第四章风力发电机组方案设计内容1. 叶轮直径2. 额定风速3. 叶轮转速4. 叶片数5. 功率控制6. 制动系统7. 定速与变速运行8. 发电机类型9. 传动系10. 塔架的刚度11. 人身安全与通道w ww .s i mo so la r .co mmoc主要取决于两个因素：风轮直径D 的确定除此之外，风轮直径选择时还应考虑：•最小能量成本（费用/kWh/年）。

如某1.3MW机型对应的风轮直径为54～62m。

•根据调查资料显示，额定功率值/单位风轮扫掠面积的比值（W/m 2）。

如某1.3MW机型约为405W/m 2，由此可算得D≈64m另外，可参照国外同类机型。

其它参数的确定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γ—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δ—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。

w ww .s i mo so la r .co mVr=15m/sa r.co mz Vr 太高，机组将很少达到额定功率，传动系和发电机的成本偏高，提高了能量成本；z Vr 过低，叶轮及其支撑的成本相对于发电量过高。

z统计数据表明，从成本最低的角度出发，优化的额定风速与年平均风速的比值关系Vro/Vave 大致为1.5～2 ，其中——变桨距机组：1.67～1.77——失速型机组：≥2额定风速Vr考虑因素：•尺寸控制：叶片弦长（实度）与转速的平方成反比。

•重量控制：风轮转速增加后，叶片的重量（成本）将增加，但传动系统、机舱和塔架的费用降低，因此在考虑风轮转速时要进行优化，兼顾两者的费用。

•噪声限制：风轮叶片所产生的气动噪音与叶尖线速度的五次方成正比，通常限制叶尖线速度小于65m/s。

•视觉影响：从环保角度考虑，风轮转速增加对人的视觉会产生一种冲击。

4.3. 叶轮额定转速w ww .s i mo so la r .co m4.4、叶片数1）、尖速比λ叶轮的叶尖线速度与风速之比。

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Cp 。

通常可取6-8 。

Cp —λ曲线Cp 0.50.40.30.20.13 6 9 12λw ww .s i mo so la r .co mw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。

4）三叶片和两叶片：z叶片数3Æ2：叶片弦长增加50%或转速增加22.5%。

z在相同尖速比时，两叶片的Cp 约是三叶片的1/3。

两者的最大Cp 接近，但两叶片发生在较大尖速比时。

z 两叶片提高转速后增加了的噪声。

z 三叶片转动的视觉效果好于两叶片。

z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。

叶片数源于风剪切的稳定载荷（以叶根挥舞弯矩Mo 表示）随机载荷弯曲载荷三叶片机组两叶片机组两叶片机组增加的百分比％主轴弯矩 1.5Mo 2Mo 22%机舱俯仰力矩 1.5Mo Mo(1-cos2ψ)22%机舱偏航力矩Mosin2ψ22%叶片数对载荷的影响：叶片数w ww .s i mo so la r .co m4.5. 功率控制方式1）（被动）失速控制z最简单的控制方式，利用高风速时升力系数的降低和阻力系数的增加，限制功率输出的增加，在高风速时保持近似恒定。

dF ＝dLcos φ+dDsin φdT ＝r(dLsin φ-dD cos φ)dL = 1/2 ρC L W 2C drdD = 1/2 ρC D W 2C dr 作用在叶轮上的扭矩：T= ∫dTAerofoil Dataset 63421Cl Cd CmC o e f f i c i e n t sAngle of Attack (deg)-0.5-1.0-1.50.00.51.01.5-10-20-30-40-50-60102030405060主动失速工作区变桨距工作区翼型的升力特性和阻力特性曲线w ww .s i mo so la r .co m主要优点：控制简单，百Kw 级多用。

主要缺点：1、功率曲线由叶片的失速特性决定，功率输出不稳定，甚至是不确定的。

2、阻尼较低，振动幅度较大，易疲劳损坏。

3、高风速时，气动载荷较大，叶片及塔架等受载较大。

4、在安装点需要试运行，优化安装角。

5、低风速段，叶轮转速较低时的功率输出较高。

（被动）失速控制2）变桨距控制z 高风速时，通过转动整个或部分叶片减小攻角，进而减小升力系数，达到限制功率的目的。

z主要优点：——更多获取风能；——提供气动刹车；——减少作用在机组上的极限载荷；z桨距角的变化——速率：5°/s 或更高；——范围：运行时0～35 °；刹车时0～90 °。

0 °时，叶尖弦线位于转动平面内。

w ww .s i mo so la r .co mww w桨距仅需微调，磨损少，疲劳载荷小moc.ralosomis1）双速运行将发电机分别设计成4极和6极。

一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5。

如600Kw 机组：6极——150Kw 4极——600Kw1.3MW 机组：6极——250Kw4极——1300Kw特点：——叶轮和发电机在低风速段的效率提高；——与变桨距机组在额定功率前的功率曲线差别缩小。

定速与变速运行功率大发电机功率曲线小发电机切换到大发电机小发电机功率曲线风速大发电机切换到小发电机发电机切换回差双速发电机的功率曲线：定速与变速运行w ww .s i mo so la r .co m优点：z 在低风速段，改变叶轮转速保持最佳尖速比；z 叶轮的低速运行降低了噪声；z 叶轮像飞轮一样，调节气动扭矩的波动，使之平稳传给传动系；z通过变流器与电网相连，电能闪烁降低，品质提高。

