风机叶片(初稿)070430

风力机翼型
风力机翼型的特点： • 风电机组叶片是在低雷诺数下运行，一般在0.7×106～ 10×106 范围，这时翼型的边界层特性变得很异常； • 风电机组叶片是在大迎角下运行，叶片各剖面处的入流角 （迎角）可以在0～90°范围内变化。这时翼型的深失速特 性显得十分重要； • 风电机组在偏航运行时，叶片各剖面处的入流角（迎角）是 周期性变化，必须考虑翼型的动态失速特性。 • 风电机组叶片在大气中运行，沙石、碎石、雨滴、油污等会 使叶片表面的粗糙度增加，影响翼型气动特性； • 从制造技术考虑，风电机组叶片的后缘不是尖的，而是钝的， 作了加厚处理； • 从结构强度和刚度考虑，风电机组叶片翼型的相对厚度大， 在叶片根部处一般可达30%左右。
m / adm 106
主材
辅材
常规 • 常规 – Polyester – 玻璃纤维GF – Epoxy – 碳纤维CF 创新 – 木集成材 – ？？ • 创新 其他思路 – 竹材 – 多种选择 • 其他思路 – 混合Hybrid，合金
材料生态性能
材料 Description 密度 kg/cum 2700 能量 强度 kWh/kg MPa 60 0.33 290 30 单位载荷耗能 kWh/N 559 24 Aluminium Concrete Extrusions
The blades have to carry a large bending moment because of the wind loads. when it is gusty this load fluctuates badly because the control system cannot predict the gusts correctly all the time. This causes the blades to fatigue.
Walls (compressive 2200 loads only) 2400 700
Reinforced Concrete Beams Wood Steel GRP CFRP
Source: Chris Hornzee-Jones
0.7 1.33 11.5 26.4 60
30 80 275 150 600
4.2 初步设计
• 确定主参数 – 风轮直径 – 设计（额定）风速下的额定功率 – 叶尖速度 – 额定转速，转速范围 – 控制策略
4.3 细节设计-形状设计
• 翼型设计： – 叶型族，厚弦比，弦长， 叶根到叶尖的弦长变化， 扭角 • 优化目标： – Max Cp额定值 – =>max Cp均值 – =>Max AEP年发电量 • 设计的耦合 – 风资源统计特性 – 整机功率传递模型 – 控制策略
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
迎角α/（°）
风力机翼型
CL
流动迟滞现象
风力机翼型
动态失速现象
CD
α/（°）
CL
α/（°）
阻力特性
升力特性
The aerodynamics of the blade can be used to avoid this. When the airfoil stalls the air looses its grip on the blade and this can be used to control the power before it hurts the blade.
改进的转轮气动模型与诱导速度的计算
图4. 转轮旋涡气动模型
An airfoil works because of suction on the top.
The pressure is thought of as lift and drag forces, which increase as the angle of attack increases.
风力机翼型
翼型几何参数
t
相对厚度：t c 100%
风力机翼型
翼型升力特性
升力系数CL
迎角α/（°）
Байду номын сангаас
风力机翼型
翼型阻力特性
1.5
阻力系数CD
1.0
0.5
0.0 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
迎角α/（°）
风力机翼型
翼型俯仰力矩特性
0.4
俯仰力矩系数CM
4、叶片设计/制造/测试过程
• 叶片设计 – 概念设计 – 初步设计 – 细节设计 叶片制造 测试过程
• •
4.1 概念设计
The best blades are made of wood Veneers, glass-cloth and epoxy.
美国NREL提出的叶片基本翼型
（美国NREL）叶片铺层基本构造
ENERCON E112风力发电机组
3、 叶片空气动力学
• • BEM 动量叶素理论 CFD 计算流体力学
现有的转轮气动模型
图1. 风力机示意图
图2. 叶片某断面处的速度图
As the blades sweep the disk of air, the blade tip speed Is typically 6 to 10 times the wind speed.
对风机重量也是决定成本的重要因素
The wood is more than 50% of the blade weight and is the primary structural material. It makes these blades 5 times less energy intensive to make then their next nearest competitors. Where the blade fastens to the hub, metal studs have to be bonded in to make a bolted joint possible
4
5
triaxial fabric
1.27 mm
Aircraft designs are driven by performance to weight. 飞机设计是由性能重量比驱动 Wind turbine designs are driven by performance to cost. 风机设计由性能成本比驱动
If we look along a blade towards the tip, the combination of rotation speed and wind speed gives an angle of attack which means there is a forward power force, which drives the machine.
