15MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)特性計(jì)算分析

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)特性計(jì)算分析姓名學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)機(jī)械制造及自動化指導(dǎo)教師職稱教授2009年0

摘要風(fēng)能是一種清潔并且可再生的能源，利用風(fēng)能發(fā)電能夠大量減少其它發(fā)電方式對環(huán)境的污染。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理是：一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，先通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，在由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。本文設(shè)計(jì)了一臺功率為1.5兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。為了使所設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠符合運(yùn)行要求，本文利用瑞利法并結(jié)合振動理論的計(jì)算方法對機(jī)組進(jìn)行了動態(tài)特性分析，依此來了解機(jī)組在運(yùn)行過程中各部件的固有頻率是否滿足要求。同時(shí)，結(jié)合材料力學(xué)相關(guān)知識對塔架以及葉片的靜強(qiáng)度進(jìn)行校核，以確定葉片和塔架在承受載荷時(shí)是否滿足應(yīng)力要求。計(jì)算結(jié)果表明機(jī)組的動態(tài)特性和靜強(qiáng)度均符合要求。關(guān)鍵詞：1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；設(shè)計(jì)；動態(tài)特性分析；靜強(qiáng)度校核

AbstractAcertainComposedbythethecalculationofvibrationtheorytopropertiesstrengthDynamicCharacteristics1.5MWWindturbine；Design；DynamicAnalysis；Staticstrengthcheck

目錄前言 1第一章緒論 21.1風(fēng)能利用與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展歷史 21.2風(fēng)力發(fā)電的意義及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的未來 41.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的問題 4第二章總體設(shè)計(jì)方案 62.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理 62.1.1貝茨(Betz)理論 62.1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的概念 82.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu) 102.3機(jī)組詳細(xì)設(shè)計(jì) 122.3.1葉輪設(shè)計(jì) 122.3.2發(fā)電機(jī)選型 192.3.3塔架設(shè)計(jì) 202.3.4其它附屬部件 212.3.5機(jī)組運(yùn)行安全系統(tǒng) 232.3.6對國內(nèi)風(fēng)資源的適應(yīng)性 24第三章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)與靜強(qiáng)度特性分析 253.1風(fēng)力機(jī)動態(tài)特性分析 253.1.1塔架固有頻率計(jì)算 253.1.3葉輪三倍頻率 313.2風(fēng)力機(jī)靜態(tài)特性分析 313.2.1塔架靜強(qiáng)度 313.2.2葉片靜強(qiáng)度 32結(jié)論 34參考文獻(xiàn) 35致謝 36附錄一英文文獻(xiàn) 37附錄二英文翻譯 44前言風(fēng)能是一種無污染、可再生的清潔能源。早在公元前200年，人類就開始利用風(fēng)能了。提水、碾米、磨面及船的助航都有風(fēng)能利用的記載。自第一次世界大戰(zhàn)之后，丹麥仿造飛機(jī)的螺旋槳制造二葉和三葉高速風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電并網(wǎng)使用直至現(xiàn)在，風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)歷了近百年的發(fā)展歷程:20世紀(jì)80年代之后，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家率先研究、快速發(fā)展了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，建設(shè)了風(fēng)電場?，F(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造成本不斷下降，已接近水力發(fā)電機(jī)的水平，制造及使用技術(shù)也日趨成熟。20世紀(jì)末，世界每年風(fēng)電裝機(jī)容量以近20%的增長速度發(fā)展，風(fēng)電成為世界諸能源中發(fā)展最快的能源。如果在總面積0.6%的地方安裝上風(fēng)力發(fā)電機(jī)，就能提供全部電力消耗的加20%，可以關(guān)閉供電能力加20%的以燃燒煤、重油等碳氮化合物為燃料而排放S02，C02和煙塵時(shí)大氣和地球環(huán)境造成污染和破壞的火電廠。在令后10年，風(fēng)力發(fā)電將成為世界各國重點(diǎn)發(fā)展的能源之一，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造業(yè)也必將成為新興的機(jī)械制造業(yè)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展勢必拉動諸如大型錐鋼管、鋼板等冶金行業(yè)，發(fā)電機(jī)制造，電器控制，液壓機(jī)械，增強(qiáng)塑料、復(fù)合材料等行業(yè)的發(fā)展；勢必推動蓄電池向大容量、小體積、免維修、高效率方向發(fā)展;勢必拓寬微機(jī)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)自控方面的應(yīng)用和發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展及其拉動的行業(yè)發(fā)展將為數(shù)以萬計(jì)的人創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會?？梢姡l(fā)展風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)力發(fā)電對于發(fā)展經(jīng)濟(jì)，保護(hù)地球環(huán)境，有著重要意義。中國風(fēng)電發(fā)展的前景非常好，600千瓦和750千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，兆瓦級的風(fēng)電技術(shù)也已具備自主開發(fā)能力。截止到2005年底，中國風(fēng)能資源豐富的16個(gè)省、市、自治區(qū)，已建成風(fēng)電場92座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3.297臺，總?cè)萘窟_(dá)2.590MW。2005年新增裝機(jī)容量高達(dá)1.330MW。根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國風(fēng)電總裝機(jī)容量居世界第六位。據(jù)了解，2000年前，中國風(fēng)電處于試驗(yàn)示范階段，主要是國外政府援助的小項(xiàng)目。2000年后，中國政府采取了一系列措施推動并網(wǎng)風(fēng)電的發(fā)展。自2004年起，中國風(fēng)電進(jìn)入了快速發(fā)展階段，2006年總裝機(jī)容量的增長率高達(dá)104%。第一章緒論1.1風(fēng)能利用與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展歷史風(fēng)能利用有多種形式，目前有發(fā)電、提水灌溉、致熱供曖、助航等（如圖1-1所示）。將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能是風(fēng)能開發(fā)利用的主要方式。人類利用風(fēng)能的歷史可追溯到中世紀(jì)甚至更早，最初是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用風(fēng)車提水、碾米、磨面，借風(fēng)帆為船助航。中國、伊拉克、埃及、荷蘭、丹麥等都是最早利用風(fēng)能的國家。經(jīng)過一段漫長的歷史過程后，到19世紀(jì)末，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，丹麥的研究人員才開始著手利用風(fēng)能發(fā)電。以后，各國都從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制開始，逐漸向中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展。第一次世界大戰(zhàn)之后，丹麥仿造飛機(jī)的螺旋槳制造了二葉、三葉高速風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，雖然裝機(jī)容量都在5KW以下，但是開拓了將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的先河。美國從1930年開始研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)時(shí)以杰卡斯風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為出名，而且被銷售到其他一些國家。