风轮系统

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风轮系统知识分类
1. 2. 3. 4. 风轮简介和空气动力学 桨叶知识 轮毂知识 变桨系统知识
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1. 风轮种类和空气动力学
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风力发电机组风轮系统知识培训
运营部 技术中心
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风轮系统简介
风轮系统是风机 能量转换过程中，直 接吸收风能并将风能 转换为机械能的系统 ，它由桨叶、轮毂以 及变桨系统组成。
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风轮叶片数目的选择
对不不同叶片数量的风轮的相关指标进行比较，主要从 以下几个方面来考虑： 性能 风能的利用效率，载荷等 成本 风轮成本和其他部件成本 噪声 和风轮转速的5次方成正比 视觉效果 主观感觉 三个均布叶片在轮面上的惯性力和气动力较为均匀， 三叶片风机的动力学特性较好，对所有的部件影响较小。三 叶片风轮是叶片数目最少的类圆风轮，运行平稳，从视觉效 果看三叶片风轮运行均匀对称。 现代风电机组主要采用三叶片风轮设计。
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变桨控制和主动失速控制
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2. 叶片
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叶片本身的性能由翼型设计、内外部结构和所用材料 有关，而理想的风力机叶片技术指标为： 在确定的年平均风速下发电量要大（Cpmax大） 能对最大输出功率进行限制（失速型） 抗极限载荷和疲劳载荷性能好 限制叶尖挠度避免和塔架碰撞（上风向） 避免共振 质量小成本低
材料，树脂为基体。 优点：比重小、强度高、易成型、耐腐蚀性强、维护
少、易修补。CRFP材料强度更高，重量更新，但价格昂贵， 一般应用于长度40米以上的叶片中。 钢材主要用于叶片内部结构的连接件，叶片法兰上。
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叶片出厂前的性能测试
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风轮按照功率调节和控 制的方式可以分为： 定桨失速型 主动失速型 变桨距型
定桨失速型
变桨距型
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定桨失速型：桨叶和轮毂用螺栓固定连接，结构简单。 利用叶片的气动性能（失速）来限制功率的获取。
原理：在高风速情况下，叶片上攻角气流增大，使气 流在叶背上分离，从而使升力减小，减小能量的获取。 缺点：对叶片的气动性能要求高。失速过程复杂，气 流分离的条件难以精确给出，在短时大风变化的情况下， 会在传动系统中产生峰值转矩。
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对于风轮的叶片，当风流流过时，不仅会在来流方 向产生阻力分量，而且在垂直方向产生升力。
升力和阻力可以分为轴 向力和切向力分量，切向力 产生的转矩会做有用功，将 风能转变为机械能。 当升力系数与阻力系数 的比值越来越大时，风轮的 风能转化效率会更高。
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叶片的常见故障
叶片污染：叶片运行时间较长后，叶片表面会有雨水 无法清除的污染物附着或者风蚀，造成叶片污染，这样对 叶片的气动性能造成一些影响，影响发电量。 叶片噪声：叶片发出异常噪声可能是由于叶片表层或
顶层有破损，可用野外望远镜来观察。造成叶片破损的主 要原因是雷击或撞击等。 象。
Darrieus Type 垂直轴风力机
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如今，几乎所有并网的 商用风力机都采用水平轴两 叶片或者三叶片的风轮。 风轮在塔顶部，塔顶部 附近有更多的风能，湍流小。 需要主动对风轮进行偏 航，偏航系统设计较为复杂。 传动系统和发电机都位 于机舱内部
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风功率和风速关系
通过风轮的风功率与风速成立方曲线关系
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贝兹理论
当风以V1的速度通过风轮时，下游的风速为V2，通过风 轮的风能量不可能全部转化为机械能。 根据贝兹（Betz）理论，风轮在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留在尾流中的旋转动 能，风轮的风能转化为机械能的效率极限为0.593。 理想状态下 Cpmax=0.593 Cp为风能利用系数
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主动失速型：将叶片向失速方向变桨距，通过变桨实 现失速效应的主动控制（主动失速控制），叶片前缘将顺 风小范围内转动，也可称为失速变桨。
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变桨距型：桨叶和轮毂通过轴承连接，桨叶沿轴线转动。 在大风情况下，迎风变桨，通过变桨使气流攻角减小，从而 减小升力，达到限制功率输出的效果。 特点：这种功率控制方法比失速和主动失速控制平稳， 因为气流始终是附面流，但是需要较大的变桨角。
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P=100KW，D=34m， 德国，1958年
P=1250KW，D=53m， 美国，1941年
早期的单叶片和两叶片风电机组
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Enercon E112-4.5MW
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明阳 2.5MW
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风电机组的能量转换过程
