15MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)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(dòng)態(tài)特性計(jì)算分析姓名學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)機(jī)械制造及自動(dòng)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(duì)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(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，先通過(guò)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(tái)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(dòng)理論的計(jì)算方法對(duì)機(jī)組進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析，依此來(lái)了解機(jī)組在運(yùn)行過(guò)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(shí)對(duì)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(dòng)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(dòng)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(lái) 41.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的問(wèn)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(duì)國(guó)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(dòng)態(tài)與靜強(qiáng)度特性分析 253.1風(fēng)力機(jī)動(dòng)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(wú)污染、可再生的清潔能源。早在公元前200年，人類(lèi)就開(kāi)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(guó)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(chǎng)。現(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(zhǎng)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(guó)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(shì)必拉動(dòng)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(shì)必推動(dòng)蓄電池向大容量、小體積、免維修、高效率方向發(fā)展;勢(shì)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(dòng)的行業(yè)發(fā)展將為數(shù)以萬(wàn)計(jì)的人創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)?？梢?jiàn)，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)力發(fā)電對(duì)于發(fā)展經(jīng)濟(jì)，保護(hù)地球環(huán)境，有著重要意義。中國(guó)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(jí)的風(fēng)電技術(shù)也已具備自主開(kāi)發(fā)能力。截止到2005年底，中國(guó)風(fēng)能資源豐富的16個(gè)省、市、自治區(qū)，已建成風(fēng)電場(chǎng)92座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3.297臺(tái)，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(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量居世界第六位。據(jù)了解，2000年前，中國(guó)風(fēng)電處于試驗(yàn)示范階段，主要是國(guó)外政府援助的小項(xiàng)目。2000年后，中國(guó)政府采取了一系列措施推動(dòng)并網(wǎng)風(fēng)電的發(fā)展。自2004年起，中國(guó)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)利用的主要方式。人類(lèi)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(chē)提水、碾米、磨面，借風(fēng)帆為船助航。中國(guó)、伊拉克、埃及、荷蘭、丹麥等都是最早利用風(fēng)能的國(guó)家。經(jīng)過(guò)一段漫長(zhǎng)的歷史過(guò)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(kāi)始著手利用風(fēng)能發(fā)電。以后，各國(guó)都從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制開(kāi)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(kāi)拓了將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的先河。美國(guó)從1930年開(kāi)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(xiāo)售到其他一些國(guó)家。1941年，美國(guó)設(shè)計(jì)生產(chǎn)了1臺(tái)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(guó)家先后開(kāi)始了容量100KW以上的風(fēng)力發(fā)電裝置的研制。法國(guó)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(wèn)題停止運(yùn)行60d后恢復(fù)正常運(yùn)行，后者因剎車(chē)系統(tǒng)的問(wèn)題而停止運(yùn)行，但為法國(guó)后來(lái)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(wàn)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(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，使風(fēng)力發(fā)電又重新受到了重視。美國(guó)、丹麥、荷蘭、英國(guó)、德國(guó)、瑞典、加拿大等國(guó)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(kāi)發(fā)規(guī)劃。到2003年，全世界各國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘繛?9151.3MW，其中2003年新增容量7980.7MW，增長(zhǎng)率為25.6%。表1-1列出了風(fēng)電裝機(jī)容量前10位國(guó)家的裝機(jī)數(shù)量、2003年新增容量和增長(zhǎng)率。表1-12003年風(fēng)電裝機(jī)容量前10位國(guó)家的裝機(jī)數(shù)量國(guó)別2003年增加裝機(jī)容量（MW）2003年增長(zhǎng)率總裝機(jī)容量（MW）德國(guó)2608.121.714609.1美國(guó)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(guó)97.017.6649.0中國(guó)99.021.2567.0日本172.051.5506.0中國(guó)利用風(fēng)能發(fā)電始自加世紀(jì)70年代，中國(guó)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(guó)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(kāi)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(guó)內(nèi)8家單位聯(lián)合研制的中國(guó)首臺(tái)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(guò)鑒定，表明中國(guó)已經(jīng)能夠自行研制、開(kāi)發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。1996年中國(guó)國(guó)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(zhǎng)島.遼寧東崗、橫山，福建平潭，浙江測(cè)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(chǎng)，至1999年總裝機(jī)容量達(dá)246MW。這些風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)雖然由美國(guó)、.