1941年，美國設(shè)計(jì)生產(chǎn)了1臺1250KW二圖1風(fēng)能轉(zhuǎn)換與利用示意圖二葉片“伯能”風(fēng)力發(fā)電機(jī)，安裝在佛蒙特州拉特蘭的格蘭德帕610m高的圓頂山上，葉輪直徑53.3m，塔架高45m。從1941年10月到1945年3月，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行了3.5a，后因葉片金屬疲勞被大風(fēng)吹斷而停止運(yùn)行。前蘇聯(lián)于1931年在巴塔拉瓦（靠近黑海的雅爾塔）建造了風(fēng)輪直徑為30.48m,、塔架高度為30.48m、額定功率為100KW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，與32km以外的位于塞瓦斯托波爾的20MW容量的火力發(fā)電站相聯(lián)。第二次世界大戰(zhàn)后，不少國家先后開始了容量100KW以上的風(fēng)力發(fā)電裝置的研制。法國在1958-1966年間先后設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)了貝斯·羅曼尼（Best-Romani）風(fēng)力發(fā)電機(jī)（額定功率800KW，試驗(yàn)時(shí)達(dá)到1025KW）和尼爾必克（Neyrpic）風(fēng)力發(fā)電機(jī)（額定功率132KW及1000KW）。前者因技術(shù)問題停止運(yùn)行60d后恢復(fù)正常運(yùn)行，后者因剎車系統(tǒng)的問題而停止運(yùn)行，但為法國后來的研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)準(zhǔn)備了條件。前西德1957QUOTE~~1968年間研究、設(shè)計(jì)和制造了10QUOTE~~100KW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，成功地使用了復(fù)合材料葉片，為復(fù)合材料用于制作大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片奠定了基礎(chǔ)。丹麥的蓋瑟風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪直徑為27m，額定功率為200KW，每年發(fā)電量約40萬KWh左右。在20世紀(jì)60年代前后，由于內(nèi)燃機(jī)的廣泛使用，其燃料來自廉價(jià)的石油，風(fēng)力發(fā)電成本較高，與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電相比不具有競爭力，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展近于停止。但是1973年發(fā)生了世界性的石油危機(jī)，石油的短缺以及用礦物燃料發(fā)電所帶來的環(huán)境污染問題，使風(fēng)力發(fā)電又重新受到了重視。美國、丹麥、荷蘭、英國、德國、瑞典、加拿大等國家在風(fēng)力發(fā)電的研究與應(yīng)用方面投入了大量的人力與資金，制定了開發(fā)規(guī)劃。到2003年，全世界各國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘繛?9151.3MW，其中2003年新增容量7980.7MW，增長率為25.6%。表1-1列出了風(fēng)電裝機(jī)容量前10位國家的裝機(jī)數(shù)量、2003年新增容量和增長率。表1-12003年風(fēng)電裝機(jī)容量前10位國家的裝機(jī)數(shù)量國別2003年增加裝機(jī)容量（MW）2003年增長率總裝機(jī)容量（MW）德國2608.121.714609.1美國1685.036.06370.0西班牙1372.028.46202.0丹麥230.08.03110.0印度408.024.02110.0意大利119.015.2904.0荷蘭187.027.3873.0英國97.017.6649.0中國99.021.2567.0日本172.051.5506.0中國利用風(fēng)能發(fā)電始自加世紀(jì)70年代，中國發(fā)展微小型風(fēng)力發(fā)甩機(jī)為內(nèi)蒙古、青海的牧民提水飲畜及發(fā)電照明.容量在50QUOTE~~500W不等，制造技術(shù)成熟。但是中國中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展起步較晚，直到加世紀(jì)80年代才開始自行研制。首次中型18kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制嘗試是1977年研制的FD13-18型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，水平軸，二葉片(直升機(jī)退役槳葉)、直徑15.6m,額定功率18KW，半導(dǎo)體勵(lì)磁恒壓三相同步發(fā)電機(jī)，安裝在浙茶園子鎮(zhèn)的山上。由國內(nèi)8家單位聯(lián)合研制的中國首臺200KW大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在浙江蒼南縣鶴頂山完成2000h運(yùn)行試驗(yàn)，1997年通過鑒定，表明中國已經(jīng)能夠自行研制、開發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。1996年中國國家計(jì)委實(shí)施“乘風(fēng)計(jì)劃”，先后在新疆達(dá)坂城，內(nèi)蒙古的商都、朱日和、錫林浩特、輝騰錫勒，廣東南澳，山東榮城、長島.遼寧東崗、橫山，福建平潭，浙江測礁、鶴頂山，河北張北等風(fēng)能資源豐富地區(qū)建了19個(gè)風(fēng)電場，至1999年總裝機(jī)容量達(dá)246MW。這些風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)雖然由美國、.丹麥、德國、荷蘭等國購入，但促進(jìn)了中國風(fēng)力發(fā)電機(jī)事業(yè)的發(fā)展，加快了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)國產(chǎn)化進(jìn)程。目前，世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量每年幾乎以20%的速度增加，風(fēng)電己成為世界上發(fā)展最快的能源。即使如此，目前世界各開發(fā)利用的風(fēng)能資源，尚不到可開發(fā)利用風(fēng)能資源的20%，可見其開發(fā)潛力之大。世界各國之所以把風(fēng)能資源作為主要開發(fā)能源之一，有2個(gè)主要原因:一是地球上不可再生能源--石油、天然氣、煤的蘊(yùn)藏有限，不可無限止地開采；二是開發(fā)利用風(fēng)能資源，基木上對環(huán)境不造成污染。1.2風(fēng)力發(fā)電的意義及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的未來當(dāng)前，世界各國都在重視環(huán)境污染問題并采取措施進(jìn)行治理。目前世界各國電能產(chǎn)生主要是靠火力發(fā)電?；鹆Πl(fā)電以碳?xì)浠衔餅橹饕煞值拿?、重油等為燃料，燃燒后向大氣排放SO2，CO2等有害氣體及煙塵，SO2形成酸雨，對農(nóng)作物、森林、建筑物及金屬材料構(gòu)成危害和腐蝕浪費(fèi)。CO2形成溫室效應(yīng)，改變局部氣候，造成各種自然災(zāi)害。為了減少火電對大氣的污染，世界各國都在積極地發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。目前，盡管世界各國的風(fēng)力發(fā)電量還不到世界總耗電量的2%，但全世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的快速發(fā)展和風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的成熟和不斷完善，在今后10年，風(fēng)力發(fā)電必將成為世界各國更加重視和重點(diǎn)開發(fā)的能源之一。1996年國家計(jì)委實(shí)施了“乘風(fēng)計(jì)劃”，引進(jìn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)建風(fēng)電場，促進(jìn)我國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展。與此同時(shí)，實(shí)施的“光明工程”旨在促進(jìn)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展。至1999年，我國仍有7個(gè)無電縣，還有706萬農(nóng)戶沒有用上電。發(fā)展中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以為那些地處偏遠(yuǎn)地區(qū)的沒有用上電的農(nóng)民、牧民和海島漁民的生產(chǎn)及生活提供電力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造和維護(hù)，在今后也將成為一種新興的機(jī)械制造業(yè)，成為世界主要機(jī)械制造業(yè)之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展又勢必拉動大、中型錐鋼管、鋼飯等冶金行業(yè)，增強(qiáng)塑料、復(fù)合材料行業(yè)，發(fā)電機(jī)行業(yè)等的發(fā)展，也勢必推動大容量、小體積、高效率、免維修、壽命長的蓄電池早日問世。風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展及其拉動的各行業(yè)的發(fā)展，必定為世界各國數(shù)以萬計(jì)的人創(chuàng)造了就業(yè)機(jī)會。1.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的問題風(fēng)能是無污染、可再生、零成本的清潔能源之一，但風(fēng)力發(fā)電目前還存在一些應(yīng)繼續(xù)解決的問題。1.發(fā)電成本較高目前，世界風(fēng)力發(fā)電的成本已達(dá)到6美分/(KW·h)以下，達(dá)到3美分/(KW·h)就與火電成本相當(dāng)。