风力机的机械设计

第三章风力机的机械设计叶轮塔架传动装置附属部件偏航装置转速调节§3.1、叶轮由轮毂和相连接的叶片组成。讨论要点：——轮毂与桨叶的连接型式——轮毂材料与检验——桨叶的强度计算一、轮毂与桨叶的连接型式1、固定连接（刚性连接）三叶片叶轮大多用此连接方式。制造成本低，较少维护，无磨损。但要承受所有来自叶片的载荷。连接用螺栓的材质要好，外加防松装置。2、铰链式连接（柔性连接）常用于两叶片叶轮。铰链轴分别垂直于叶片轴和叶轮转轴——挥舞运动不受约束。如果两个叶片固连成一体，特称为跷跷板铰链，可使桨叶在旋转平面前后几度（如5度）的范围内自由摆动，以便更利于锥角效应。变桨距叶轮中的桨叶转轴另行介绍。但扭转力矩变化较大，叶轮躁声大，结构复杂。二、轮毂材料与检验轮毂可用铸钢铸造或由钢板焊接而成。——铸件不能有铸造缺陷（夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等），否则重新浇铸。——对焊接件的焊缝要进行超声波检查。大型风力机叶轮的轮毂可用加延长节的方式，简化轮毂的制造，减少出现各种缺陷的可能。对轮毂（和延长节）要进行静强度和疲劳强度分析。三、桨叶的强度计算桨叶的危险剖面：桨叶根部。考虑桨叶处于水平和垂直两个特殊方位时的强度计算。1、桨叶处于水平位置叶根载荷：——重力矩（最大）；——气动推力产生的弯矩；弯曲应力——扭转力矩产生的弯矩；——离心力：拉应力2、桨叶处于垂直位置偏航时的陀螺力矩为：M=2Jsint——当t为0（即处于水平位置）时，M为0；——当t为±90时，M最大。外加其它正常作用的载荷，桨叶根部应力最大。§3.2齿轮箱与刹车大型风力机的转速大多在30~50rpm之间，也有更低的（考虑桨叶离心力与叶尖线速度），与发电机之间存在较大的转速差。故设置传动装置——齿轮箱。传动装置包括：增速器、联轴器等。一、齿轮箱基本要求：重量轻、效率高（尤其对大型风力机）、承载能力大、躁声小、起动力矩小。类别：定轴齿轮传动齿轮传动行星齿轮传动混合轮系传动600kw风力机用的齿轮箱二、机械刹车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。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。§3.3对风装置为了使风力机有效地捕捉风能，应保证叶轮始终基本上处于迎风状态。这里简单介绍电动对风装置。大中型风力机中普遍使用电动对风装置。一、系统组成风向标，控制电路，偏航齿轮，伺服电机，刹车等。二、对风原理三、其它问题偏航角速度：0.026~0.035rad/s(1/4r/m~1/3r/m)回转制动器的应用：保证对风可靠。§3.4塔架型式有拉索式无拉索式桁架式圆筒式塔架高度§3.5调速（限速）方式在一定的风速变化范围内自动限制转速和功率。调速原理：叶轮输出功率：P=1/2CpSV13——改变S：叶轮侧偏——改变Cp：变桨距、失速。一、变桨距调节1、调节原理——佳与CL及Cp关系；——利用=-（桨距角）2、实现方式全桨叶变桨距，叶尖局部变桨距。全桨叶变桨距方式1）离心式2）风压式利用风压中心与转轴中心不重合的特点。3）伺服机构式二、失速调节1、失速现象当桨叶上的攻角增大到一定数值时，在翼型上翼面流动的气流产生偏离而不能附着在上面（称为脱落或分离）的现象。WV≤额定风速V正常气流-UWV额定风速V——失速-U几点说明：正常流动时，流线平滑且流过上翼面。这种流动从翼型前缘邻近到剖面的最大压力点处是加速进行的，然后沿着上翼面的其余部分到后缘缓慢减速。对于保持附着在上翼面的流动来说，这种减速必定是非常缓慢的。当攻角足够大（大于失速攻角）时，上述的“减速”加大而使附面层无法保持，使气流从翼型表面分离——失速。一般来说，失速攻角在12°左右（大致相当于升力系数为1.2）。同时，它在很大程度上还取决于翼型形状和雷诺（Reynolds）数。未失速的翼型具有低阻力且升力系数随攻角线性增加的特性。而失速的翼型阻力加大，升力大大降低。2、失速调节根据翼型上升力L、阻力D与驱动力矩T、推力F之间的关系以及叶轮输出功率P=T，失速时的驱动力矩不再增加，使叶轮的转速维持近似的恒定，而功率也不再增加。由于叶尖处的安装角较小，其攻角较大而接近失速状态。一旦风速超过额定值，叶尖首先进入失速状态。叶轮输出的最大功率对叶片的安装角的变化很敏感，大体上是安装角越大，开始失速时的风速越大，而最大功率也越高。采用失速调节时的安装角应该相当准确，以免不必要的空气动力损失而影响出力。3、失速调节的特点优点——无变桨距调节时的运动机构，轮毂结构简化，生产成本降低，维护费用减少。——失速后，阵风对叶轮的输出功率影响不大，即该功率不会随阵风出现太大的波动。因此风力机无需进行功率调节，进而省去功率调节系统的费用。缺点——需可靠的刹车以免在风速过大失速消失后出现飞车，这导致了额外的费用。——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。