丹麥、德國(guó)、荷蘭等國(guó)購(gòu)入，但促進(jìn)了中國(guó)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(guó)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(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源，尚不到可開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能資源的20%，可見(jiàn)其開(kāi)發(fā)潛力之大。世界各國(guó)之所以把風(fēng)能資源作為主要開(kāi)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(wú)限止地開(kāi)采；二是開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能資源，基木上對(duì)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(lái)當(dāng)前，世界各國(guó)都在重視環(huán)境污染問(wèn)題并采取措施進(jìn)行治理。目前世界各國(guó)電能產(chǎn)生主要是靠火力發(fā)電。火力發(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(duì)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(duì)大氣的污染，世界各國(guó)都在積極地發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。目前，盡管世界各國(guó)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(guó)更加重視和重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的能源之一。1996年國(guó)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(chǎng)，促進(jìn)我國(guó)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(guó)仍有7個(gè)無(wú)電縣，還有706萬(wàn)農(nóng)戶沒(méi)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(méi)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(shì)必拉動(dòng)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(shì)必推動(dòng)大容量、小體積、高效率、免維修、壽命長(zhǎng)的蓄電池早日問(wèn)世。風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展及其拉動(dòng)的各行業(yè)的發(fā)展，必定為世界各國(guó)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的人創(chuàng)造了就業(yè)機(jī)會(huì)。1.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的問(wèn)題風(fēng)能是無(wú)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(wèn)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(wèn)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(dòng)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(dòng)時(shí)對(duì)距離近的電視會(huì)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(duì)機(jī)組進(jìn)行動(dòng)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(dòng)、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(dòng)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(dòng)發(fā)電機(jī)的機(jī)組。本章將對(duì)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?dòng)就是風(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(dòng)形成的。風(fēng)能在這里指的是風(fēng)的動(dòng)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(méi)有輪毅)，葉片無(wú)限多，對(duì)空氣流沒(méi)有阻力?？諝饬魇沁B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(dòng)的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動(dòng)空氣對(duì)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(guò)風(fēng)輪的風(fēng)速。v2是葉片掃掠后的風(fēng)速，通過(guò)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(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)葉片時(shí)的速度；v2--風(fēng)經(jīng)過(guò)葉片后的速度；S1--葉片前的風(fēng)速的面積；S--風(fēng)經(jīng)過(guò)葉片時(shí)的面積；S2--風(fēng)經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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(guò)風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動(dòng)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(duì)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(shuō)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(guò)葉片掃掠面積s的風(fēng)能的59.3%。貝茨理論說(shuō)明，理想的風(fēng)能對(duì)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(méi)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(méi)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(méi)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(dòng)力特性也不同。在未討論葉片的幾何形狀及其空氣動(dòng)力特性之前，先明確幾個(gè)概念和術(shù)語(yǔ)。(1)葉尖速比。葉尖速比，簡(jiǎn)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(lái)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(dòng)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(zhǎng)是翼的弦長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)的20%QUOTE~~35%，當(dāng)厚度表達(dá)為弦長(zhǎng)的函數(shù)稱厚弦比或稱相稱相對(duì)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(dòng)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(lái)表示。(10)迎角α。翼弦與相對(duì)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(lái)表示QUOTERz=R2SyRz=R2Sy=QUOTER2RL式(2-6)[1]中：QUOTELmLm—平均弦長(zhǎng)，m；QUOTESySy—葉片面積，m2；R—風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)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(duì)不同翼型葉片其都能對(duì)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(lèi)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(dòng)時(shí)所形成的圓面。(16)風(fēng)輪直徑。葉片轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)偏航系統(tǒng)能夠根據(jù)風(fēng)向標(biāo)所提供的信號(hào)自動(dòng)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(hào)，通過(guò)減速的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使機(jī)艙自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。