15MW風力發(fā)電機組動態(tài)特性計算分析

畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：1.5MW風力發(fā)電機組動態(tài)特性計算分析姓名學院機械工程學院專業(yè)機械制造及自動化指導教師職稱教授2009年0

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

AbstractAcertainComposedbythethecalculationofvibrationtheorytopropertiesstrengthDynamicCharacteristics1.5MWWindturbine；Design；DynamicAnalysis；Staticstrengthcheck

目錄前言 1第一章緒論 21.1風能利用與風力發(fā)電機的發(fā)展歷史 21.2風力發(fā)電的意義及風力發(fā)電機的未來 41.3風力發(fā)電機存在的問題 4第二章總體設(shè)計方案 62.1風力發(fā)電機的基本原理 62.1.1貝茨(Betz)理論 62.1.2風力發(fā)電機葉片的概念 82.2風力發(fā)電機總體結(jié)構(gòu) 102.3機組詳細設(shè)計 122.3.1葉輪設(shè)計 122.3.2發(fā)電機選型 192.3.3塔架設(shè)計 202.3.4其它附屬部件 212.3.5機組運行安全系統(tǒng) 232.3.6對國內(nèi)風資源的適應性 24第三章風力發(fā)電機組動態(tài)與靜強度特性分析 253.1風力機動態(tài)特性分析 253.1.1塔架固有頻率計算 253.1.3葉輪三倍頻率 313.2風力機靜態(tài)特性分析 313.2.1塔架靜強度 313.2.2葉片靜強度 32結(jié)論 34參考文獻 35致謝 36附錄一英文文獻 37附錄二英文翻譯 44前言風能是一種無污染、可再生的清潔能源。早在公元前200年，人類就開始利用風能了。提水、碾米、磨面及船的助航都有風能利用的記載。自第一次世界大戰(zhàn)之后，丹麥仿造飛機的螺旋槳制造二葉和三葉高速風力發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)使用直至現(xiàn)在，風力發(fā)電機經(jīng)歷了近百年的發(fā)展歷程:20世紀80年代之后，世界工業(yè)發(fā)達國家率先研究、快速發(fā)展了風力發(fā)電機，建設(shè)了風電場?，F(xiàn)在風力發(fā)電機制造成本不斷下降，已接近水力發(fā)電機的水平，制造及使用技術(shù)也日趨成熟。20世紀末，世界每年風電裝機容量以近20%的增長速度發(fā)展，風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%的地方安裝上風力發(fā)電機，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，風力發(fā)電將成為世界各國重點發(fā)展的能源之一，風力發(fā)電機的制造業(yè)也必將成為新興的機械制造業(yè)。風力發(fā)電機制造業(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)電機制造，電器控制，液壓機械，增強塑料、復合材料等行業(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;勢必拓寬微機在風力發(fā)電機自控方面的應用和發(fā)展。風力發(fā)電機的發(fā)展及其拉動的行業(yè)發(fā)展將為數(shù)以萬計的人創(chuàng)造就業(yè)機會。可見，發(fā)展風力發(fā)電機及風力發(fā)電對于發(fā)展經(jīng)濟，保護地球環(huán)境，有著重要意義。中國風電發(fā)展的前景非常好，600千瓦和750千瓦風力發(fā)電機組已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，兆瓦級的風電技術(shù)也已具備自主開發(fā)能力。截止到2005年底，中國風能資源豐富的16個省、市、自治區(qū)，已建成風電場92座，累計運行風力發(fā)電機組3.297臺，總?cè)萘窟_2.590MW。2005年新增裝機容量高達1.330MW。根據(jù)全球風能協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國風電總裝機容量居世界第六位。據(jù)了解，2000年前，中國風電處于試驗示范階段，主要是國外政府援助的小項目。2000年后，中國政府采取了一系列措施推動并網(wǎng)風電的發(fā)展。自2004年起，中國風電進入了快速發(fā)展階段，2006年總裝機容量的增長率高達104%。第一章緒論1.1風能利用與風力發(fā)電機的發(fā)展歷史風能利用有多種形式，目前有發(fā)電、提水灌溉、致熱供曖、助航等（如圖1-1所示）。將風能轉(zhuǎn)換成電能是風能開發(fā)利用的主要方式。