由流体力学可知，气流的动能为： E=½mv² 式中m-------气体的质量 v--------气体的速度 单位时间内气流流过截面积为S的气体的体积为V，则 V=Sv 如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为 m= ρV= ρSv 风能的大小与气流密 这时气流的动能为 度和通过面积的成正 E=½ ρSv³ 比，与气流速度的立 方成正比
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叶片开裂：叶片表面出现开裂或者黏结处出现开裂现
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叶片的维护
需要定期观察叶片表面是 否污染，出现破损或者裂纹。 叶片表明收到污染时，需
要及时清洗。当叶片出现破损 或者裂纹时候，可以用玻璃纤 维进行修补，情况严重的话如 雷击损坏必须拆卸下来维修或 者更换。
本教材中只对水平轴风电机 组相关知识进行说明和讨论
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根据叶轮和塔架的位置关系可把水平轴风力机分为上 风向风力机和下风向风力机。 上风向风力机在塔架之前迎风运行，下风向风力机在 塔架只有迎风运行。 下风向风力机的缺点是，叶片会周期性的通过塔架的 尾流，产生附加噪声和激振力。 现在主流的风力机采取水平轴、上风向、两叶片或三 叶片设计。
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由于风功率随着风速的3次方增大，受风电机组机械结构 和电气系统特性影响，因此，当风速增大到一定程度时，风 电机组对风功率的获取必须要有所限定。
问题：怎么来限定 风电机组对风功率 的获取？
可以利用不同的气动 方案限制功率的输出
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1.5MW机组的风轮直径大 多为：70/77/82/87m
风轮叶片的主要结构为 梁、壳结构
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制造叶片的材料主要包括：玻璃纤维增强塑料
源自文库
（GFRP）、碳纤维增强塑料（CRFP）、木材、钢材等。 叶片大多采用复合材料，以玻璃纤维和碳纤维为增强
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风轮的种类
现代风力机是专门用来将空气动能转化为有效电能的 设备。利用风轮和风的相互作用产生的升力或拖拽力就 去驱动风轮转动。根据风轮轴的位置，风力机分为垂直 轴风力机与水平轴风力机。
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最成功的垂直轴风力机如图。 这种类型的风力机最显著的特征 是它的发电机及中间的传动装置 安放在地面上，而且不需要偏航。 由于维护困难，和整个机组会占 据大量空间，在过去的几十年里， 垂直轴的风力机使用越来越少。
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木材、环氧全壳结构
全半壳木材、环氧结构
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玻璃纤维结构
盒型梁玻璃纤维结构
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叶片在车间里的生产过程 大多采用真空灌脂工艺
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所以，根据贝兹理论，风力发电机组实际捕获的风能 为： E= ½ ρSv³Cp 从公式上可以看出，风力发电机组实际获取的能量和 空气密度、风轮的扫风面积、风速立方和Cp成正比。 想要风力发电机组的捕获更多的能量，尽可能提高Cp 是风力发电机组设计中应该考虑的关键因素。 Cp和风轮桨叶数量和叶尖速比有关，叶尖速比λ=ωr/v 式中ω为风轮角速度，r为风轮半径，v为风速。 下图为不同桨叶数的风电机组Cp和叶尖速比λ的关系。
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P=200KW，D=24m， 丹麦，1957年
P=2000KW，D=54m， 丹麦，1977年
早期的3叶片风电机组
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叶片的气动性能和其翼型设计有关，流过叶片表面 的气流速度和叶片各部位的载荷不一样，因此，叶片各 部位截面的形状有所不同，下图为叶片长度不同叶型的 分布。
气流失速可能导致叶片颠振，可在叶尖部加入流体 物质予以阻尼和限制，对于失速型叶片，为使气流在时 速时按叶背上预设的路径分离，可在叶背上设置涡流发 生器（俗称失速条）。
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风轮特性
风轮是把风能转化为旋转的机械能的部件，风能的 利用效率（Cp）大致上取决于风轮的设计。
风轮的关键特征体现在叶片数量、叶尖速比、风轮 直径和运行转速 风轮转速和风速通过叶尖速比相关联 λ=ωr/v
在风电技术的发展史上，有过单叶片、两叶片、 三叶片和多叶片风轮的不同尝试。
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叶片的维修
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国内叶片生产情况
主要风电机组叶片生产厂家有：LM、中航惠腾、 中材科技、协鑫、中复联众、上玻所、南玻所、国电联 合动力、保定天威等。
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叶尖速比
对于3叶片结构的风电机组
维持曲线上对应Cp值最大的λ（最佳叶尖速比）值 就可以保持最佳Cp，从而提高捕获风能的能力和效率。
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风轮直径和风轮转速
从公式E= ½ ρSv³Cp可以看出，风轮直径决定了风轮的 扫风面积，风轮直径越大，风电机组捕获的能量越多。 通过叶尖速比λ=ωr/v（式中ω为风轮角速度，r为风轮半 径，v为风速），将风轮直径、风轮转速和叶尖速比相关联。 风轮直径和风轮转速的确定参考以下几点： 风能的捕获能力 风轮的成本和难度 额定功率下的风轮转矩和载荷对风电机组其他部件的影响