Aircraft do not go near the stall point, because they fall out of the sky if the wing stalls.
The aerodynamics can now be used to design the power cu
风机叶片介绍
明向军整理 2006年5月
目录
• • • • • • 1、风电叶片产业 2、叶片发展趋势 3、空气动力学 4、叶片设计、制造、测试 5、好叶片是怎样的？ 6、未来的研究
1、风电叶片产业
叶片产业发展
• • • • • • • • • • • • • • In the beginning, the turbine was designed around an “off the shelf ” blade: – 90% of blades were out-sourced – Built in Western Europe and the U.S. • Today, turbines are specifically designed…driven by loads, site conditions, control strategies, and COE targets: – 50% of blades are out-sourced – Built in Western Europe and U.S….and Brazil, India, & China • In the future: – Majority of blades will be designed in-house – Built in low-cost countries
In high winds, the blade is rotated to reduce the angle of attack.
风力机翼型
风力机叶片的剖面形状称之为风力机翼型， 它对于风力机性能有很大的影响。目前风力机 叶片使用的翼型有NACA系列，FX系列，SERI 系列，FFA-W系列和DU系列等。
风电产业
风电产业
风电产业
风电产业
风电产业
叶片维护
2.叶片发展趋势
风轮叶片发展趋势
最大风轮叶片尺寸发展趋势
国外风轮叶片发展趋势
额定功率与叶轮直径的关系
单个叶片重量与叶轮直径的关系
Blade Mass Scaling – All Sources
NOI ATV Polymarin Euros LM
2.05 3.07 2.76 2.92 2.30
叶片 与转轮 共振图
国外风轮叶片发展趋势
国外风轮叶片发展趋势
风吹过叶轮后
叶片位移图
蓝色－负 红色－正
叶片设计与整机设计的关系
• • • • • 1)、风资源 2)、功率传递： 3)、控制策略 4)、整机振动 5)、轮毂连接
风能技术是一项综合技术，它涉及空气动力学、结构 动力学、气象学、机械工程、电气工程、控制技术、材料 科学、环境科学等多个学科和多种领域。目前，在风能技 术方面还有许多关键问题需要继续努力去解决，主要有： （1 ）风能资源普查与评估， （2 ）大型风电机组叶片设 计与制造技术， （3）新型风力发电机设计与制造技术， （4 ）大型风电机组结构动力学分析， （ 5）风电场与电 网系统相互影响， （6）风力发电系统仿真技术， （7） 恶劣环境对风电机组的影响， （ 8 ）海上风电场技术， （9）风能与其他能源组成的互补系统。
Layer # 1 2 3 Material gel coat random mat triaxial fabric O%-15% c 45%-85% c 15%-45% c balsa balsa spar cap mixture 0.38 mm 1.27 mm 14.0 mm 28.0 mm 28.5 mm Thickness 0.51
When peak power is reached, typically only the last 20% of the blade is still „flying‟.
In moderate winds you want all the energy capture you can get.
风机知识体系结构
叶片设计
控制
并网
风力
气动
机械
电机
极限 叶片制造
COE
材料 制造
结构
振动
￥
疲劳
国外大型风力发电机组发展趋势
失速调节
主动失速 定速
变速控制
齿轮箱 变距调节 变速调节
无齿轮箱
直驱型风力发电系统
直驱型风力发电机组
1 2 3 4 5 6 基座 偏航系统 发电机定子 发电机转子 轮毂 叶片
木集成材叶片结构
叶片材料特性
材料 钢（Q345B） 聚酯玻璃钢 环氧玻璃钢 环氧碳纤维 环氧木纤维
许用应力 adm [Mpa] 110 45 56 200 12
密度 m
[kg/m3] 7800 1800 2000 1500 550
[kg/Pa· m3] 71 40 33.3 7.5 45.8
56 11.6 328 343 190
Finnish Birch
Grade 43 sections 7850 Glass/Polyester 1:1 1950 1900
叶片材料 Blade material
竹 子 的 力 学 性 能
材料分析
目标是：叶片的 • 极限载荷与设计 • 振动分析：Campell图 • 应力谱分析，疲劳和断裂力学分析