人類利用風能的歷史可追溯到中世紀甚至更早，最初是將風能轉(zhuǎn)換為機械能，用風車提水、碾米、磨面，借風帆為船助航。中國、伊拉克、埃及、荷蘭、丹麥等都是最早利用風能的國家。經(jīng)過一段漫長的歷史過程后，到19世紀末，隨著科學技術(shù)的進步，丹麥的研究人員才開始著手利用風能發(fā)電。以后，各國都從小型風力發(fā)電機研制開始，逐漸向中大型風力發(fā)電機發(fā)展。第一次世界大戰(zhàn)之后，丹麥仿造飛機的螺旋槳制造了二葉、三葉高速風力發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電，雖然裝機容量都在5KW以下，但是開拓了將風能轉(zhuǎn)換成電能的先河。美國從1930年開始研制風力發(fā)電機，當時以杰卡斯風力發(fā)電機最為出名，而且被銷售到其他一些國家。1941年，美國設(shè)計生產(chǎn)了1臺1250KW二圖1風能轉(zhuǎn)換與利用示意圖二葉片“伯能”風力發(fā)電機，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，該風力發(fā)電機運行了3.5a，后因葉片金屬疲勞被大風吹斷而停止運行。前蘇聯(lián)于1931年在巴塔拉瓦（靠近黑海的雅爾塔）建造了風輪直徑為30.48m,、塔架高度為30.48m、額定功率為100KW的風力發(fā)電機組，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以上的風力發(fā)電裝置的研制。法國在1958-1966年間先后設(shè)計、生產(chǎn)和試驗了貝斯·羅曼尼（Best-Romani）風力發(fā)電機（額定功率800KW，試驗時達到1025KW）和尼爾必克（Neyrpic）風力發(fā)電機（額定功率132KW及1000KW）。前者因技術(shù)問題停止運行60d后恢復正常運行，后者因剎車系統(tǒng)的問題而停止運行，但為法國后來的研究、設(shè)計和生產(chǎn)風力發(fā)電機準備了條件。前西德1957QUOTE~~1968年間研究、設(shè)計和制造了10QUOTE~~100KW的風力發(fā)電機，成功地使用了復合材料葉片，為復合材料用于制作大型風力發(fā)電機葉片奠定了基礎(chǔ)。丹麥的蓋瑟風力發(fā)電機的風輪直徑為27m，額定功率為200KW，每年發(fā)電量約40萬KWh左右。在20世紀60年代前后，由于內(nèi)燃機的廣泛使用，其燃料來自廉價的石油，風力發(fā)電成本較高，與內(nèi)燃機發(fā)電相比不具有競爭力，使風力發(fā)電機的發(fā)展近于停止。但是1973年發(fā)生了世界性的石油危機，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、加拿大等國家在風力發(fā)電的研究與應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，全世界各國風電裝機總?cè)萘繛?9151.3MW，其中2003年新增容量7980.7MW，增長率為25.6%。表1-1列出了風電裝機容量前10位國家的裝機數(shù)量、2003年新增容量和增長率。表1-12003年風電裝機容量前10位國家的裝機數(shù)量國別2003年增加裝機容量（MW）2003年增長率總裝機容量（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中國利用風能發(fā)電始自加世紀70年代，中國發(fā)展微小型風力發(fā)甩機為內(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、大型風力發(fā)電機發(fā)展起步較晚，直到加世紀80年代才開始自行研制。首次中型18kw風力發(fā)電機的研制嘗試是1977年研制的FD13-18型風力發(fā)電機，水平軸，二葉片(直升機退役槳葉)、直徑15.6m,額定功率18KW，半導體勵磁恒壓三相同步發(fā)電機，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大型風力發(fā)電機在浙江蒼南縣鶴頂山完成2000h運行試驗，1997年通過鑒定，表明中國已經(jīng)能夠自行研制、開發(fā)大型風力發(fā)電機。1996年中國國家計委實施“乘風計劃”，先后在新疆達坂城，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，河北張北等風能資源豐富地區(qū)建了19個風電場，至1999年總裝機容量達246MW。這些風電場的風力發(fā)電機雖然由美國、.丹麥、德國、荷蘭等國購入，但促進了中國風力發(fā)電機事業(yè)的發(fā)展，加快了大型風力發(fā)電機國產(chǎn)化進程。目前，世界風力發(fā)電機裝機容量每年幾乎以20%的速度增加，風電己成為世界上發(fā)展最快的能源。即使如此，目前世界各開發(fā)利用的風能資源，尚不到可開發(fā)利用風能資源的20%，可見其開發(fā)潛力之大。