偏航系統(tǒng)在工作時(shí)帶有阻尼控制，通過(guò)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(chē)系統(tǒng)及轉(zhuǎn)子剎車(chē)系統(tǒng)提供動(dòng)力源。6.自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)由潤(rùn)滑泵、油分配器、潤(rùn)滑小齒輪、潤(rùn)滑管路線等組成，主要用于偏航軸承滾道及齒面的潤(rùn)滑。7.制動(dòng)系統(tǒng)采用葉片順槳實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)，降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，然后用機(jī)械剎車(chē)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(dòng)提升裝置，方便工具及備件的提升直接驅(qū)動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于沒(méi)有齒輪箱，零部件數(shù)量相對(duì)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(cè)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(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉輪用于將空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能。葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)對(duì)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(guò)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(dòng)調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)維護(hù)時(shí)，葉輪可通過(guò)鎖定銷(xiāo)進(jìn)行鎖定。葉輪通過(guò)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(jiàn)表2-3，由表取K=0.6127；Ca—空氣高度密度換算系數(shù)，見(jiàn)表2-4，取Ca=1；Ct—空氣濕度密度修正系數(shù)，見(jiàn)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(shuō)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(dòng)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(duì)風(fēng)力機(jī)葉片很重要，它直接接影響風(fēng)輪的啟動(dòng)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(jiǎn)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(zhǎng)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(shuō)，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(duì)迎風(fēng)角有關(guān)，即與迎角α有關(guān)，因相對(duì)迎風(fēng)角QUOTE=α+θ。為使葉片各處接受空氣動(dòng)力一致，葉片各處的安裝角θ就不同，亦即相對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)葉片安裝角；變槳距葉片就是葉片用可轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)改變?nèi)~片安裝角的葉片。用葉尖失速控制的葉片來(lái)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(hào)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(wú)齒式四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤(pán)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(wèn)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(guò)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(guò)扭矩控制器及變槳控制器共同作用，使得功率、扭矩相對(duì)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(dòng)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(shù)脂、不飽和樹(shù)脂等塑料滲入長(zhǎng)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(shù)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(shù)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(guó)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(guó)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(dòng)，技術(shù)還不夠成熟，目前世界各國(guó)極少采用，僅美國(guó)和加拿大對(duì)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(duì)發(fā)電機(jī)選型的問(wèn)題。對(duì)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(dòng)的機(jī)艙里，因此，對(duì)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(dòng)少，齒輪少，乘量輕，體積小。比如設(shè)計(jì)32對(duì)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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)的機(jī)艙里.要求發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)。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?，F(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(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(duì)于電壓、頻率要求不那么嚴(yán)格，對(duì)于發(fā)電要求也不那么嚴(yán)格。對(duì)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(dòng)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(jí)防護(hù)等級(jí)發(fā)電機(jī)重量1580KW17.3r/min88極690vF級(jí)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(dòng)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(duì)較小。定子繞組材料全部采用F級(jí)以上等級(jí)的絕緣材料，溫升按照B級(jí)考核。定子繞組使用高性能聚酯亞胺絕緣樹(shù)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(mén)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(dòng)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的齒輪箱部件內(nèi)，潤(rùn)滑油泄漏、噪音、齒輪箱過(guò)載和損壞的問(wèn)題因而消失了，同時(shí)也會(huì)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(tái)風(fēng)或暴風(fēng)襲擊時(shí)，不會(huì)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(tái)式，圓臺(tái)式塔架由鋼板卷制（或軋鋼）焊接而成的上小下大的圓臺(tái)，如圖2-11所示圖2-11圓臺(tái)式塔架示意圖機(jī)組的動(dòng)力盤(pán)與控制柜通常就吊掛在塔架的內(nèi)壁上，無(wú)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(lái)，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(dòng)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(cè)