風(fēng)力發(fā)電成本較高的主要原因是風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造成本較高及風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)維護(hù)費(fèi)用較高造成的。2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造成本較高1980年以前，美國中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造成本2000QUOTE~~5000美元/kW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)的丹麥中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造成本為1750QUOTE~~2500美元/KW。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造成本較中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造成本為低。美國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造成本約為1350QUOTE~~3500美元/KW，丹麥約1380QUOTE~~3000美元KW。至20世紀(jì)末葉，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的不斷增加及工業(yè)發(fā)達(dá)國家風(fēng)力發(fā)電機(jī)商品化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造成本逐年降低。至1999年工業(yè)發(fā)達(dá)國家已將風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造成本降低到500美元/KW,達(dá)到500美元/kW就與火電投資成本相當(dāng)。還應(yīng)繼續(xù)降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造成本。3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尚存在一些質(zhì)量問題（l）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命還難以達(dá)到20QUOTE~~30年；（2）葉片斷裂、控制系統(tǒng)失靈等事故還時(shí)有發(fā)生。4.風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)抗干撫性有待解決（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動的葉片切斷空氣及葉片轉(zhuǎn)后空氣再結(jié)合在一起所發(fā)出的噪聲；（2）金屬葉片或金屬梁復(fù)合葉片在轉(zhuǎn)動時(shí)對距離近的電視會造成重影或條紋狀干擾；5.設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)注意到以下幾個(gè)方面（1）由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是安裝在環(huán)境惡劣的地區(qū),且離地面較高的位置,因此必須校核機(jī)組的靜態(tài)特性；（2）為了避免機(jī)組發(fā)生共振，必須對機(jī)組進(jìn)行動態(tài)特性分析，確保各部件的頻率不重合，避免共振；（3）由于機(jī)組安裝位置特殊，機(jī)組設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減輕質(zhì)量，以減少載荷。第二章總體設(shè)計(jì)方案風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用水平軸、三葉片、上風(fēng)向、變槳距調(diào)節(jié)、直接驅(qū)動、永磁同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)方案。2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)變成電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)的機(jī)組。本章將對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算分別加以介紹?？諝獾牧鲃泳褪秋L(fēng)。風(fēng)是由于地球自轉(zhuǎn)及緯度溫差等原因致使空氣流動形成的。風(fēng)能在這里指的是風(fēng)的動能。關(guān)于風(fēng)力機(jī)的理論有幾種，如貝茨(Betz)理論，薩比寧(Sabinin)理論，葛勞起(Clauert)理論，斯特法尼亞克(Stefaniak)理論，許特爾(Hutter)理論等。本節(jié)主要介紹貝茨理論。2.1.1貝茨(Betz)理論世界上第一個(gè)關(guān)于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的完整的理論是1919年由A·貝茨(Betz)建立的。貝茨理論的建立，是假定風(fēng)輪是“理想”的，全部接受風(fēng)能(沒有輪毅)，葉片無限多，對空氣流沒有阻力。空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的(或稱平行風(fēng)輪軸線的)，這時(shí)的風(fēng)輪稱“理想風(fēng)輪”。分析一個(gè)放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動空氣對風(fēng)輪葉片所做的功。設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為QUOTEv1v1,v是實(shí)際通過風(fēng)輪的風(fēng)速。v2是葉片掃掠后的風(fēng)速，通過風(fēng)輪葉片前風(fēng)速面積s1,葉片掃掠面的風(fēng)速面積s及掃掠后風(fēng)速面積s2。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機(jī)械能，則必v2<v1,s2>s1。如圖2-1所示。圖2-1中v1葉片前的風(fēng)速；v--風(fēng)經(jīng)過葉片時(shí)的速度；v2--風(fēng)經(jīng)過葉片后的速度；S1--葉片前的風(fēng)速的面積；S--風(fēng)經(jīng)過葉片時(shí)的面積；S2--風(fēng)經(jīng)過葉片后的面積，于是s1v1=s2v2=sv風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得：F=ρsv(v2-v1)（2-1）圖2-1貝茨理論計(jì)算簡圖式（2-1）中ρ--空氣當(dāng)時(shí)的密度。風(fēng)輪所接受的功率為N=Fv=ρsv2(v2-v1)（2-2）經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化?T=QUOTE1212ρsv(QUOTEv12-v22v12-v2式中ρsv空氣質(zhì)量。N=?Tv=QUOTEv1+v22因此，風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力F和風(fēng)輪輸出的功率N分別為F=QUOTE1212ρs（QUOTEv12-v22)v12-v22)N=QUOTE1414ρs（QUOTEv12風(fēng)速v1是給定的，N的大小取決于v2，N是v2的函數(shù)，對N微分求最大值，得QUOTEdNdv2dNdv2=QUOTE1414ρs（QUOTE令其等于0，求解方程，得v2=QUOTE1313v1求Nmax得Nmax=QUOTE827827ρsQUOTEv13v13=QUOTE令QUOTE16271627=0.593為CP，稱作貝茨功率系數(shù)，有Nmax=QUOTE12Cp蟻s而QUOTE正是風(fēng)速為v1風(fēng)能T，故Nmax=CpT（2-4）Cp=0.593說明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率Nmax為風(fēng)吹過葉片掃掠面積s的風(fēng)能的59.3%。貝茨理論說明，理想的風(fēng)能對風(fēng)輪葉片做功的最高效率是59.3%。通常風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到59.3%，一般設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況，取0.25QUOTE~~0.45。貝茨風(fēng)能理論是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的最基本理論。到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)有突破貝茨風(fēng)能效率的風(fēng)力機(jī)。貝茨理論是假想建立在“理想風(fēng)輪”的情況下得到的。貝茨理論沒有給定理想風(fēng)輪葉片的形狀、翼型、迎角、葉片扭曲等直接影響風(fēng)輪接受風(fēng)能的各種條件，因此，在設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)、要注意考慮葉片接受風(fēng)能的各種要素.2.1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的概念貝茨理論提供了風(fēng)能的基本理論，沒有提供風(fēng)力機(jī)葉片的幾何形狀，因?yàn)樨惔睦碚摷俣ǖ氖抢硐腼L(fēng)輪。風(fēng)輪葉片的幾何形狀不同則其空氣動力特性也不同。在未討論葉片的幾何形狀及其空氣動力特性之前，先明確幾個(gè)概念和術(shù)語。(1)葉尖速比。葉尖速比，簡稱尖速比，風(fēng)輪葉片尖端的線速度與風(fēng)速v之比，用入來表示λ=QUOTEVvVv=QUOTE2蟺Rn60v2蟺Rn60v（2-式（2-5）[1]中：V—葉片尖端線速度，m/s；v—風(fēng)速，m/s；n—風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min；R—風(fēng)輪轉(zhuǎn)動半徑，m。低速風(fēng)輪，λ取小值；高速風(fēng)輪，λ取大值。表2-1給出了風(fēng)輪葉片數(shù)與尖速比入的匹配值。