度的改变会导致发电效率下降，损失大量的风能。
3. 静态变形分析方法为了准确分析风轮叶片的静态变形情况，我们可以使用有限元分析方法。
有限元分析方法是一种常用的结构力学分析方法，通过将结构离散化成有限个节点和单元，利用构成方程和位移约束等条件进行求解，得到结构的应力、位移等信息。
在进行有限元分析时，需要建立风轮叶片的几何模型，并设置适当的边界条件和载荷。
通过有限元分析软件进行计算，可以获得风轮叶片在各工况下的应力、位移、变形等数据，从而评估风轮叶片的静态变形情况。
4. 静态变形优化设计针对风轮叶片的静态变形问题，可以采用多种方法进行优化设计，例如材料选择、结构设计和几何形状优化等。
首先，材料选择是优化设计的重要一环。
通过选用高强度、低密度、具有良好抗变形性能的材料，可以有效减小风轮叶片的静态变形。
同时，还需考虑材料的成本和可加工性等因素，找到最优的材料选择方案。
其次，结构设计是静态变形优化的关键。
通过加强风轮叶片的结构刚度、提高连接处的强度，可以有效减小静态变形。
此外，采用多层复合材料结构、加入加强筋等结构设计方法也可以提升风轮叶片的整体性能。
最后，几何形状优化是静态变形优化的重要手段。
通过优化风轮叶片的形状，包括模型的扭转角、锥度和厚度等参数，可以进一步减小静态变形，并提高风轮叶片的气动性能和发电效率。
风车设计方案
风车设计方案1. 背景介绍随着可再生能源的需求不断增长，风能发电已成为一种越来越受欢迎的清洁能源。
风力发电机是通过风力驱动转子旋转，再将旋转的机械能转化为电能的一种设备。
其中风轮是风力发电机中最核心的部分，也是风电场中最能吸引人眼球的景观之一。
因此，设计出一款外观美观、效率高、可靠性强的风轮，对于促进风力发电的发展有着重要意义。
2. 设计要求2.1 外观美观风能发电站除了作为电力设施以外，也是一道城市景观，因此，风车的外观设计要美观大方、充满现代感。
设计要注重与周围环境的协调，能够完美融合到自然山水之中。
2.2 效率高风轮是风能转换的核心部件，风轮的结构和设计会直接影响风能转换的效率。
因此，设计要在保证美观的前提下，尽可能地提高能量转换效率和稳定性。
2.3 可靠性强风轮的运转环境十分恶劣，要经受住长时间的高速自旋，同时还要面对复杂的环境冲击，如台风、雷电等。
因此，设计要考虑风轮的稳定性和可靠性，确保其在各种极端天气条件下都能安全运行。
3. 设计方案3.1 结构设计风轮的结构设计是影响风能转换效率和风轮寿命的重要因素之一。
为了提高风能转换效率，设计了一种新型的桶形风轮。
与传统的半球形和平板形风轮相比，桶形风轮的采风面积更大，能够充分利用风资源。
而且，通过减小桶形风轮的前缘曲率，避免了流线分离的可能，进一步提高风能转换效率。
3.2 材料选择为了确保风轮的稳定性和耐久性，选用了重量轻、强度高的碳纤维材料作为风轮的主要材料。
碳纤维具有极高的强度和刚度，同时重量很轻，不会给整个风力发电设施的支撑结构带来过多的负荷，从而提高了风力发电设施的稳定性。
3.3 自适应控制系统风轮在运行中会受到很多不同方向、不同强度的风力干扰，这些干扰会影响风能转换的效率和设备的寿命。
因此，设计了一种自适应控制系统，能够根据外界环境和风车自身状态来调整风轮的旋转速度和方向，以最优化风能转换效率，并尽量减少设备损耗。
4. 结论通过以上方案的设计和分析，可以得出如下结论：•桶形风轮设计能够更好地利用风能，并提高风能转换效率。
风力发电机设计和性能优化
风力发电机设计和性能优化摘要：本文旨在探讨风力发电机的设计原理和性能优化方法。
首先介绍了风力发电机的工作原理和基本组成部分，然后详细分析了影响风力发电机性能的关键因素，并提出了优化设计方法。
最后，通过数值模拟和实例分析，验证了该方法的有效性。
1. 引言随着能源需求的不断增长和环境问题的加剧，清洁能源的研究和利用逐渐受到全球关注。
风力发电作为一种可再生资源的重要来源，具有巨大的潜力。
因此，风力发电机的设计和性能优化成为了一个热门话题。