世界各國之所以把風能資源作為主要開發(fā)能源之一，有2個主要原因:一是地球上不可再生能源--石油、天然氣、煤的蘊藏有限，不可無限止地開采；二是開發(fā)利用風能資源，基木上對環(huán)境不造成污染。1.2風力發(fā)電的意義及風力發(fā)電機的未來當前，世界各國都在重視環(huán)境污染問題并采取措施進行治理。目前世界各國電能產(chǎn)生主要是靠火力發(fā)電。火力發(fā)電以碳氫化合物為主要成分的煤、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。CO2形成溫室效應，改變局部氣候，造成各種自然災害。為了減少火電對大氣的污染，世界各國都在積極地發(fā)展風力發(fā)電。目前，盡管世界各國的風力發(fā)電量還不到世界總耗電量的2%，但全世界風力發(fā)電裝機容量的快速發(fā)展和風力發(fā)電機技術(shù)的成熟和不斷完善，在今后10年，風力發(fā)電必將成為世界各國更加重視和重點開發(fā)的能源之一。1996年國家計委實施了“乘風計劃”，引進大型風力發(fā)電機建風電場，促進我國大型風力發(fā)電機的發(fā)展。與此同時，實施的“光明工程”旨在促進中小型風力發(fā)電機的發(fā)展。至1999年，我國仍有7個無電縣，還有706萬農(nóng)戶沒有用上電。發(fā)展中小型風力發(fā)電機可以為那些地處偏遠地區(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。風力發(fā)電機的制造和維護，在今后也將成為一種新興的機械制造業(yè)，成為世界主要機械制造業(yè)之一。風力發(fā)電機制造業(yè)的發(fā)展又勢必拉動大、中型錐鋼管、鋼飯等冶金行業(yè)，增強塑料、復合材料行業(yè)，發(fā)電機行業(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。風力發(fā)電、風力發(fā)電機的發(fā)展及其拉動的各行業(yè)的發(fā)展，必定為世界各國數(shù)以萬計的人創(chuàng)造了就業(yè)機會。1.3風力發(fā)電機存在的問題風能是無污染、可再生、零成本的清潔能源之一，但風力發(fā)電目前還存在一些應繼續(xù)解決的問題。1.發(fā)電成本較高目前，世界風力發(fā)電的成本已達到6美分/(KW·h)以下，達到3美分/(KW·h)就與火電成本相當。風力發(fā)電成本較高的主要原因是風力發(fā)電機生產(chǎn)制造成本較高及風力發(fā)電機在運行時維護費用較高造成的。2.風力發(fā)電機生產(chǎn)制造成本較高1980年以前，美國中小型風力發(fā)電機生產(chǎn)制造成本2000QUOTE~~5000美元/kW，風力發(fā)電機生產(chǎn)技術(shù)先進的丹麥中小型風力發(fā)電機生產(chǎn)制造成本為1750QUOTE~~2500美元/KW。大型風力發(fā)電機生產(chǎn)制造成本較中小型風力發(fā)電機生產(chǎn)制造成本為低。美國大型風力發(fā)電機生產(chǎn)制造成本約為1350QUOTE~~3500美元/KW，丹麥約1380QUOTE~~3000美元KW。至20世紀末葉，由于風力發(fā)電機裝機容量的不斷增加及工業(yè)發(fā)達國家風力發(fā)電機商品化，風力發(fā)電機生產(chǎn)制造成本逐年降低。至1999年工業(yè)發(fā)達國家已將風力發(fā)電機生產(chǎn)制造成本降低到500美元/KW,達到500美元/kW就與火電投資成本相當。還應繼續(xù)降低風力發(fā)電機的制造成本。3.風力發(fā)電機組尚存在一些質(zhì)量問題（l）風力發(fā)電機的壽命還難以達到20QUOTE~~30年；（2）葉片斷裂、控制系統(tǒng)失靈等事故還時有發(fā)生。4.風力發(fā)電機運行時抗干撫性有待解決（1）風力發(fā)電機轉(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合葉片在轉(zhuǎn)動時對距離近的電視會造成重影或條紋狀干擾；5.設(shè)計風力發(fā)電機組應注意到以下幾個方面（1）由于風力發(fā)電機都是安裝在環(huán)境惡劣的地區(qū),且離地面較高的位置,因此必須校核機組的靜態(tài)特性；（2）為了避免機組發(fā)生共振，必須對機組進行動態(tài)特性分析，確保各部件的頻率不重合，避免共振；（3）由于機組安裝位置特殊，機組設(shè)計應盡量減輕質(zhì)量，以減少載荷。第二章總體設(shè)計方案風力發(fā)電機組采用水平軸、三葉片、上風向、變槳距調(diào)節(jié)、直接驅(qū)動、永磁同步發(fā)電機并網(wǎng)的總體設(shè)計方案。2.1風力發(fā)電機的基本原理一定速度前進的風吹在靜止的風力機葉片上做功并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，將風能有效地轉(zhuǎn)變成電能。風力發(fā)電機就是由風力機驅(qū)動發(fā)電機的機組。