表2-1風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)與尖速比的匹配尖速比λ葉片數(shù)尖速比λ葉片數(shù)18QUOTE~~2443QUOTE~~526QUOTE~~125QUOTE~~82QUOTE~~433QUOTE~~88QUOTE~~151QUOTE~~2(2)翼的前緣。在圖2-2中，翼的前頭A為一圓頭，稱翼的前緣。(3)翼的后緣。翼的尾部B為尖型，即翼的尖尾稱翼的后緣。(4)翼弦。翼的前緣A與后緣B的連線稱翼的弦，AB的長是翼的弦長L，亦稱翼弦圖2-2翼的概念及翼的受力分析(5)翼的上表面。在圖2-2中，翼弦上面的弧曲，即QUOTEACBACB弧面稱翼的上表面。(6)翼的下表面。翼弦下部的弧面，即QUOTEADBADB弧面稱翼的下表面。(7)翼的最大厚度h。冀的上表面與下表面相對應(yīng)的最大距離稱翼的最大厚度h。一般翼的最大厚度距前緣占弦長的20%QUOTE~~35%，當(dāng)厚度表達(dá)為弦長的函數(shù)稱厚弦比或稱相稱相對厚度，通常為10%QUOTE~~15%。(8)翼展。葉片旋轉(zhuǎn)直徑，即風(fēng)輪轉(zhuǎn)動直徑稱為翼展。(9)葉片安裝角。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與翼弦所成的角θ稱葉片安裝角，在扭曲葉片中，沿翼展方向不同位置葉片的安裝角各不相同，用QUOTE胃胃來表示。(10)迎角α。翼弦與相對風(fēng)速所成的角稱迎角，亦稱攻角。(11)展弦比。翼展的平方與翼的面積QUOTESySy之比，即風(fēng)輪直徑的平方與葉片面積之比，稱展弦比，用QUOTERzRz來表示QUOTERz=R2SyRz=R2Sy=QUOTER2RL式(2-6)[1]中：QUOTELmLm—平均弦長，m；QUOTESySy—葉片面積，m2；R—風(fēng)輪轉(zhuǎn)動半徑，m。(12)失速。風(fēng)吹在翼型上時(shí)使翼產(chǎn)生升力FL和阻力FD，升力與阻力之比稱作翼型的升阻比，用QUOTELDLD來表示QUOTELD=FLFD=CLCD式(2-7)[1]中：CL—升力系數(shù)；CD—阻力系數(shù)；FL—升力，N或KN；FD—阻力，N或KN。升力隨迎角α的增加而增加，阻力FD隨迎角的增加而減小。當(dāng)迎角增加到某一臨界值acr時(shí)，升力突然減小而阻力急劇增加，此時(shí)風(fēng)輪葉片突然喪失支承力，這種現(xiàn)象稱為失速。表2-2是葉片剖而翼型與升阻比(QUOTELDLD)的關(guān)系。在負(fù)迎角時(shí)，升力系數(shù)隨負(fù)角的增加而減小，達(dá)到最小值CLmin；阻力系數(shù)隨負(fù)角的減小而降低，對不同翼型葉片其都能對應(yīng)一個(gè)最小值;而后隨迎角的增大而增大。(13)風(fēng)輪。風(fēng)輪就是葉片安裝在輪毅上的總成。(14)葉片。葉片是接受風(fēng)能的基本部件。葉片的翼型及扭曲、葉片的數(shù)量和尖速比都直接影響葉片接受風(fēng)能的效率。表2-2葉片剖面翼型與升阻比的關(guān)系風(fēng)力機(jī)種類葉片剖面翼型尖速比（λ）升阻比（L/D）風(fēng)力抽水機(jī)平板型曲板型風(fēng)帆型11020QUOTE~~4010QUOTE~~25微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)普通翼型風(fēng)帆型扭曲型3QUOTE~~43QUOTE~~45QUOTE~~720QUOTE~~5010QUOTE~~4030QUOTE~~80中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)扭曲型5QUOTE~~1550QUOTE~~100(15)葉片旋轉(zhuǎn)平面。葉片轉(zhuǎn)動時(shí)所形成的圓面。(16)風(fēng)輪直徑。葉片轉(zhuǎn)動掃掠面的直徑，亦稱葉片直徑。2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)1.功率控制方式采用變槳矩控制，每一個(gè)葉片上有一個(gè)變槳軸承，變槳軸承連接葉片和鑄鐵結(jié)構(gòu)的輪轂。葉片槳距角可根據(jù)風(fēng)速和功率輸出情況自動調(diào)節(jié)。2.發(fā)電機(jī)采用多極永磁同步電機(jī)，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，風(fēng)輪直接同發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接。3.變速恒頻系統(tǒng)采用AC-DC-AC變流方式，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的低頻交流電經(jīng)整流轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動直流電(AC/DC)，經(jīng)斬波升壓輸出為穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)DC/AC逆變器變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相的交流電，最后經(jīng)變壓器并入電網(wǎng)，完成向電網(wǎng)輸送電能的任務(wù)。圖2-3整體圖輪轂高度：65m葉輪直徑：77m額定功率：1500kW4.機(jī)組自動偏航系統(tǒng)能夠根據(jù)風(fēng)向標(biāo)所提供的信號自動確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的方向。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向標(biāo)信號，通過減速的驅(qū)動馬達(dá)使機(jī)艙自動對準(zhǔn)風(fēng)向。偏航系統(tǒng)在工作時(shí)帶有阻尼控制，通過優(yōu)化的偏航速度，使機(jī)組偏航旋轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。5.液壓系統(tǒng)由液壓泵站、電磁元件、蓄能器、聯(lián)結(jié)管路線等組成，用于為偏航剎車系統(tǒng)及轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)提供動力源。6.自動潤滑系統(tǒng)由潤滑泵、油分配器、潤滑小齒輪、潤滑管路線等組成，主要用于偏航軸承滾道及齒面的潤滑。7.制動系統(tǒng)采用葉片順槳實(shí)現(xiàn)空氣制動，降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，然后用機(jī)械剎車停機(jī)。8.機(jī)組機(jī)艙設(shè)計(jì)采用了人性化設(shè)計(jì)方案，工作空間較大，方便運(yùn)行人員檢查維修，同時(shí)還設(shè)計(jì)了電動提升裝置，方便工具及備件的提升直接驅(qū)動式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于沒有齒輪箱，零部件數(shù)量相對傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組要少得多。其主要部件包括：葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)定子、偏航系統(tǒng)、測風(fēng)系統(tǒng)、底座、塔架等。2.3機(jī)組詳細(xì)設(shè)計(jì)2.3.1葉輪設(shè)計(jì)直接驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉輪用于將空氣的動能轉(zhuǎn)換為葉輪轉(zhuǎn)動的機(jī)械能。葉輪的轉(zhuǎn)動是風(fēng)作用在葉片上產(chǎn)生的升力導(dǎo)致。機(jī)組采用三葉片，上風(fēng)向的布置形式，每個(gè)葉片有一套獨(dú)立的變槳機(jī)構(gòu)，主動對葉片進(jìn)行調(diào)節(jié)。葉片采用NACA翼型葉片，葉片材料使用強(qiáng)化玻璃鋼。葉輪直徑為77m，掃風(fēng)面積為m2。葉片配備雷電保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)遭遇雷擊時(shí)，通過間隙放電器將葉片上的雷電經(jīng)由塔架導(dǎo)入地下。每一個(gè)葉片上有一個(gè)變槳軸承，變槳軸承連接葉片和鑄鐵結(jié)構(gòu)的輪轂。葉片槳距角可根據(jù)風(fēng)速和功率輸出情況自動調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)維護(hù)時(shí)，葉輪可通過鎖定銷進(jìn)行鎖定。葉輪通過圓錐滾子軸承同空心軸連接，空心軸固定在機(jī)艙底座上。1、葉片設(shè)計(jì)（1）風(fēng)輪掃掠面積S的確定風(fēng)力機(jī)的有效功率為NE=kCaCtSv3η[1]，故風(fēng)輪掃掠面積S為S=QUOTE(2-8)式(2-8)中：K—單位換算系數(shù)，見表2-3，由表取K=0.6127；Ca—空氣高度密度換算系數(shù)，見表2-4，取Ca=1；Ct—空氣濕度密度修正系數(shù)，見表2-4，取Ct=1.13；Ne—風(fēng)力機(jī)有效功率，Ne=1500KW；v—設(shè)計(jì)風(fēng)速，取V=10m/s；η—風(fēng)力機(jī)全效率。風(fēng)力機(jī)的全效率一般取η=25%-50%。