2. 风力发电机的工作原理和基本组成部分风力发电机通过利用风的动力来转动风轮，进而驱动发电机工作。
其基本组成部分包括风轮、转轴、发电机和控制系统。
2.1 风轮风轮是风力发电机的核心部件，其作用是将风的动能转化为机械能，进而带动转轴和发电机运转。
常见的风轮有水平轴风轮和垂直轴风轮两种类型，每种类型都有其适用的环境和优点。
2.2 转轴转轴连接风轮和发电机，承受风轮的旋转力矩和发电机的输出功率。
转轴的材料和结构设计直接影响风力发电机的性能和寿命。
2.3 发电机发电机是将机械能转化为电能的关键部件。
常用的发电机类型有永磁同步发电机和感应发电机，根据具体需求选用适当的发电机类型。
2.4 控制系统控制系统用于监测风力发电机的运行状态和性能，并根据需要进行调节，以提高发电效率和保护设备。
控制系统包括风速监测模块、转速控制模块和故障诊断模块等。
3. 影响风力发电机性能的关键因素风力发电机的性能受多个因素影响，包括风能资源、风轮和转轴设计、发电机类型和控制策略等。
3.1 风能资源风能资源是风力发电机的动力来源，其分布和强度对发电机的输出能力有直接影响。
因此，在选择风力发电机位置时，需要充分考虑当地的风能资源和地形条件。
3.2 风轮和转轴设计风轮和转轴的设计直接决定了发电机的转速和输出功率。
合理的风轮和转轴设计可以提高发电机的转化效率，降低振动噪声，延长设备寿命。
3.3 发电机类型不同类型的发电机有着不同的特点和适应环境。
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第3章㊀风力机风轮的性能和设计方案3．1㊀引言本章主要介绍风力机风轮及其相关部件,侧重于风轮分类㊁设计方案㊁性能及关键的设计要求㊂将介绍广泛用于现代风力机组的不同类型风轮,尤其是其设计的简洁性和可靠性㊂一维(1D)㊁二维(2D)和三维(3D)的气动分析将应用在风力机风轮中,重点是功率系数和升力系数的分析㊂首先,对理想风轮结构设计的一维简单模型进行评估,以确定轴向速度㊁风轮的压降和作用在控制体上压力的轴向分力的关键作用㊂通过它们对轴向速度的影响,将确定循环控制流的关键参数㊂在本章将引述造成尾流速度跳变的原因,定义静态不可压缩无摩擦气流的条件和参数㊂在从风轮后侧到风轮前侧的远上游地区可以合理运用伯努利方程㊂理想风轮的轴向动量方程可以运用某些假设推导得到㊂作为轴向诱导因子和轴向风速的函数,将推导出风轮转速的表达式㊂㊀㊀风轮的类型及其性能本章将简要介绍风力机风轮及其性能和关键性能参数㊂上风向和下风向风轮广泛应用于水平轴风力机,而萨窝纽斯风轮和达里厄式风轮最适合用于垂直轴风力机㊂当叶尖速比为1~2．5时,萨窝纽斯风轮的效率通常很低,当叶尖速比超过3时效率会提高㊂当叶尖速比为3和4时,风轮效率分别为53%和57%㊂在叶尖速比为5~10时,萨窝纽斯风轮具有高于58%的恒定效率㊂定义叶尖速比为叶尖速与初始风速的比值㊂在叶尖速比为5~7时,达里厄式风轮的效率约为28%~32%,当叶尖速比为6时效率达到最大33%㊂由于其相对较低的效率,达里厄式风轮只用于小容量风力机㊂上风向和下风向风轮的效率更高,通常用于水平轴风力机和螺旋桨式风车㊂风车风轮的理想效率很高:当叶尖速比为1㊁2㊁3㊁4㊁5㊁6和7时,效率分别为41．5%㊁51．2%㊁54．8%㊁57．2%㊁57．5%和58%㊂上风向和下风向风轮最适合用于在高叶尖速比下运行的大容量风力机㊂㊀㊀叶片螺旋叶片是风力机风轮最关键的部分㊂风轮设计阶段,风轮的性能㊁安全性和机械完整性相当重要㊂无论何种风况,风轮叶片必须遵循空气动力学和流体力学的原理以获得最佳性能㊂水平轴风力机和垂直轴风力机叶片的设计结构和性能要求不同㊂作者的初步研究表明,当升阻比减小时,增大叶尖速比可以使效率最大或功率系数最高㊂进一步的研究表明,叶片所有的部分必须倾斜,以确保最小的升阻比㊂叶片的设计结构和性能要求将在第4章中详细讨论㊂3．