两种变速方式：z 宽幅变速：叶轮转速从0到额定转速，发电机静子通过变流器与电网连接。

z窄幅变速：叶轮转速从30～50％电机同步转速到额定转速。

发电机静子直接连接电网，转子通过滑环和变流器与电网连接。

2）变速运行z其它变速运行方式1.变滑差运行2.变速齿轮箱3.自动变速箱变速运行失速调节桨距调节主动失速变速恒频w ww .s i mo so la r .co mw叶轮发电机电网连接传动同步电机叶轮发电机电网连接传动异步电机发电机类型•同步发电机和异步发电机的简化模型z定速机组使用同步电机，它是一个两弹簧两质量系统。

在叶轮的周期性扭矩作用下，由于传动系没有阻尼而易发生扭转振动。

z 定速机组使用异步电机，电机相当于一个扭转阻尼。

可以抑制传动系可能发生的扭振。

z叶轮的周期性扭矩将出现在叶片的通过频率，该频率常常和连接电网的小型同步机的固有振动频率非常接近。

z 变速机组的电机不是直接连接电网，因此可以使用同步电机。

z对同步电机的使用，人们曾经做过许多尝试。

发电机类型w ww .s i mo so la r .co mmoc.rwmoc.ralosmo c.塔架的刚度z塔架的分类：——叶轮转动频率：1P ，叶片通过频率：3P——刚塔和柔塔：设塔架一阶弯曲固有频率为f ，则刚塔：f > 3P柔塔：1P < f < 3P （另称为刚塔）高柔塔：f < 1P （另称为柔塔）。

z 如果塔架满足强度要求，则它的刚度基本取决于塔架高度和直径的比值。

比值越大，塔架越柔。

z刚塔的优势在于，运行时不会发生共振，噪声很小。

但需用的材料太多，超过强度的需要。

因此，通常多用柔塔。

塔架的刚度例1 某1.3MW风力发电机组选用柔性塔架，风轮转速为19rpm时风轮的转动频率和叶片的通过频率分别为：fr = 19rpm/60s=0.317Hz fb = 0.951Hz因此，塔架的固有频率f 0应满足：0.317Hz＜f 0＜0.951Hz实际设计的塔架频率f 0为0.56Hz，满足要求。

w ww .s i mo so la r .co m例2 某变速风力发电机组选用柔性塔架，叶轮转速为11rpm和22rpm时叶轮的转动频率和叶片的通过频率分别为：fr1=11rpm/60s=0.183Hz fr2=22rpm/60s=0.366Hz fb1 =0.549Hz fb2 =1.098Hz因此，塔架的固有频率f 0应满足：0.366Hz＜f 0＜0.549Hz实际设计的塔架频率f 0为0.4Hz左右，满足要求。

塔架的刚度Campbell 图543210 11 2030rpm0.37Hz ～0.53Hz塔架的刚度w ww .s i mo so la r .co m4.11. 人身安全和通道为了保证运行和维护人员的安全，至少需要：①塔架内设置爬梯直通塔顶机舱，并设置跌落保护装置；②每隔20米左右设置一层休息、安全平台；③考虑维护的安全性，设置叶轮和偏航锁定装置；④在偏航、叶轮、机舱等处设置安全带卡头的固定装置；⑤塔架较高时，塔架爬梯设置助力装置。

⑥设计初期要考虑在各种天气下进入机舱的可能。

⑦工具和备件的运送通道。

本章完第五章机组零部件w ww .s i mo so la r .co m内容5.1.轮毂5.2.变桨距系统5.3. 主轴与支承5.4.齿轮箱5.5.机械刹车5.6.偏航系统5.7.底板与机舱盖5.8.发电机5.9.塔架设计5.1.轮毂z功能：——连接叶片和主轴，最终连接到传动系的其余部件。

——必须传递并承受所有来自叶片的载荷。

z材料：——通常用钢材，焊接或铸造制成。

——由于结构一般较复杂，多用球墨铸铁铸造。

z结构形式：结构形式取决于方案设计，两叶片或三叶片，定桨距或变桨距。

水平轴风力发电机采用三种基本形式：——刚性轮毂；——跷跷板式叶片轮毂；——铰接叶片轮毂。

w ww .s i mo so la r .co m刚性轮毂跷跷板式轮毂铰接式轮毂o so la r .co m刚性轮毂z 刚性轮毂可用于定桨距叶片和变桨距叶片。

z 如果叶片相对主轴有锥度，可在轮毂上预留接合面。

z 要有足够的强度承受叶片上的气动载荷和其它动态载荷。

z用于变桨距机组的轮毂，必须提供：——叶根轴承；——可靠的定位措施；——变桨距机构。

刚性轮毂承受的三种载荷情况：1.对称叶轮推力：所产生的叶根弯矩在轮毂的前端生成双向拉力，在后端生成双向压力。

推力本身在轮毂的连接低速轴的法兰附近产生挥舞弯曲应力。

2.在单个叶片上的推力：在轮毂的后端生成挥舞方向的弯曲应力；在轮毂上从变桨轴承的上风侧到连接低速轴的法兰的一段曲线附近生成摆振方向的拉伸应力。

3.叶片重力弯矩：在三叉轮毂中，相等和相反的叶片重力弯矩经过圆柱筒传到轮毂的前端和后端附近，并互相抵消。