低速風(fēng)力機(jī)取小值，1-3葉片高速風(fēng)力機(jī)取大值；按表2-5選取，取η=0.45由以上參數(shù)可得：S=QUOTE4814m2表2-3風(fēng)力機(jī)功率換算系數(shù)K風(fēng)力機(jī)功率QUOTENeNe單位風(fēng)輪葉片掃掠面積S風(fēng)速v功率換算系數(shù)K瓦特（W）平方英尺（fQUOTEt2t2）英里/小時(shí)(mile/h)5.08×QUOTE10-110-1瓦特（W）平方英尺（fQUOTEt2t2）英尺/秒（ft/s）1.61×QUOTE10-310-3瓦特（W）平方米（QUOTEm2m2）米/秒（m/s）0.6127馬力（ph）平方英尺（fQUOTEt2t2）英里/小時(shí)(mile/h)6.81×QUOTE10-610-6馬力（ph）平方米（QUOTEm2m2）米/秒（m/s）8.21×QUOTE10-410-4表2-4空氣密度修正系數(shù)QUOTECaCa,QUOTECtCt值海拔高度（m）海拔高度（ft）C攝氏溫度（QUOTE）華氏溫度（QUOTEFF）C001.00-17.7801.1376225000.912-6.67201.083152450000.8324.44401040228675000.75615.559.91.0003048100000.68726.67800.963表2-5設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)初估全效率取值表風(fēng)力機(jī)形式初估全效率（η）說明多葉片風(fēng)力機(jī)10%QUOTE~~30%多用于農(nóng)業(yè)、牧業(yè)抽水風(fēng)帆葉片風(fēng)力機(jī)10%QUOTE~~20%多用于抽水、碾米、磨面垂直軸“索旺尼斯”風(fēng)力機(jī)10%QUOTE~~20%多用于抽水、壓縮空氣垂直軸“達(dá)里厄”風(fēng)力機(jī)15%QUOTE~~30%用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)扭曲葉片風(fēng)力機(jī)（螺旋型）15%QUOTE~~35%30%QUOTE~~45%1.0QUOTE~~10.0kW小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)10.0QUOTE~~100.0kW小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)扭曲葉片風(fēng)力機(jī)（螺旋型）35%QUOTE~~50%100kW以上大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（2）風(fēng)輪直徑的確定求出葉片掃掠面積S之后，便可計(jì)算出風(fēng)輪直徑dd=2QUOTE(m)[1](2-9)由（2-9）式可得風(fēng)輪直徑d=2QUOTE4814蟺=4814蟺=77m（3）確定風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)與風(fēng)力機(jī)的用途有關(guān)，與尖速比有一定的匹配，參考表2-1選取。由表2-1，取尖速比λ=5，則葉片數(shù)為3葉片。（4）確定單個(gè)葉片的面積Sy風(fēng)力機(jī)接受風(fēng)能的效率，與葉片翼型、尖速比等因素有關(guān)，同時(shí)還與密實(shí)比有關(guān)。所以密實(shí)比就是葉片本身的面積KQUOTESySy與葉片掃掠面積S之比。密實(shí)比愈高的葉片，其尖速比愈低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也愈低，葉片也愈多。多葉片低轉(zhuǎn)速風(fēng)輪啟動性能好，適用于風(fēng)力機(jī)抽水、碾米、壓縮空氣;密實(shí)比愈低的葉片，其尖速比愈高，其風(fēng)輪轉(zhuǎn)速愈高，葉片數(shù)愈少，適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)。密實(shí)比QUOTEK'K'按圖2-4曲線所形成的面積內(nèi)選則。圖2-4葉片密實(shí)度QUOTEK'K'與尖速比λ關(guān)系曲線QUOTESySy=QUOTEK'SkK'Sk(m2)（2-式（2-10）[1]中：k—風(fēng)輪葉片數(shù)，QUOTEK'K'--密實(shí)比，按圖2-4選取，QUOTEK'=0.08K'=0.08。由以上參數(shù)可得單個(gè)葉片面積QUOTESySy=QUOTE128m2（5）葉片剖面翼型翼型對風(fēng)力機(jī)葉片很重要，它直接接影響風(fēng)輪的啟動及接受風(fēng)能的效率。葉片翼型基本_L可分為平板型、風(fēng)帆型和扭曲型。低速風(fēng)力機(jī)往往采用翼型為平板型或風(fēng)帆型，它的的迎角在整個(gè)葉片上是一樣的，效率也不高，但結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，成本低?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪葉片翼型基本上都用扭曲型，扭曲葉片雖然制造困難，但能提高風(fēng)能利用率，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得最佳的風(fēng)能功率。所謂扭曲葉片，就是沿葉片長度葉片翼型扭轉(zhuǎn)一定角度，使得葉片翼型各處的安裝角θ不一致，角度由葉根至葉尖逐漸減少，使葉片各處都處在最佳迎角狀態(tài)，以獲得最佳升力，從而提高葉片接受風(fēng)能的效率。一些微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片有的是木制的，不易扭曲也可做成等安裝角葉片，只是效率低一些。葉片設(shè)計(jì)選取NACA-4412翼型，在確定葉片剖面翼型的同時(shí)，必須注意到翼型的升阻比。從理論上說，升阻比L/D越大越好，但升阻比大到一定限度時(shí)風(fēng)輪葉片的效率并不一定高，可參考表2-2及圖2-5圖2-5升由表2-2與圖2-5可選取翼型的升阻比L/D=80（6）葉片具體尺寸的確定葉片翼型不同其所接受的風(fēng)能亦有差別，為廠表示不同形狀的葉片其接受風(fēng)能的特征引入葉片形狀參數(shù)，尖速比愈大，則葉片面積應(yīng)愈小。葉片接受風(fēng)能的效率還與葉片翼型的相對迎風(fēng)角有關(guān)，即與迎角α有關(guān)，因相對迎風(fēng)角QUOTE=α+θ。為使葉片各處接受空氣動力一致，葉片各處的安裝角θ就不同，亦即相對迎風(fēng)角QUOTE不同，這就是扭曲葉片。隨著尖速比λ的增大葉片的相對迎風(fēng)角愈小。，λ=2QUOTE蟺Rn/60v蟺Rn/60v[1]是葉片尖端線速度與風(fēng)速的比。葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖不同半徑處的尖速比QUOTE位位可由下式得：QUOTEQUOTE=QUOTEQUOTE位=riR位=riRλ（2-11）式（2-11）中：ri—葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖的不同半徑；R—葉輪半徑，R=37.5m；λ—尖速比，λ=5?，F(xiàn)將風(fēng)輪分為10個(gè)剖面，每個(gè)剖面間隔0.1R。(a)利用上式計(jì)算各剖面尖速比λ值；(b)利用公式QUOTEλ[2]確定每個(gè)剖面的相對迎風(fēng)角QUOTE和安裝角θ；(c)根據(jù)公式N=QUOTE[2]確定每個(gè)剖面的形狀參數(shù)N；(d)由于選取的翼型為NACA-4412翼型，當(dāng)L/D=100時(shí)，由圖2-4可知迎角α=80，此時(shí)升力系數(shù)CL=1.1；利用公式L=QUOTErNCLBrNCLB[2]計(jì)算弦長由(a)(b)(c)(d)步的計(jì)算結(jié)果如下表2-6所示：表2-6葉片尺寸參數(shù)r/R0.10.20.30.40.50.60.70.80.91λ0.511.522.533.544.5553.133.623.918.414.912.510.89.58.47.6θ45.125.615.910.46.94.52.81.50.4-0.4N11.458.151.841.070.690.490.360.280.220.18L1540410036003090258520851585108557480圖2-6NACA-4412翼型風(fēng)輪葉片各參數(shù)確定之后，葉片幾何形狀就可確定，同時(shí)葉片實(shí)際安裝角也可確定，葉片的實(shí)際工作位置就確定了。定槳距葉片就是按計(jì)算所得到的實(shí)際葉片安裝角將葉片固定到輪毅上，不能變動葉片安裝角；變槳距葉片就是葉片用可轉(zhuǎn)動的軸安裝在輪毅上，輪載上安裝的幾個(gè)葉片可同步轉(zhuǎn)動以改變?nèi)~片的安裝角，也即同步改變?nèi)~片的迎角以滿足不同風(fēng)速條件下(額定風(fēng)速以上)風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到額定功率。變槳距葉片亦稱變槳距調(diào)速。葉尖失速控制葉片就是葉片大部分固定，僅葉尖部分葉片可以轉(zhuǎn)動改變?nèi)~片安裝角的葉片。用葉尖失速控制的葉片來調(diào)速的稱作葉尖失速控制調(diào)速。采用變槳距控制，在輪轂和葉片連接處放置一個(gè)型號為010.45.1400[4]的四點(diǎn)接觸球軸承，其外形如圖2-7所示。圖2-7無齒式四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承變槳距控制的目的是：使葉片的功角在一定范圍（0度90度）變化，以便調(diào)節(jié)輸出功率，避免了定槳距機(jī)組在確定功角后，有可能夏季發(fā)電低，而冬季又超發(fā)的問題。在低風(fēng)速段，功率得到優(yōu)化，能更好的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化電能。變槳機(jī)組的控制策略為：(a)額定風(fēng)速以下通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使其跟蹤風(fēng)速，這樣可以跟蹤最優(yōu)Cp；(b)額定風(fēng)速以上通過扭矩控制器及變槳控制器共同作用，使得功率、扭矩相對平穩(wěn)；功率曲線較好。（7）葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪葉片是接受風(fēng)能的最主要部件，葉片的設(shè)計(jì)要求有高效的接受風(fēng)能的翼型，合理的安裝角(或迎角)，科學(xué)的升阻比、尖速比和葉片扭曲。由于葉片直接迎風(fēng)獲得風(fēng)能，所以還要求葉片有合理的結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的材料和科學(xué)的工藝以使葉片能可靠地承擔(dān)風(fēng)力、葉片自重、離心力等給予葉片的各種彎矩、拉力，而且還要求葉片重量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、疲勞強(qiáng)度高、運(yùn)行安全可靠、易于安裝、維修方便、制造容易、制造成本和使用成本低:另外，葉片表面要光滑以減少葉片轉(zhuǎn)動時(shí)與空氣的摩擦阻力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是一個(gè)復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)上分三個(gè)部分。