2㊀理想风轮的一维理论在使用叶素理论(BEM)前必须对理想风轮的简单一维模型进行研究㊂如前所述,风力机从风的动能中提取机械能,在实现这一目标中风轮发挥着关键作用㊂简单的一维模型中的风轮是渗透性的圆盘㊂圆盘被视为一个理想的例子,因为它是光滑的,而且在尾流中没有旋转速度分量㊂这些是理想风轮的两个基本条件㊂圆盘是阻力设备,把风轮远上游的初始风速V 0在风轮处降至u ,最后降至u 1,如图3-1所示㊂在这些条件下,流线必须按图示进行分离㊂阻力来自风轮两端的压降㊂压降取决于空气密度ρ,初始风速V 0和风轮处的最终风速u 1,这很容易从风轮两端压降的表达式看出来㊂图3-1㊀阻力动态特性在风轮上游测,压力有微小的上升,在不间断的压降Δp 之前,风轮上的压力从p 1增大到p ㊂注意在风轮的下游作用区域,压力不断地恢复到大气水平㊂在此过程中,马赫数很小,空气密度是常数,轴向风速从V 0减小到u 1,如图3-1所示㊂压力与轴向风速之间的关系也如图中所示㊂基于理想风轮的假设,可以建立所涉及的各种风速㊁产生的推力T 和吸收的轴功率P 之间的数学关系㊂产生的推力的表达式可以写为T =ΔpA(3-1)式中,Δp 是风轮上的压降;A 是风轮面积㊂该面积可以表示为A =πR 2(3-2)式中,R 是风轮半径㊂因为气流平稳㊁不可压缩㊁无摩擦,故风轮的上游或下游流体不受外力作用㊂伯努利方程在这些条件下有效;上游和下游的风轮压力表达式可以写为p 0+(1/2)ρV 20=p +(1/2)ρu 2(3-3a)p -Δp -(1/2)ρu 2=p 0+(1/2)ρu 21(3-3b)85㊀风力机技术结合这两个方程,压力的表达式可变形为Δp =(1/2)ρ(V 20-u 21)(3-4)上述式中,ρ是空气密度(1．225kg /m 3);p 是大气压力p 0上升后的压力;V 0是风轮远上游处的风速;u 是风轮平面上的风速;u 1是尾流风速,如图3-1所示㊂3．2．1㊀积分形式的轴向动量方程积分形式的轴向动量方程可以应用于横截面面积为A cv 的圆形控制体,如图3-2中虚线所示,可以表示为ʏ/ʏt ʏʏʏcv ρu (x ,y ,z )d x d y d z +ʏʏcv u (x ,y ,z )ρV d A =F ext +F Press (3-5)式中,d A 是控制体表面长度等于此元素领域无穷小部分正方向的矢量;V 通常是元素所在区域风速的矢量;F press 是作用于控制体上压力的轴向分量;F ext 是与压力平行的外力分量㊂由于假设流体是稳定的,式(3-5)中的第一项是零,最后一项也是零,因为压力在平面的末端具有相等的大气等级,并且作用在风轮的相同处㊂如图3-2所示,注意压力在控制体(cv)的外侧边界上没有轴向分量㊂在理想风轮的假设下,式(3-5)可以表示为ρu 21A 1+ρV 20(A cv -A 1)+(d m side /d tV 0)-ρV 20A cv =-T (3-6)图3-2㊀轴向动量式中,T 是由风轮上的压降产生的作用于相反方向的推力,如前所述,它将初始风速V 0减小到u 1;(d m side /d t )是质量守恒方程的参数㊂质量守恒的表达式为ρA 1u 1+ρV 0A cv -ρV 0A 1+d m side /d t =ρV 0A cv(3-7)此方程给出了(d m side /d t )的表达式,可以写成d m side /d t =ρA 1(V 0-u 1)(3-8)运用质量守恒的概念,并结合式(3-6)和式(3-8),可得扭矩表达式T =ρuA (V 0-u 1)(3-9a)=(d m side /d t )(V 0-u 1)(3-9b)㊀㊀由式(3-1)和式(3-9a)整理可得(1/2)ρA (V 20-u 21)=ρuA (V 0-u 1)(3-10)㊀㊀整理后此公式可以表示为95第3章㊀风力机风轮的性能和设计方案㊀06㊀风力机技术(ρuA(V0-u1)=(1/2)ρA(V0+u1)(V0-u1)㊀㊀这意味着风轮平面上风速的表达式可以写成u=(1/2)(V0+u1)(3-11)㊀㊀式(3-11)证明在风轮平面上风速度u是风速V0和尾流的最终速度u1的平均值㊂3．