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(tái)；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(lái)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(duì)來(lái)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(hào)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(guò)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(dòng)，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(pán)軸承4、偏航及變槳電機(jī)選擇型號(hào)：112.4.2種類(lèi)：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(dòng)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(jí)：F轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.0148kgm2防護(hù)等級(jí)：IP542.3.5機(jī)組運(yùn)行安全系統(tǒng)1、制動(dòng)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(chē)。機(jī)械剎車(chē)安裝在發(fā)電機(jī)內(nèi)，加壓剎車(chē)，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(dòng)偏航對(duì)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(hào)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(hào)控制叁個(gè)偏航驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙對(duì)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(chē)閘都加有部分剎車(chē)載荷（20bar－30bar的余壓），使得偏航過(guò)程中始終有阻尼存在，保證偏航時(shí)機(jī)艙平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)；（c）采用了力矩特性較軟的多極電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)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(chē)為液壓驅(qū)動(dòng)剎車(chē)，靜止時(shí)偏航剎車(chē)閘將機(jī)艙牢固鎖定；偏航時(shí)，剎車(chē)仍然保持一定的余壓，使偏航運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，避免可能發(fā)生的振動(dòng)現(xiàn)象。（e）位于偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上的電磁剎車(chē)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(dòng)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(guò)程更加平穩(wěn)。3、具體運(yùn)行過(guò)程為（a）當(dāng)風(fēng)速持續(xù)10分鐘（可設(shè)置）超過(guò)3m/s，風(fēng)機(jī)將自動(dòng)啟動(dòng)。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(chē)（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(chē)。（g）當(dāng)遇到特定故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)緊急剎車(chē)。2.3.6對(duì)國(guó)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(duì)國(guó)內(nèi)風(fēng)資源狀況進(jìn)行了調(diào)查分析。調(diào)查情況簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：新疆達(dá)坂城氣象站多年測(cè)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(chǎng)根據(jù)1994年3月～1995年2月1日測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的整理分析，該地區(qū)風(fēng)場(chǎng)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(chǎng)附近幸福洋測(cè)站10m高度處年平均風(fēng)速為7.7m/s。湖北齊躍山實(shí)測(cè)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(cè)站實(shí)測(cè)資料，年平均風(fēng)速為10.3m/s；大王山測(cè)站實(shí)測(cè)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(dòng)態(tài)與靜強(qiáng)度特性分析3.1風(fēng)力機(jī)動(dòng)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(dòng)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(dòng)，這時(shí)梁的主要變形是彎曲變形，在低頻振動(dòng)時(shí)可以忽略剪切變形以及截面繞中性軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)度梁上分布的外力，m(x，t)是單位長(zhǎng)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(duì)中性軸的慣性矩為J。圖3-1（b）畫(huà)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(huà)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(dòng)微分方程，對(duì)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(dòng)方程：QUOTE(3-5)根據(jù)對(duì)縱向振動(dòng)的分析，梁的主振動(dòng)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(duì)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(jiǎn)諧函數(shù)和雙曲函數(shù)，上式可寫(xiě)為：Y(x)=QUOTE+QUOTE(3-10)代入式（3-6）后得到梁的主振動(dòng)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(duì)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(jiǎn)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(huà)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(tái)狀，其直徑大小沿長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)為對(duì)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(kāi)，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(lái)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(xiě)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(duì)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(jí)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(jiǎn)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(jiǎn)化為長(zhǎng)方形,葉片的根部尺寸高2b=1.54m，底a=0.56m，葉片長(zhǎng)l=37.5m，壁厚為0.02m圖3-4為葉片簡(jiǎn)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(duì)中性軸的慣性矩QUOTEJ0J0=QUOTEa(2b)312-a-0.04(2b-0.04)312=截面對(duì)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(duì)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(duì)塔架以及葉片的動(dòng)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(dòng)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