本章將對風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算分別加以介紹?？諝獾牧鲃泳褪秋L。風是由于地球自轉(zhuǎn)及緯度溫差等原因致使空氣流動形成的。風能在這里指的是風的動能。關(guān)于風力機的理論有幾種，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)理論世界上第一個關(guān)于風力機風輪葉片接受風能的完整的理論是1919年由A·貝茨(Betz)建立的。貝茨理論的建立，是假定風輪是“理想”的，全部接受風能(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(或稱平行風輪軸線的)，這時的風輪稱“理想風輪”。分析一個放置在移動的空氣中的“理想風輪”葉片上所受到的力及移動空氣對風輪葉片所做的功。設(shè)風輪前方的風速為QUOTEv1v1,v是實際通過風輪的風速。v2是葉片掃掠后的風速，通過風輪葉片前風速面積s1,葉片掃掠面的風速面積s及掃掠后風速面積s2。風吹到葉片上所做的功是將風的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機械能，則必v2<v1,s2>s1。如圖2-1所示。圖2-1中v1葉片前的風速；v--風經(jīng)過葉片時的速度；v2--風經(jīng)過葉片后的速度；S1--葉片前的風速的面積；S--風經(jīng)過葉片時的面積；S2--風經(jīng)過葉片后的面積，于是s1v1=s2v2=sv風作用在葉片上的力由歐拉定理求得：F=ρsv(v2-v1)（2-1）圖2-1貝茨理論計算簡圖式（2-1）中ρ--空氣當時的密度。風輪所接受的功率為N=Fv=ρsv2(v2-v1)（2-2）經(jīng)過風輪葉片的風的動能轉(zhuǎn)化?T=QUOTE1212ρsv(QUOTEv12-v22v12-v2式中ρsv空氣質(zhì)量。N=?Tv=QUOTEv1+v22因此，風作用在風輪葉片上的力F和風輪輸出的功率N分別為F=QUOTE1212ρs（QUOTEv12-v22)v12-v22)N=QUOTE1414ρs（QUOTEv12風速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正是風速為v1風能T，故Nmax=CpT（2-4）Cp=0.593說明風吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率Nmax為風吹過葉片掃掠面積s的風能的59.3%。貝茨理論說明，理想的風能對風輪葉片做功的最高效率是59.3%。通常風力機風輪葉片接受風能的效率達不到59.3%，一般設(shè)計時根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況，取0.25QUOTE~~0.45。貝茨風能理論是風力機設(shè)計的最基本理論。到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)有突破貝茨風能效率的風力機。貝茨理論是假想建立在“理想風輪”的情況下得到的。貝茨理論沒有給定理想風輪葉片的形狀、翼型、迎角、葉片扭曲等直接影響風輪接受風能的各種條件，因此，在設(shè)計風力發(fā)電機時、要注意考慮葉片接受風能的各種要素.2.1.2風力發(fā)電機葉片的概念貝茨理論提供了風能的基本理論，沒有提供風力機葉片的幾何形狀，因為貝茨理論假定的是理想風輪。風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，先明確幾個概念和術(shù)語。(1)葉尖速比。葉尖速比，簡稱尖速比，風輪葉片尖端的線速度與風速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—風速，m/s；n—風輪轉(zhuǎn)速，r/min；R—風輪轉(zhuǎn)動半徑，m。低速風輪，λ取小值；高速風輪，λ取大值。表2-1給出了風輪葉片數(shù)與尖速比入的匹配值。表2-1風力機葉片數(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%，當厚度表達為弦長的函數(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，即風輪轉(zhuǎn)動直徑稱為翼展。(9)葉片安裝角。風輪旋轉(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—風輪轉(zhuǎn)動半徑，m。(12)失速。風吹在翼型上時使翼產(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。當迎角增加到某一臨界值acr時，升力突然減小而阻力急劇增加，此時風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。在負迎角時，升力系數(shù)隨負角的增加而減小，達到最小值CLmin；阻力系數(shù)隨負角的減小而降低，對不同翼型葉片其都能對應一個最小值;而后隨迎角的增大而增大。