2．2㊀运用交变控制体的一维动量理论具有交变控制体的风力机结构如图3-3所示㊂由分布在控制体外侧的压力产生的力F press是未知的,而由净压力产生的力F press已知㊂在交变控制体的情况下,由于控制体与流线对齐,没有质量流体流过其外侧边界,如图3-3所示㊂在这种情况下,转矩T的轴向动量方程可以写成T=ρuA(V0-u1)+F press(3-12)图3-3㊀具有交变控制体的风力机㊀㊀由控制体上的压力产生的沿流线方向的力为零,如图3-3所示㊂因为流体无摩擦,所以风能从入口到出口不会改变㊂涡轮轴功率P的表达式可以表示为P=能量/时间=[(1/2)mV2]/(时间)(3-13)㊀㊀可通过对控制体使用积分能量方程(3-5)得到轴功率,如图3-3所示㊂将图3-3中所示的参数代入式(3-13),轴功率的表达式为P=(d m/d t)(1/2)[V20+(2P0/ρ)-u21-(2P0/ρ)]=(1/2d m/d t)(V20-u21)(3-14)㊀㊀由式(3-9a)和式(3-9b),可得质量导数d m/d t=ρuA(3-15)㊀㊀将式(3-15)代入式(3-14)中,轴功率的表达式可化简为P=[(1/2)ρuA](V20-u21)(3-16)㊀㊀如果诱导因子I f被定义为I f=1-(u/V0),u=(1-I f)V0(3-17)㊀㊀将式(3-17)代入到式(3-11)中整理各项得u 1=2u -V 0=[(2u /V 0)-1]V 0(3-18)=[2(1-I f )-1]V 0=(1-2I f )V 0(3-19)㊀㊀将式(3-17)和式(3-19)代入式(3-16)中,得到轴功率表达式P =[(1/2)ρuA ][V 20-(1-2I f )2V 20]=[(1/2)ρA (u /V 0)][1-(1-2I f )2][V 30]=[(1/2)ρA (1-I f )][1-1-4I 2f +4I f ]V 30=[(1/2)ρAV 30][(1-I f )(4I f )(1-I f )]㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀P =(2ρAV 30)[I f (1-I f )2](3-20)㊀㊀将式(3-9a)代入式(3-19)得到转矩表达式T =[(ρuA )][V 0-(1-2I f )V 0]=(ρA )(u /V 0)(V 20)(2I f )=(2ρAV 20)[I f (1-I f )](3-21)式中,I f 是轴向诱导因子;ρ是风轮材料的密度(质量/体积)㊂横截面上的有效功率等于扫略面积为A 的风轮上的功率,可以表示为P avail =(1/2)ρAV 30(3-22)3．2．3㊀理想一维风力机的功率系数风力机的功率系数C p 可以写为C p =轴功率/有功功率=式(3-20)/式(3-22)=(2ρAV 30)[I f (1-I f )2]/[(1/2)ρAV 30]=4I f (1-I f )2(3-23)㊀㊀变量的数量关系如图3-4所示㊂图3-4㊀一维风力机的功率系数变化图3．2．4㊀理想一维风力机的推力系数理想一维风力机的推力系数的表达式为C T =生成的轴向升力/有效升力16第3章㊀风力机风轮的性能和设计方案㊀=式(3-21)/[(1/2)ρAV 20]=(2ρAV 20)[I f -(1-I f )]/[(1/2)ρAV 20]=4I f (1-I f )(3-24)转矩系数的计算值如图3-5所示㊂由关于轴向诱导因子的微分方程(3-23)可以得到理想一维风力机的最大功率系数d C p /d I f =4[(-2I f )(1-I f )+(1-I f )2]=4(3I f 2-4I f +1)=4[(1-I f )(1-3I f )](3-25)㊀㊀理想一维风力机的功率因数和转矩系数的计算值是轴向诱导因子I f 的函数,如表3-1所示㊂这些计算值表明当参数I f 等于0．