(1)根部:材料一般為金屬結(jié)構(gòu);(2)外殼:一般為玻璃鋼;(3)龍骨(加強(qiáng)筋或加強(qiáng)框):一般為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。采用玻璃鋼葉片，所謂玻璃鋼就是環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂等塑料滲入長度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強(qiáng)塑料。增強(qiáng)塑料強(qiáng)度高、重量輕、耐老化，表面可再纏玻璃纖維及涂環(huán)氧樹脂，既可增加強(qiáng)度又使葉片表面光滑。圖2-8玻璃鋼葉片圖2-8就是用玻璃鋼抽壓或擠壓成從葉根至葉尖漸縮的縱梁，其余部分用泡沫塑料填充，蒙皮用2QUOTE~~3層玻璃纖維纏繞再涂環(huán)氧樹脂的玻璃鋼葉片。2、輪轂2.3.2發(fā)電機(jī)選型風(fēng)力發(fā)電機(jī)目前主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，一是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，也是目前全世界各國廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，技術(shù)成熟，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)商品化生產(chǎn)；二是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于其效率低、又不能自行啟動，技術(shù)還不夠成熟，目前世界各國極少采用，僅美國和加拿大對其有較深人的研究。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中，也涉及到如何設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)或設(shè)計(jì)者對發(fā)電機(jī)選型的問題。對于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于發(fā)電機(jī)要安裝在距地面十幾米、幾十米高的塔架上方隨風(fēng)轉(zhuǎn)動的機(jī)艙里，因此，對于發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和選型尤為重要。在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)或?qū)Πl(fā)電機(jī)選型時(shí)，總的原則是:第一，發(fā)電機(jī)應(yīng)盡量是多極發(fā)電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速較低，以有效地降低增速比，使增速傳動少，齒輪少，乘量輕，體積小。比如設(shè)計(jì)32對64極發(fā)電機(jī)，在交流電頻率50Hz時(shí)同步額定轉(zhuǎn)速是93.75r/min，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速是60r/min，那么增速比是1.5625；而美國MOD-1型2000kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)是1800r/min的額定轉(zhuǎn)速，增速器的增速達(dá)5l，增速器體積大、重量大。再比如，如果設(shè)計(jì)64極對128極發(fā)電機(jī)，交流頻率50Hz時(shí)同步轉(zhuǎn)速是46.875r/min，這樣的轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)有可能與風(fēng)力機(jī)直聯(lián)，從而省掉了增速器。在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)或設(shè)計(jì)者對發(fā)電機(jī)選型時(shí)，要盡量設(shè)計(jì)或選用多極低轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)使增速比小或能達(dá)到直聯(lián)省去增速器，這樣既能降低制造成本，又能降低或省去對增速器的維護(hù)費(fèi)用，使用戶降低使用成本。第二，由于發(fā)電機(jī)安裝在很高的隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動的機(jī)艙里.要求發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、可靠性高、壽命長。第三.應(yīng)充分注意發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)制造成本，應(yīng)采用最先進(jìn)的技術(shù)，材料，工藝而以最低的生產(chǎn)成本生產(chǎn)。第四，統(tǒng)籌兼顧。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到完全自動控制現(xiàn)場無人值守的程度，雖然風(fēng)的隨機(jī)性很大，但風(fēng)輪調(diào)速在微機(jī)的控制下已達(dá)到穩(wěn)定可靠，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)使用的前景廣闊，比如單機(jī)為北方冬季大棚溫室埋地?zé)峋€提高地溫提供電力，對于電壓、頻率要求不那么嚴(yán)格，對于發(fā)電要求也不那么嚴(yán)格。對于海島漁民、風(fēng)能資源豐富地區(qū)的牧民、貧困地區(qū)的農(nóng)民生產(chǎn)、生活用電，是采用直流發(fā)電機(jī)經(jīng)逆變達(dá)到供電要求還是采用交流發(fā)電機(jī)微機(jī)控制或經(jīng)調(diào)速裝置調(diào)速使交流穩(wěn)定在一定范圍，要根據(jù)使用者的各種條件，綜合分析后決定采用什么發(fā)電機(jī)。選用多極永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、動定軸和其他附件構(gòu)成。發(fā)電機(jī)定子由定子支架、鐵芯和繞組以及其他附件組成，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架和永磁磁極組成。選取外轉(zhuǎn)子型，轉(zhuǎn)子位于定子的外部，發(fā)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如表2-7所示：表2-7發(fā)電機(jī)參數(shù)額定功率額定轉(zhuǎn)速極數(shù)額定電壓繞組絕緣等級防護(hù)等級發(fā)電機(jī)重量1580KW17.3r/min88極690vF級IP2343噸L1=1665mQUOTE4982mQUOTE4585mL2=1995m圖2-10發(fā)電機(jī)外形圖發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、動定軸和其他附件構(gòu)成。發(fā)電機(jī)定子由定子支架、鐵芯和繞組以及其他附件組成，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架和永磁磁極組成。此發(fā)電機(jī)是外轉(zhuǎn)子型，轉(zhuǎn)子位于定子的外部。由于采用這種永磁體外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與同功率電勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，電機(jī)的尺寸和外徑相對較小。定子繞組材料全部采用F級以上等級的絕緣材料，溫升按照B級考核。定子繞組使用高性能聚酯亞胺絕緣樹脂真空浸漬，優(yōu)良的浸漆環(huán)境充分的保證了定子繞組絕緣性能。在發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)制造有兩個(gè)方便維護(hù)人員穿越的艙門和相應(yīng)的人孔。并配有雙重的機(jī)械、電氣安全保障措施。采用直驅(qū)結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被葉輪直接驅(qū)動，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的齒輪箱部件內(nèi)，潤滑油泄漏、噪音、齒輪箱過載和損壞的問題因而消失了，同時(shí)也會降低用戶的運(yùn)行和維護(hù)成本。2.3.3塔架設(shè)計(jì)塔架是支撐高位布置風(fēng)力機(jī)的架子，它不僅要有一定的高度，使風(fēng)力機(jī)處在較為理想的位置上（即渦流影響較小的高度）運(yùn)轉(zhuǎn)；而且還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度與剛度，以保證在臺風(fēng)或暴風(fēng)襲擊時(shí)，不會使整機(jī)傾倒。因此，塔架的設(shè)計(jì)是風(fēng)力機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)中極為重要的一環(huán)，應(yīng)十分重視。1、塔架高度的確定由于剪切效應(yīng)的影響，風(fēng)速是隨著高度的增加而增大。塔架越高，風(fēng)力機(jī)單位面積所捕捉的風(fēng)能越大，但造價(jià)，技術(shù)要求以及吊裝的難度也隨之增加。所以，風(fēng)力機(jī)的塔架并非越高越好，而要綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)這兩個(gè)因素。這樣，塔架的高度實(shí)際上就被限制在一定的范圍之內(nèi)。塔架的最低高度為Hmin=h+C+R（2-12）式（2-12）[3]中：h—接近風(fēng)力機(jī)的障礙物高度；取h=20mC—由障礙物最高點(diǎn)到風(fēng)輪掃掠面最低點(diǎn)的距離（常取C=1.5QUOTE~~2.0m）；R—風(fēng)輪半徑，R=39.5m由以上數(shù)據(jù)可得Hmin=20+2+39.5=61.5m，取H=63.25m2、塔架形式確定采用圓臺式，圓臺式塔架由鋼板卷制（或軋鋼）焊接而成的上小下大的圓臺，如圖2-11所示圖2-11圓臺式塔架示意圖機(jī)組的動力盤與控制柜通常就吊掛在塔架的內(nèi)壁上，無需再另建控制室。塔內(nèi)有直梯通往機(jī)艙。