(13)風輪。風輪就是葉片安裝在輪毅上的總成。(14)葉片。葉片是接受風能的基本部件。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能的效率。表2-2葉片剖面翼型與升阻比的關(guān)系風力機種類葉片剖面翼型尖速比（λ）升阻比（L/D）風力抽水機平板型曲板型風帆型11020QUOTE~~4010QUOTE~~25微、小型風力發(fā)電機普通翼型風帆型扭曲型3QUOTE~~43QUOTE~~45QUOTE~~720QUOTE~~5010QUOTE~~4030QUOTE~~80中、大型風力發(fā)電機扭曲型5QUOTE~~1550QUOTE~~100(15)葉片旋轉(zhuǎn)平面。葉片轉(zhuǎn)動時所形成的圓面。(16)風輪直徑。葉片轉(zhuǎn)動掃掠面的直徑，亦稱葉片直徑。2.2風力發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)1.功率控制方式采用變槳矩控制，每一個葉片上有一個變槳軸承，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)風速和功率輸出情況自動調(diào)節(jié)。2.發(fā)電機采用多極永磁同步電機，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，風輪直接同發(fā)電機轉(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。圖2-3整體圖輪轂高度：65m葉輪直徑：77m額定功率：1500kW4.機組自動偏航系統(tǒng)能夠根據(jù)風向標所提供的信號自動確定風力發(fā)電機組的方向。當風向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，控制系統(tǒng)根據(jù)風向標信號，通過減速的驅(qū)動馬達使機艙自動對準風向。偏航系統(tǒng)在工作時帶有阻尼控制，通過優(yōu)化的偏航速度，使機組偏航旋轉(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)采用葉片順槳實現(xiàn)空氣制動，降低風輪轉(zhuǎn)速，然后用機械剎車停機。8.機組機艙設(shè)計采用了人性化設(shè)計方案，工作空間較大，方便運行人員檢查維修，同時還設(shè)計了電動提升裝置，方便工具及備件的提升直接驅(qū)動式風力發(fā)電機組由于沒有齒輪箱，零部件數(shù)量相對傳統(tǒng)風電機組要少得多。其主要部件包括：葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、發(fā)電機定子、偏航系統(tǒng)、測風系統(tǒng)、底座、塔架等。2.3機組詳細設(shè)計2.3.1葉輪設(shè)計直接驅(qū)動風力發(fā)電機組的葉輪用于將空氣的動能轉(zhuǎn)換為葉輪轉(zhuǎn)動的機械能。葉輪的轉(zhuǎn)動是風作用在葉片上產(chǎn)生的升力導致。機組采用三葉片，上風向的布置形式，每個葉片有一套獨立的變槳機構(gòu)，主動對葉片進行調(diào)節(jié)。葉片采用NACA翼型葉片，葉片材料使用強化玻璃鋼。葉輪直徑為77m，掃風面積為m2。葉片配備雷電保護系統(tǒng)。當遭遇雷擊時，通過間隙放電器將葉片上的雷電經(jīng)由塔架導入地下。每一個葉片上有一個變槳軸承，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)風速和功率輸出情況自動調(diào)節(jié)。風機維護時，葉輪可通過鎖定銷進行鎖定。葉輪通過圓錐滾子軸承同空心軸連接，空心軸固定在機艙底座上。1、葉片設(shè)計（1）風輪掃掠面積S的確定風力機的有效功率為NE=kCaCtSv3η[1]，故風輪掃掠面積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—風力機有效功率，Ne=1500KW；v—設(shè)計風速，取V=10m/s；η—風力機全效率。風力機的全效率一般取η=25%-50%。低速風力機取小值，1-3葉片高速風力機取大值；按表2-5選取，取η=0.45由以上參數(shù)可得：S=QUOTE4814m2表2-3風力機功率換算系數(shù)K風力機功率QUOTENeNe單位風輪葉片掃掠面積S風速v功率換算系數(shù)K瓦特（W）平方英尺（fQUOTEt2t2）英里/小時(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(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)計風力發(fā)電機初估全效率取值表風力機形式初估全效率（η）說明多葉片風力機10%QUOTE~~30%多用于農(nóng)業(yè)、牧業(yè)抽水風帆葉片風力機10%QUOTE~~20%多用于抽水、碾米、磨面垂直軸