3时功率因数最大,而当轴向诱导因子等于0．5时转矩系数最大㊂这些系数的最大值可以通过图3-4所示的曲线进行验证㊂重要的是,对于理想风力机,当I f 等于0．3时,最大理论功率因数等于16/27或0．5926,这就是贝兹极限㊂另一方面,当轴向诱导因子等于0．5时风力机的最大理论转矩系数计算汇总如图3-5所示㊂表3-1 功率因数和转矩系数作为轴向诱导因子的函数的计算值轴向诱导因子I f 功率因数C p 转矩系数C T 0．00000000．10．3240．3600．20．5120．6400．30．5880．8400．40．5760．9600．50．5001．0000．60．3840．9600．70．2520．8400．80．1280．6400．90．0360．3601．0000000图3-5㊀转矩系数的计算值26㊀风力机技术值得注意的是,由不同的气动科学家得到的推力系数测定数据表明,对于风轮的不同状态轴向诱导因子具有略高的值,包括风车状态㊁湍流尾流状态和涡环状态㊂测定的数据进一步表明,如果动量理论对于很大的诱导因子是有效的,那么风速矢量会对湍流状态产生负面的影响;这在式(3-19)中很容易看到㊂换句话说,如果轴向诱导因子大于0．5,那么动量理论在湍流状态中无效,风速矢量V 0将成为负数,如式(3-19)所示㊂此外,在湍流状态随着推力系数C T 的增大湍流扩大,同时风速矢量从V 0变为u 1㊂基于上述论证,高推力系数C T 和高轴向诱导因子I f 表明风力机能够在低风速下运行㊂当诱导因子大于0．4时不适用动量理论的原因是,当速度跳变(V 0-u 1)太大时,湍流的边缘自由切变层变得不稳定,形成涡流(见图3-6)㊂值得一提的是,湍流状态是由不稳定的切变流引起的,如图3-7所示㊂图3-6㊀由速度跳变引起的不稳定尾流导致的边缘效应㊀㊀图3-7㊀由边缘处的不稳定切变流引起的湍流尾流状态3．2．5㊀旋转效应理想风轮的尾流是不旋转的,这意味着轴向诱导因子是零㊂由于现代风力机包含无定子的单风轮风力机,因此尾流能够旋转,这可以从风力机的输入计算公式中得到验证㊂当这个方程应用到具有无穷小厚度(d r )的控制体时,无穷小控制体的功率表达式为d P =(d m /d t )ωrC θ=(2πr )2ρuωC θd r (3-26)式中,m 是质量;ω是角速度或旋转速度;ρ是空气密度;u 是通过风轮的轴向风速;r 为半径;C θ是绝对速度的方位角分量C =(C θ,C r ,C a ),式中这些绝对速度分量分别与半径㊁方位角和轴向平行,如图3-8所示㊂图中表示出风轮截面的速度三角形,并标出了叶片下游的各种速度分量㊂一维理想风力机湍流状态的扩张和速度跳变也可以在图中看出㊂36第3章㊀风力机风轮的性能和设计方案㊀对于给定的功率水平P 和风速,尾流状态的方位角速度分量C θ随着风轮转速ω的增加而减小㊂高速旋转的风轮对于风力机是必需的,以实现高效率,减少旋转后尾流中的动能损失㊂因为通过风轮的轴向速度V 0与轴向诱导因子有关,由式(3-17)定义,所以尾流的风轮转速可以表示为C θ=2Iᶄ㊀f ωr (3-27)V 0(1-I f )(3-28)图3-8㊀绝对速度分量式中,Iᶄ㊀f 指尾流处的诱导因素㊂将式(3-27)代入式(3-26)可得d P =[4πρω2V 0Iᶄ㊀f (1-I f )r 3]d r (3-29)总风轮功率可以通过对d P 从0到R 积分来确定:P =4πρω3V 0ʏIᶄ㊀f (1-I f )r 3d r基于势流理论失速状态下的攻角,其反作用力垂直于风速,如风轮叶片看到的㊂功率因数没有量纲,可以通过下面的表达式由λ从0．5~7．5的积分获得,可以表示为C p =(8/λ2)ʏIᶄ㊀f (1-I f )x 3d x (3-29a)λ=ωR /V 0(3-29b)式中,λ是叶尖速比,现代风力发电机组的叶尖速比的范围从0．5~7．