它外形美觀，結(jié)構(gòu)緊湊，很受用戶歡迎，因此，廣泛用于上風(fēng)向布置的大型風(fēng)力機(jī)上2.3.4其它附屬部件1、機(jī)艙風(fēng)力機(jī)常年累月在野外運(yùn)轉(zhuǎn)，不但要經(jīng)受狂風(fēng)暴雨的襲擊，還時(shí)刻面臨塵沙磨損和鹽霧侵蝕的威脅。為了使塔架上方的主要設(shè)備及附屬部件免受風(fēng)沙，雨雪，冰雹以及鹽霧的直接侵害，往往用罩把他們密封起來，這罩殼就是機(jī)艙。機(jī)艙負(fù)責(zé)將葉輪和發(fā)電機(jī)的靜態(tài)和動態(tài)載荷傳遞到塔架。另外，機(jī)艙罩內(nèi)還有控制柜、提升機(jī)、偏航系統(tǒng)等，外部還有測風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)性質(zhì)不同，機(jī)艙可分為三個(gè)部分：1）傳遞載荷的鑄件部分；2）供維護(hù)人員使用的工作平臺；3）由玻璃纖維原料制造的殼體。機(jī)艙外形如圖2-12所示圖2-12機(jī)艙外形圖2、機(jī)座機(jī)座用來支撐塔架上方風(fēng)力機(jī)的所用設(shè)備及附屬部件，它牢固與否將直接關(guān)系到整機(jī)的安危和使用壽命。機(jī)座的設(shè)計(jì)要與整體布置統(tǒng)一考慮，在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，應(yīng)力求耐用，緊湊，輕巧。中，大型風(fēng)力機(jī)的機(jī)座相對來講要復(fù)雜一些，他通常由縱梁，橫梁為主，機(jī)座與發(fā)電機(jī)內(nèi)主軸直接相連，主軸另一端與葉輪相連。3、回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)體實(shí)際上就是機(jī)座與塔架之間的連接件。通常由固定套，回轉(zhuǎn)圈以及位于他們之間的軸承組成。固定套鎖定在塔架上部，而回轉(zhuǎn)圈則與機(jī)座相連。這樣，通過他們之間的軸承作用，風(fēng)力機(jī)在風(fēng)向變化時(shí)，就能繞其回轉(zhuǎn)而自動迎風(fēng)。作用到回轉(zhuǎn)體上的不僅有塔架上方所有設(shè)備與附屬部件的重量，而且還有作用于風(fēng)輪及回轉(zhuǎn)體本身上的氣動推力，因此回轉(zhuǎn)體選用的軸承應(yīng)該既能承受軸向力又能承受徑向力，所以選取軸承型號為011.60.2500[4]型外齒式四點(diǎn)接觸球軸承，外圈與塔架固定，內(nèi)圈與機(jī)座固定，軸承外圈上有一圈齒輪，通過連接在機(jī)座上的電機(jī)輸出軸小齒輪與其嚙合，電機(jī)啟動，機(jī)座帶著整個(gè)機(jī)艙就能迎風(fēng)偏航，軸承外形如圖2-13所示：圖2-13外齒式四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承4、偏航及變槳電機(jī)選擇型號：112.4.2種類：IM3001(3相籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī))額定功率：4.5kW，1500rpm，S260min最大轉(zhuǎn)矩：75Nm制動轉(zhuǎn)矩：100Nm額定電壓：29V額定電流：125A額定功率因數(shù)：0.89絕緣等級：F轉(zhuǎn)動慣量：0.0148kgm2防護(hù)等級：IP542.3.5機(jī)組運(yùn)行安全系統(tǒng)1、制動系統(tǒng)采用三套獨(dú)立的葉片變槳系統(tǒng)，也可在一套槳距系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能順槳的情況下實(shí)現(xiàn)獨(dú)立剎車。機(jī)械剎車安裝在發(fā)電機(jī)內(nèi)，加壓剎車，釋壓松閘，主要用于將機(jī)組保持在停機(jī)位置。2、偏航系統(tǒng)采用主動偏航對風(fēng)形式。在機(jī)艙后部放置兩個(gè)互相獨(dú)立的傳感器——風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)。風(fēng)向標(biāo)的信號反映出風(fēng)機(jī)與主風(fēng)向之間有偏離，當(dāng)風(fēng)向持續(xù)發(fā)生變化時(shí)，控制器根據(jù)風(fēng)向標(biāo)傳遞的信號控制叁個(gè)偏航驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)動機(jī)艙對準(zhǔn)主風(fēng)向，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（a）偏航軸承采用“零游隙”設(shè)計(jì)的四點(diǎn)接觸球軸承，以增加整機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，增強(qiáng)抗沖擊載荷能力；（b）偏航工作時(shí)，10個(gè)偏航剎車閘都加有部分剎車載荷（20bar－30bar的余壓），使得偏航過程中始終有阻尼存在，保證偏航時(shí)機(jī)艙平穩(wěn)轉(zhuǎn)動；（c）采用了力矩特性較軟的多極電機(jī)驅(qū)動，結(jié)合風(fēng)電場的工況，可優(yōu)化機(jī)組偏航轉(zhuǎn)速，保證較小的沖擊；（d）偏航剎車為液壓驅(qū)動剎車，靜止時(shí)偏航剎車閘將機(jī)艙牢固鎖定；偏航時(shí)，剎車仍然保持一定的余壓，使偏航運(yùn)動更加平穩(wěn)，避免可能發(fā)生的振動現(xiàn)象。（e）位于偏航電機(jī)驅(qū)動軸上的電磁剎車具有失效保護(hù)功能,在出現(xiàn)外部故障（如斷電）時(shí),電磁制動系統(tǒng)仍能使機(jī)組的偏航系統(tǒng)處于可靠的鎖定狀態(tài)。（f）偏航電機(jī)采用大功率低轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)方案，從而使偏航過程更加平穩(wěn)。3、具體運(yùn)行過程為（a）當(dāng)風(fēng)速持續(xù)10分鐘（可設(shè)置）超過3m/s，風(fēng)機(jī)將自動啟動。葉輪轉(zhuǎn)速大于9轉(zhuǎn)／分時(shí)并入電網(wǎng)。（b）隨著風(fēng)速的增加，發(fā)電機(jī)的出力隨之增加，當(dāng)風(fēng)速大于12m/s時(shí)，達(dá)到額定出力，超出額定風(fēng)速機(jī)組進(jìn)行恒功率控制。（c）當(dāng)風(fēng)速高于２２米/秒持續(xù)10分鐘，將實(shí)現(xiàn)正常剎車（變槳系統(tǒng)控制葉片進(jìn)行順槳，轉(zhuǎn)速低于切入轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)）。（d）當(dāng)風(fēng)速高于28米/秒并持續(xù)10（e）當(dāng)風(fēng)速高于33米/秒并持續(xù)1（f）當(dāng)遇到一般故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)正常剎車。（g）當(dāng)遇到特定故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)緊急剎車。2.3.6對國內(nèi)風(fēng)資源的適應(yīng)性為了確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)，對國內(nèi)風(fēng)資源狀況進(jìn)行了調(diào)查分析。調(diào)查情況簡要說明如下：新疆達(dá)坂城氣象站多年測得10米高度處年平均風(fēng)速6.4m/s內(nèi)蒙輝騰錫勒風(fēng)電場根據(jù)1994年3月～1995年2月1日測風(fēng)數(shù)據(jù)的整理分析，該地區(qū)風(fēng)場浙江大多數(shù)海島的年平均風(fēng)速在6m／s左右，離大陸較遠(yuǎn)的海島其年平均風(fēng)速可達(dá)7～8m／s，沿海地區(qū)的年平均風(fēng)速在5m／s以上，而內(nèi)陸地區(qū)則在3m／s左右，千米以上的高山的年平均風(fēng)速也有6m／s以上。吉林通榆地區(qū)40米高度處年平均風(fēng)速為7.236m/s黑龍江北部和東南部山區(qū)的適宜位置，年平均風(fēng)速分別高達(dá)6.0～7.0m／s和7.0～9.0m／福建平潭風(fēng)電場附近幸福洋測站10m高度處年平均風(fēng)速為7.7m/s。湖北齊躍山實(shí)測的風(fēng)速資料(1997年3月～2000年3月)表明，10米高度處年平均風(fēng)速為7.1m／s廣東南澳果老山測站實(shí)測資料，年平均風(fēng)速為10.3m/s；大王山測站實(shí)測資料，年平均風(fēng)速為9.4m／s。第三章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)與靜強(qiáng)度特性分析3.1風(fēng)力機(jī)動態(tài)特性分析3.1.1塔架固有頻率計(jì)算梁的橫向彎曲振動如圖3-1所示，假設(shè)梁的各截面的中心主慣性軸在同一平面xoy內(nèi)，外載荷也作用在該平面內(nèi)，梁在該平面內(nèi)作橫向振動，這時(shí)梁的主要變形是彎曲變形，在低頻振動時(shí)可以忽略剪切變形以及截面繞中性軸轉(zhuǎn)動慣量的影響，這種梁稱為（伯努利·歐拉梁）（a）（b）圖3-11.橫向振動微分方程建立圖3-1（a）所示的坐標(biāo)系，設(shè)y(x，t)是梁上距原點(diǎn)x處的截面在時(shí)刻的橫向位移，p（x，t）是單位長度梁上分布的外力，m(x，t)是單位長度梁上分布的外力矩，記單位體積梁的質(zhì)量為ρ，梁的橫截面積為A，材料彈性模量為E，截面對中性軸的慣性矩為J。圖3-1（b）畫出了微段dx的受力情況，其中Q,M分別是截面上的剪力合彎矩，ρAdxQUOTE是微段的慣性力，圖中所有的力及力矩都按正方向畫出。由力平衡方程有：ρAdxQUOTE+（Q+QUOTEdx）-Q-pdx=0或?qū)憺镼UOTE(3-1)由力矩平衡方程（略去高階小量）有：M+Qdx-mdx-(M+QUOTEdx)=0或?qū)憺镼=QUOTE+m(3-2)式（b）代入（a），得QUOTE+QUOTE由材料力學(xué)的平衡面假設(shè)得知，彎矩與撓度的關(guān)系為M=EJQUOTE[5]，代入上式后得QUOTE=p(x,t)-QUOTEm(x,t)(3-3)式（3-3）就是伯努利-歐拉梁的橫向振動微分方程，對于等截面梁，抗彎剛度EJ為常數(shù)，上式成為EJQUOTE+ρAQUOTE=p(x,t)-QUOTE(3-4)2.