§3.6桨叶设计中的若干问题3.6.1叶轮的总体参数一台设计良好的风力机必须具有良好的空气动力性能。风力机的空气动能主要表现为叶轮的空气动力性能。叶轮的空气动力性能主要取决于它的气动设计。气动设计时，必须先确定总体参数。这也是进行方案设计所必需的。一、尖速比0叶轮的叶尖线速度与额定风速之比。是一个重要设计参数。与叶片数及实度有关。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。二、叶片数取决于叶轮的尖速比，具体对应关系如下表。由于叶片数少的风力机在高尖速比运行的具有较高的风能利用系数，适合于发电。三叶片的风力机运行和功率输出较平稳，两叶片的可降低成本。三、风轮直径D风轮直径D主要取决于两个因素：——风力机输出功率P——额定风速V1计算公式的推导：——叶轮输出功率：P1=1/2CpSV13=P/(12)于是：P=1/2CpV1312D2/4——直径D的简化计算公式：D2=8P/(Cp12V13)5.6P/V13其中，取Cp0.45，1.25，120.81四、额定风速（设计风速）V1额定风速的影响：直接影响着叶轮乃至风力机尺寸及成本，是一个非常重要的参数。额定风速的确定：取决于使用地区的风能资源分布，包括：——平均风速的大小；——风速的频率分布。技术人员应该具备相关的背景知识五、实度定义：叶轮的叶片面积之和与风轮扫面积之比。它是和尖速比密切相关的一个重要参数。取值：对于风力发电机而言，由于尖速比较高，要求有较高的转速，起动风速高，因此，可取较小的实度。通常大致在5~20%之间。可参考Hutter的研究结果（图略）。作用：——决定叶轮的力矩特性，尤其是起动力矩；——决定叶轮的重量与材料成本。六、翼型的升阻比翼型决定着风力机的效率，具体体现在翼型的升阻比（L/D）上。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七、其它参数1、叶轮中心离地面高度H取决于安装地点（山谷、丘陵等），垂直风梯度，安装条件，单机容量等因素。2、叶轮锥角——叶片和旋转平面的夹角。——减少气动力引起的叶根弯曲应力（对下风式风力机）；——防止叶片梢部与塔架碰撞（对上风式）。3、叶轮倾角——叶轮转轴与水平面的夹角。减少叶片梢部与塔架碰撞的机会3.6.2叶片的载荷分析对叶片运行载荷分析与计算，不仅是叶片的结构设计所必须的，而且更为重要的是分析整个风力机各部件受载的基础。风力机在运行情况下，作用在其上的载荷就比较复杂，主要有气动载荷，重力和惯性载荷。它们都随时间而变化，特别是气动载荷受阵风和风向变化的影响是随机的，要准确计算是困难的。除了正常运行情况外，还有其它工况，如启动—停机，突然停机等，都将导致额外的载荷。本节仅讨论正常运行工况下的载荷问题。一、叶片的受力分析作用在叶片上的力简化为三种力：空气动力、离心力和重力。各作用力的影响二、阵风效应阵风期间，风速在一秒内可变化15~20m/s甚至更多，风向在一秒内可改变几十度。此时，叶片处在不利的攻角下，导致所受弯矩的增加——阵风效应。-UβWV1三、锥角效应对下风式风力机，叶片与转轴的夹角小于90度，将使正常运行时叶片受到的弯曲应力大大减小，甚至可为零——锥角效应。问题?四、陀螺效应叶轮偏航时，桨叶除受到气动力的作用外，还受有离心力和旋转惯性力，在桨叶中产生附加力矩——陀螺效应，附加力矩的大小为：M=2I1第四章风力发电机常用的发电机种类叶轮与发电机的匹配发电机组的并网运行§4.1常用的发电机种类一、同步发电机1、基本构成定子定子铁心定子绕组（定子线圈）转子转子铁心（磁极）励磁绕组（转子绕组）由于转子绕组中的感应电流产生于转子相对于磁场的运动，而该感应电流又产生转子转动的电磁力。因此，转子转速n不能等于同步转速n1——异步电动机3、转差率定义n1-n为转速差；s=(n1-n)/n1×100%为转差率异步电动机的转差率一般为1.5~6%。用作发电机时，必须使转子转速n大于同步转速n1，此时，叶轮与发电机的匹配由于缺乏风力发电专用的发电机系列产品，设计者需选用合适的发电机。选用时必须考虑叶轮与发电机之间的匹配问题，主要包括功率匹配、转速匹配及转矩匹配。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。叶轮与发电机的功率匹配图200015001000500050100150200250300说明：风速很低时，转速较低，发电机几乎没有输出功率，即未给叶轮加负载。风速升高，在一定范围内，叶轮输出功率达不到发电机所需的功率——叶轮过栽工作。严重时将发生失速或停止转动。超过某风速后，叶轮输出功率大于发电机所需的功率——叶轮欠载工作。导致叶轮转速升高，发电机过载，甚至损坏。办法：配备专用调速机构，使其在一定的风速范围内调整叶轮转速，限制输出功率。二、转速匹配1、转速匹配中的问题2、设置增速装置减小叶轮过载3、叶轮性能与风能分布的匹配假设发电机与叶轮完全匹配，即无过栽或欠载现象，该叶轮风能利用系数曲线的峰值应该和在同样风速下的发电机输出功率的峰值相对应。即存在一个最佳风速，在该风速下，当地风能分布曲线处于峰值。叶轮效率风速