5;V 0是风速㊂令参数I f 等于0．3,参数Iᶄ㊀f 等于0．5,把不同的λ值代入,可以得到贝兹极限的最佳功率系数16/27,当Iᶄ㊀f 等于零时推导出尾流的转速为零㊂考虑贝兹极限中的尾流旋转效应,计算出的最佳的功率系数与先前的无尾流效应的计算值不同㊂x 2Iᶄ㊀f (1+Iᶄ㊀f )=I f (1-I f )(3-30)其中x =ωr /V 0(3-31)计算值和参数x 的许多值是轴向诱导因子的函数,如图3-9所示㊂风轮失速状态下的攻角满足优化条件,包含参数I f 和Iᶄ㊀f 的表达式为(1-I f )d Iᶄ㊀f /d I f =Iᶄ㊀f (3-32)参照参数I f 的微分方程(3-30),可得(1+2Iᶄ㊀f )(d Iᶄ㊀f /d I f )x 2=1-2I f(3-33)将式(3-32)代入式(3-33),比较新等式与式(3-30)的系数,结果得[1+2Iᶄ㊀f /(1+Iᶄ㊀f )]=(1-2I f )/I f (3-34)46㊀风力机技术求解方程并整理各项可得Iᶄ㊀f =(1-3I f )/(4I f -1)(3-35)将I f 的不同值代入式(3-35)中得到Iᶄ㊀f 的值,总结并表示为I f 的函数,如图3-8所示㊂将计算结果代入式(3-30)得到x 的值,表示成I f 的函数如图3-9所示㊂图3-9㊀参数x 是轴向诱导因子的函数3．2．6㊀风轮的叶尖速比风力机风轮的叶尖速比取决于风轮的叶片数㊂大多数商业风力机是三叶片风轮㊂然而,风力机也有两叶片和单叶片风轮㊂叶片少的主要优点是减轻重量㊁减少风轮及其组件的费用㊂但是,只有在叶片数量较多时才有可能获得最大的风能捕获㊂叶片数和涡轮效率必须进行权衡分析,以确保经济性能的高效㊂对于高容量风力机,叶片和轮毂的连接必须精确来保证不同风况下的机械完整性㊂单叶片或两叶片的风力机,正确安装可以确保它们在垂直面上的灵活性㊂在所谓的摇摆轮毂上,两个叶片可以通过轮毂转过一定角度,从而减小风力机负载,得到更高的系统稳定性㊂通过有效的方式获得风能,风轮必须有与其尺寸相适应的旋转速度,即合适的风轮直径和风速㊂换句话说,风轮必须具有有效的叶尖速比㊂作者对叶尖速度要求的研究表明,风力机的叶尖速比严格取决于风轮上安装叶片的数目㊂研究进一步指出,较少的叶片能够增加叶尖速比㊂换句话说,对于具有相同风轮直径的风力机来说,单叶片涡轮机比两叶片涡轮机需要更高的转速,同理双叶片涡轮机比三叶片涡轮机需要更高的转速,还需要复杂的齿轮箱设计㊂叶尖速比λ㊁转速ω和风轮尺寸R 之间存在紧密的联系㊂叶尖速比定义为叶片的叶尖速度与初始风速V 0之比㊂即叶尖速比的表达式可以表示为λ=V tip /V 0(3-36)56第3章㊀风力机风轮的性能和设计方案㊀重要的是要明确在给定转速时,叶尖速度随着叶片长度或半径的增加而增大㊂转速ω的单位为转每分钟(r/min),叶尖速度和风速的单位为米每秒(m/s)㊂叶尖速度可以表示为V tip=ω2πR/60(m/s)(3-37)式中,ω是转速(r/min);R是风轮半径或长度(m)㊂叶尖速度的计算值是风轮半径和旋转速度的函数,如表3-2所示㊂表3-2 风轮的叶尖速度是半径和转速的函数风轮半径R/m转速ω/(r/min) 101520253010101520253020203040506030304560759040406080100125505075*********需要注意的是大容量风力机有更长的叶片,它在远远低于50r/min的转速下运行,来减少环境噪声,保持风力机的结构完整性㊂当风力机叶片旋转时,叶片的叶尖速度比叶片的中部速度高㊂例如,20m长的叶片,转速为30r/min的风力机,叶尖速度将达到60m/s,但叶片中部的速度仅为30m/s㊂图3-10展示了六叶片㊁三叶片和两叶片的风力机的叶片数目与叶尖速度之间的关系㊂由于从叶根到叶尖,叶片各段的速度增加,所以表面风向也将改变㊂如果风从叶根移动到叶尖,表面风向将逐渐移向垂直平面㊂因此,要使整个叶片轴的攻角相等,叶片必须扭转,如图3-10所示㊂因为叶片的扭转,表面风向沿叶片轴,大小为9m/s的风速是明显的㊂表面风向与垂直平面的夹角φ,在叶根27ʎ到叶尖的6ʎ之间变化,如图3-10中所示㊂重点是在给定的风况下,通过叶片扭转可知,趋向叶尖时,φ增加,攻角α保持不变㊂表面风向角可以表示为φ=α+β(3-38)式中,α是攻角(保持尽可能的小);β是桨距角,通常称为安装角㊂重点提及的是,初始风速V