固有頻率和主振型在式（3-4）中令p（x,t）=m(x,t)=0，得到下列梁的橫向自由振動方程：QUOTE(3-5)根據(jù)對縱向振動的分析，梁的主振動可假設(shè)為y(x,t)=Y(x)bQUOTE(3-6)其中Y(x)即主振型或振型函數(shù)。將上式代入（3-5），得（EJQUOTEY'')''Y'')''-QUOTE蠅蠅ρAy=0對于等截面梁，式（3-7）成為：QUOTEY''Y''-QUOTE尾尾Y=0(3-8)其中QUOTE，QUOTEa2a2=QUOTEEJ蟻AEJ蟻A(3-9)式（3-8）的通解為：Y(x)=QUOTE+QUOTE+QUOTE+QUOTE利用簡諧函數(shù)和雙曲函數(shù)，上式可寫為：Y(x)=QUOTE+QUOTE(3-10)代入式（3-6）后得到梁的主振動為：y(x,t)=(QUOTE+QUOTE)bQUOTE(3-11)其中常數(shù)QUOTEC1C1,QUOTEC2C2,QUOTEC3C3,QUOTEC4C4及固有頻率QUOTE蠅蠅由邊界條件及主振型歸一化條件確定，常數(shù)b,QUOTE蠁蠁則由初始條件確定。對于等截面梁，一端固定一端自由的邊界條件為Y(0)=0QUOTEY'Y'=0（a）QUOTEY''Y''(l)=0QUOTEY'''Y'''(l)=0（b）式（a）代入（3-3-10）及其一階導(dǎo)數(shù)，得QUOTEC1C1+QUOTEC2C2=0QUOTEC3C3+QUOTEC4C4=0于是有QUOTEC3=-C1C3=-C1，QUOTEC4C4=-QUOTEC2C2式（b）代入（3-3-10）的二階導(dǎo)數(shù)及三階導(dǎo)數(shù)，由式（c）有（QUOTE+chQUOTE尾l尾l）QUOTEC1C1+(QUOTE+shQUOTE=0(QUOTE-shQUOTE-(QUOTE+chQUOTE尾l尾l)QUOTEC2C2=0（d）要有不同時(shí)為零的常數(shù)QUOTEC1C1，QUOTEC2C2，由式（d）必有QUOTE=0上式化簡后得到下列頻率方程QUOTE=-1（e）方程（e）的前四個(gè)根為QUOTE尾l尾l=1.875,QUOTE=4.694,QUOTE尾l尾l=7.855,QUOTE尾l尾l=10.996固有頻率為QUOTE蠅蠅=QUOTEa=(QUOTE尾尾lQUOTEi=1,2,………(3-12)圖3-2畫出了一端固定一端自由邊界條件下等截面梁的前n階主振型曲線。圖3-23.塔架固有頻率塔架為一端固定一端自由型，根據(jù)公式（3-12）QUOTE蠅蠅=QUOTEa=(QUOTE尾尾lQUOTE圖3-3中：D為塔架外徑，D=4md為塔架內(nèi)徑，d=3.96m（由于塔架外形為圓臺狀，其直徑大小沿長度方向均勻變化，為便于計(jì)算，選取直徑變化的平均值處的塔架截面為研究對象）圖3-3塔架截面式(3-12)中：E—彈性模量，E=2×QUOTE10111011pa；J--慣性矩，J=QUOTE=0.5QUOTEm4m4[5]；ρ—塔架單位體積密度，ρ=6.3×QUOTE103103kg/QUOTEm3m3；A—塔架截面積，A=QUOTE=0.25QUOTEm2m2；l—塔架長度，l=63.25m。由以上條件可計(jì)算出QUOTE蠅蠅=QUOTE=QUOTE=1.1Hz,同理：QUOTE蠅蠅=7.0HzQUOTE蠅蠅=19.5Hz3.1.2利用瑞利-里茲法進(jìn)行近似求解，這里以梁的橫向振動為對象作如下討論。QUOTE蠅蠅=QUOTE(3-13)其中自變函數(shù)Y（x）要求滿足位移邊界條件，假若位移邊界條件存在的話。這樣一個(gè)可供選擇的自變函數(shù)的范圍未免太大了些。在瑞麗-里茲法中，首先選則n個(gè)連續(xù)，二階可導(dǎo)并且滿足位移邊界條件的已知函數(shù)QUOTE蠁蠁(x)(i=1,2,…，n)，這里QUOTE蠁蠁(x)稱為基礎(chǔ)函數(shù)，然后將自變函數(shù)按基礎(chǔ)函數(shù)展開，即Y(x)=QUOTE=QUOTE(3-14)其中QUOTEa1a1，QUOTEa2a2，……，QUOTEanan是參變數(shù)。上式的意義是，自變函數(shù)Y(x)不再在所有滿足位移邊界條件的函數(shù)集內(nèi)選擇，而是在僅包括n個(gè)參數(shù)QUOTEaiai，由n個(gè)基礎(chǔ)函數(shù)QUOTE蠁(x)蠁(x)所組成的函數(shù)集內(nèi)選擇，顯然后者的范圍比前者的范圍來得小，因而泛函（3-13）基于（3-14）的自變函數(shù)所取得的駐值是近似的，記為QUOTE。由（3-14），泛函（3-13）的分子及分母可寫為QUOTE0lEJ(Y'')2dx0lEJ(Y'')2dx=QUOTE)(QUOTE=QUOTE=QUOTEaTKaaTKa(3-15)QUOTE0l蟻AY2dx0l蟻AY2dx=QUOTE)(QUOTE)dx=QUOTE=QUOTEaTMaaTMa(3-16)其中K=QUOTEM=QUOTEQUOTEi,j=1,2,……，n(3-17)n×n階矩陣K及M顯然是對稱矩陣，將（3-15），（3-16）代入（3-13），得：QUOTE=stQUOTEaTKaaTMaaTKaaTMa由QUOTEQUOTE可得：（K-QUOTEM）a=0(3-19)如果在式（3-15）的級數(shù)中只取一項(xiàng)，即Y(x)=QUOTE則式(3-19)成為：QUOTE(3-20)由上式得到：QUOTE=QUOTEk11m11k11m11=QUOTE(3-21)這樣求固有頻率的方法稱為瑞利法，通常用于求第一階固有頻率的近似值。圖3-4葉片簡化計(jì)算模型由于葉片截面翼型比較復(fù)雜，為便于計(jì)算，將葉片截面簡化為長方形,葉片的根部尺寸高2b=1.54m，底a=0.56m，葉片長l=37.5m，壁厚為0.02m圖3-4為葉片簡化計(jì)算模型圖，其中QUOTEA0A0=2ab-2(a-0.04)(b-0.02)=0.17m2為根部截面積，截面變化為QUOTEAxAx=QUOTEA0(xl)2A0(xl)2（3-22）葉片材料為玻璃鋼，其彈性模量E=1.8×QUOTE104104MPa，密度ρ=4×QUOTE103103kg/QUOTE葉片根部截面對中性軸的慣性矩QUOTEJ0J0=QUOTEa(2b)312-a-0.04(2b-0.04)312=截面對中性軸的慣性矩為QUOTEJxJx=QUOTEJ0x4l4J0x4l4設(shè)基礎(chǔ)函數(shù)QUOTE蠁x蠁x=(QUOTExl)i+1xQUOTE(x)=QUOTEi+1(xl)ili+1(xl)ilQUOTE(x)=QUOTEii+1(xl)i-1根據(jù)式（3-17）可得：QUOTEK11K11=QUOTE=QUOTE=6.55×QUOTE103103QUOTEm11m11=QUOTE=QUOTE=QUOTE3.6×QUOTE103103同理可知：QUOTEk22k22=4.2×QUOTE104104QUOTEm22m22=3×QUOTE103103QUOTEk33k33=1.3×QUOTE105105QUOTEm33m33=2.3×QUOTE103103由式（3-21）可得：QUOTE蠅蠅=1.3HzQUOTE蠅蠅=14.0HzQUOTE蠅蠅=56.5Hz3.1.3葉輪三倍頻率由于機(jī)組為直驅(qū)式，葉輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)同步，選取的發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為17.3r/min，轉(zhuǎn)速范圍為9-17.3r/min，所以葉輪轉(zhuǎn)速范圍為9-17.3r/min。QUOTEnminnmin=9r/minQUOTEnmaxnmax=17.3r/min則其轉(zhuǎn)頻為QUOTE蠅蠅=QUOTEnmin60=nmin60=0.15HzQUOTE蠅蠅=QUOTEnmax60=n3QUOTE蠅蠅=0.45HzQUOTE=0.87Hz一般葉片自振頻率不與轉(zhuǎn)速頻率的整數(shù)倍重合，就可避免共振，對于三個(gè)葉片的風(fēng)力機(jī)要求第一頻率大于三倍轉(zhuǎn)速頻率，則由以上對塔架以及葉片的動態(tài)特性分析結(jié)果可知，此風(fēng)力機(jī)可避免共振。3.2風(fēng)力機(jī)靜態(tài)特性分析3.2.1塔架靜強(qiáng)度對塔架進(jìn)行受力分析，圖（3-5）為塔架受力示意圖，圖(3-6)為塔架受力簡化圖和彎矩圖。圖3-5圖3-6根據(jù)葉片軸向推力經(jīng)驗(yàn)公式，推力F=0.4Sv2=4.8×QUOTE105105N則塔架受到的彎矩M=QUOTEM2M2-QUOTEM1M1=(QUOTEG2L2G2L2+QUOTEG3L3G3L3)QUOTEFQUOTEL1L1(3-24)式(3-24)[5]中：QUOTEG2G2—發(fā)電機(jī)重量，G2=4.3×QUOTE105105N；QUOTEG3G3—葉輪重量，G3=1.8×QUOTE105105N；QUOTEL1L1—塔架頂部到輪轂中心高的豎直距離，L1=1m；QUOTEL2L2—發(fā)電機(jī)重心到塔架的水平距離，L2=2.68m；QUOTEL3L3—葉輪重心到塔架的水平距離，L3=3.5m；l—塔架高度，l=63.25m。由以上條件可得M=(4.3×QUOTE105105×2.68+1.8×QUOTE105105×3.5)QUOTE4.8×QUOTE105105×1=1.3×QUOTE105105N·m由圖（3-6）可知，截面B所受彎矩最大QUOTEMmax=Mmax=M+F·l=1.3×QUOTE105+105+4.8×QUOTE3×QUOTE107107N·mQUOTE蟽蟽=QUOTEMmaxymaxJMmaxymaxJ式(3-25)[5]中：QUOTEymaxymax--塔架截面距離中性軸最遠(yuǎn)距離，QUOTEymax=ymax=2m；J—塔架截面對中性軸的慣性矩，由式（3-12）可知J=0.5QUOTEm4m4。由以上條件可得QUOTE蟽蟽=QUOTE124.8MPa塔架材料為鋼制材料，其許用應(yīng)力QUOTE蟽蟽=160MPa，QUOTE蟽蟽=124.8MPaQUOTE<蟽<蟽，由此可知塔架靜強(qiáng)度復(fù)合要求。3.2.2葉片靜強(qiáng)度葉片水平位置放置時(shí)，葉片軸主要承受重量力矩QUOTEMgMg，氣動力矩QUOTEMbMb，工作力矩QUOTEMPMP，以及離心拉力QUOTEFcFc的作用，如圖3-7所示圖3-7葉片水平放置時(shí)受力示意圖危險(xiǎn)截面D處的重量力矩為（Nm）QUOTEMgMg=QUOTEGbGb(QUOTERgRg-l)(3-26)式(3-26)中：QUOTEGbGb——葉片所受重力（N），QUOTEGbGb=5.5×QUOTE103103N；QUOTERgRg——葉片重心到風(fēng)輪中心的距離（m）；QUOTERgRg=13m；l—葉片軸危險(xiǎn)截面到風(fēng)輪中