undist将从风轮圆盘正前方假定的风速9m/s降低到它的2/3㊂表面风向与垂直平面的夹角以及不同叶片部位的初始风速大小的估计值概括如表3-3所示㊂列表提供了初始风速沿叶片半径或长度不同点的估计数㊂显然,速度在叶尖最大而在叶根最小㊂这意味着离心力和弯矩在叶尖处会很大㊂66㊀风力机技术图3-10㊀叶片数和叶尖速度的关系表3-3 风轮圆盘前面的初始风速是叶片半径的函数叶片半径位置β/(ʎ)原始风速V undist/(m/s)叶尖6600．8倍半径7480．6倍半径9360．4倍半径14260．2倍半径2712翼型特性风力机的高效设计严格取决于翼型的配置和特性㊂翼型特性可以从基于风洞剖面图结果的关系图中获得㊂这些测试结果首先表明了攻角和升力系数C L的关系;其次,升阻比的图显示出升力系数和阻力系数C D之间的关系㊂如果桨距角和转速是常量,在叶片的不同部位的攻角㊁升力系数㊁阻力系数和升阻力比将沿叶片轴不断改变㊂需要重点指出的是,攻角对确定翼型的失速点起着关键作用,图中升力系数是攻角的函数㊂翼型图描述了初始升力从攻角最小-4ʎ到最大15ʎ,然后减小㊂在这种很大的攻角下,气流不能粘住翼型表面,从而导致湍流效应,在这种情况下翼型开始失速㊂在攻角高达7ʎ时,翼型是最高效的,可以将系数统一列表㊂一些风力机设计图3-11㊀切向力的组成师喜欢用攻角等于0．1rad 或5．73ʎ,在忽略风况和失速的可能性的条件下,实现高效㊁安全的风力机性能㊂各种翼型的设计配置已经在风力机设计中进行了研究和开发,侧重于风轮叶片的结构完整性㊂当气流经过翼型时,在表面风的方向产生阻力D ,升力L 与阻力垂直㊂这两个力的合力L res 由两部分组成:有效力(或切向力)和无效力(也称为推力)㊂切向力被认为是有效的,当作用于旋转平面时,它为风轮提供旋转动力㊂因为由具有很大切向力的翼型产生的旋转特性,是风力机的主要要求㊂注意叶片的剖面有几个不同的厚度㊂翼型类型中的最后两位数字表示相对厚度(即厚度比宽度的百分数值)㊂例如,对于翼型配置NACA4412,翼型的最大厚度是宽度的12%㊂在风力机中,叶片产生的升力用于使风轮旋转,但切向力与升力不同㊂此外,升力总是与表面风向垂直㊂风轮叶片与旋转平面有一定的角度,但是翼型会在表面风向上产生一些摩擦或阻力D ,如图3-11所示㊂这些力产生的切向力F CIRC 作用在旋转平面上㊂与旋转平面垂直的推力称为F Cthrust ㊂向心力与推力相比很小,但因为旋转的速度很高,产生的功率很大㊂如图3-11所示㊂3．3㊀二维气动模型风力机的叶片很长,展向的速度分量远低于流体流向的速度分量㊂在这种情况下,我们假定在许多气动模型中,给定的径向位置处的气流是二维的,而且二维翼型的数据可以应用㊂注意二维流体表示一个平面,如果这个平面是x ㊁y ㊁z 坐标系,如图3-11a 所示,在z 方向的流体速度分量将为零㊂二维气动模型的翼型结构将翼型拉伸到风的无限跨度来实现二维流动是必要的㊂在实际应用中,在真正的机翼中,翼弦和扭矩沿跨度变化㊂风在轮毂处开始在叶尖处结束㊂然而,对于风力机中使用的细长机翼,气动科学家表示,如果攻角随机翼后面的尾流变化,则可以使用力的局部二维数据㊂他们进一步声称,二维气动模型对于风力机风轮设计是实用的㊂气流的反作用力由两个部分组成,即垂直于气流速度的部分和平行于气流速度的部分㊂如果翼型是为飞机设计的,则升阻力比(L/D)应最小㊂对于应用在风力机中的翼型设计,升阻力比应最大,而且阻力应该由推动系统来平衡,以保持恒速㊂阻力越小,所需的动力便越少㊂阻力系数C D和升力系数C L的表达式为C D=D/(1/2)ρV20c(3-39)C L=L/(1/2)ρV20c(3-40)式中,D是阻力;L是升力;ρ是空气密度;c是翼型的弦或长度;V0是流体速度,弦被定义为从后缘到前缘的直线㊂升力的物理解释是翼型的形状使流线在几何周围简化成曲线,如图3-11b所示㊂基本流体力学理论指出,压力梯度在曲率半径r和速度V下的简化曲线是必要的㊂压力梯度就像做圆周运动的粒子所产生的向心力㊂由于当前的大气压P0远离翼型,翼型的上侧压力低于大气压,而翼型较低一侧的压力高于大气压,如图3-11b所示㊂阻力和升力都取决于攻角㊂如果已知沿叶片的升力系数和阻力系数,那么分布在叶片上的力就很容易计算㊂全局负荷如输出功率㊁叶根弯曲时刻等可以通过对沿跨度分布的积分来确定㊂边界元方法可用于计算轴向和切向的诱导因子以及风力机的负荷㊂涡流理论可以用于计算与诱导因子有关的涡旋诱导速度㊂3．4㊀有限翼长的三维气动模型本节定性地描述了流过三维翼型的流体,展向升力分布如何改变上游流体及局部攻角㊂如各种教科书所述,基本涡流理论对此模型具有关键作用㊂涡流理论不直接用于边界元方法中,只是应用了其基本概念㊂这里介绍的内容对于涡流理论知识有限的读者可能很抽象㊂3．4．1㊀受流过翼型气流影响的参数翼型是叶片横截面,相当于一个有限长度的梁,因而在翼的上侧和下侧之间会产生压差㊂压差产生升力㊂此外,翼尖是其周围气流从较低侧流向较高侧的泄漏位置㊂流过机翼表面的气流向内偏转,而流过机翼下方的气流向外偏转㊂由于叶尖处的泄露,因此在后缘会有切向速度的跳变㊂这种速度跳变将创建机翼后面尾流中流向速度的一个连续的表,此表称为旋涡,如图3-12所示㊂㊀㊀气动学理论的经典文献揭示了涡旋线的强度Г可以对攻角较小的翼型绕流建模㊂这是由于攻角较小的气流黏度为零,而且严格遵守线性的拉普拉斯方程㊂在这图3-12㊀旋涡种特殊情况下,升力都可以用库塔方程定义:L =ρV αXΓ(3-41)式中,α是空气密度;V α是攻角为α时的气流速度㊂基于此方程,机翼产生涡旋线的强度Г和升力L 可以对攻角较小,在展向升力分布方向使用一些涡旋线的机翼进行建模㊂然而,涡旋线无法在流体本质上终止,但边界上必须终止或封闭㊂简单来说,可以使用一系列的涡旋线来对完整的风建模㊂基于离散涡流的模型提出了合理的解决方案㊂当尾随(自由)旋涡模型的旋涡面来源于风的三维模型时,风的旋涡称为升力L 的绑定旋涡模型㊂可以得到涡旋线的强度Г㊁特定点的诱导速度W ,如图3-12所示㊂注意机翼某处的相对运动速度V 是风速和诱导速度W 的向量和㊂重点指出在翼尖处诱导速度有一个值可以确保升力为零㊂基于上述结论,可以说三维机翼与具有相同攻角和阻力的二维机翼相比升力降低㊂请注意,所有影响是由与三维机翼配置相关的涡系产生的下降气流所致㊂因为三维性受下降气流限制,展向升力分布气流与流向流体相比是很少的,如果几何攻角受下降气流影响,那么就可以使用二维数据㊂这种假设对风力机上的细长机翼来说是合理的㊂一种定性地确定顶点诱导速度相关值的方法是普朗特积分方程的解㊂重要的是要理解涡系是由三维机翼改变本地气流状况产生的㊂因为气流是局部二维的,所以当估算机翼上的作用力时不能应用几何攻角㊂3．4．2㊀科里奥利力和离心力旋转叶片的科里奥利力和离心力在分离边界层中发挥着重要作用,分离边界层一般产生在失速条件之后㊂在分离边界层,速度和动量与离心力相比都相对较小,离心力用于在展向升力分布向叶尖的方向启动泵流体㊂当流体径向流向叶尖时,科里奥利力朝向后缘并作为良好的压力梯度㊂向心力和科里奥利力的作用是改变失速后的二维翼型数据㊂汉森等人演示了在高风速下运行的现代风机叶片上极限流线的计算㊂极限流线的流动模式非常接近表面㊂3．4．3㊀现代风力机涡系水平轴风力机是广泛应用的,它用最低的成本产生大量的电能而且结构复杂㊂水平轴风力机风轮由若干形状像翅膀的叶片组成㊂如图3-13a 所示,如果风从旋转轴的径向距离r 处切入,可以观察到级联的翼型,如图3-13b 所示㊂攻角α由翼型。