“索旺尼斯”風力機10%QUOTE~~20%多用于抽水、壓縮空氣垂直軸“達里厄”風力機15%QUOTE~~30%用于風力發(fā)電機扭曲葉片風力機（螺旋型）15%QUOTE~~35%30%QUOTE~~45%1.0QUOTE~~10.0kW小型風力發(fā)電機10.0QUOTE~~100.0kW小型風力發(fā)電機扭曲葉片風力機（螺旋型）35%QUOTE~~50%100kW以上大型風力發(fā)電機（2）風輪直徑的確定求出葉片掃掠面積S之后，便可計算出風輪直徑dd=2QUOTE(m)[1](2-9)由（2-9）式可得風輪直徑d=2QUOTE4814蟺=4814蟺=77m（3）確定風力機葉片數(shù)風力機的葉片數(shù)與風力機的用途有關(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）確定單個葉片的面積Sy風力機接受風能的效率，與葉片翼型、尖速比等因素有關(guān)，同時還與密實比有關(guān)。所以密實比就是葉片本身的面積KQUOTESySy與葉片掃掠面積S之比。密實比愈高的葉片，其尖速比愈低，風輪轉(zhuǎn)速也愈低，葉片也愈多。多葉片低轉(zhuǎn)速風輪啟動性能好，適用于風力機抽水、碾米、壓縮空氣;密實比愈低的葉片，其尖速比愈高，其風輪轉(zhuǎn)速愈高，葉片數(shù)愈少，適合于風力發(fā)電機。密實比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—風輪葉片數(shù)，QUOTEK'K'--密實比，按圖2-4選取，QUOTEK'=0.08K'=0.08。由以上參數(shù)可得單個葉片面積QUOTESySy=QUOTE128m2（5）葉片剖面翼型翼型對風力機葉片很重要，它直接接影響風輪的啟動及接受風能的效率。葉片翼型基本_L可分為平板型、風帆型和扭曲型。低速風力機往往采用翼型為平板型或風帆型，它的的迎角在整個葉片上是一樣的，效率也不高，但結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，成本低?，F(xiàn)代風力發(fā)電機的風輪葉片翼型基本上都用扭曲型，扭曲葉片雖然制造困難，但能提高風能利用率，使風力發(fā)電機獲得最佳的風能功率。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能的效率。一些微小型風力發(fā)電機葉片有的是木制的，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)計選取NACA-4412翼型，在確定葉片剖面翼型的同時，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風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能亦有差別，為廠表示不同形狀的葉片其接受風能的特征引入葉片形狀參數(shù)，尖速比愈大，則葉片面積應愈小。葉片接受風能的效率還與葉片翼型的相對迎風角有關(guān)，即與迎角α有關(guān)，因相對迎風角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角愈小。，λ=2QUOTE蟺Rn/60v蟺Rn/60v[1]是葉片尖端線速度與風速的比。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)將風輪分為10個剖面，每個剖面間隔0.1R。(a)利用上式計算各剖面尖速比λ值；(b)利用公式QUOTEλ[2]確定每個剖面的相對迎風角QUOTE和安裝角θ；(c)根據(jù)公式N=QUOTE[2]確定每個剖面的形狀參數(shù)N；(d)由于選取的翼型為NACA-4412翼型，當L/D=100時，由圖2-4可知迎角α=80，此時升力系數(shù)CL=1.1；利用公式L=QUOTErNCLBrNCLB[2]計算弦長由(a)(b)(c)(d)步的計算結(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翼型風輪葉片各參數(shù)確定之后，葉片幾何形狀就可確定，同時葉片實際安裝角也可確定，葉片的實際工作位置就確定了。定槳距葉片就是按計算所得到的實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速條件下(額定風速以上)風力發(fā)電機得到額定功率。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型號為010.45.1400[4]的四點接觸球軸承，其外形如圖2-7所示。圖2-7無齒式四點接觸球轉(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。在低風速段，功率得到優(yōu)化，能更好的將風能轉(zhuǎn)化電能。變槳機組的控制策略為：(a)額定風速以下通過控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速使其跟蹤風速，這樣可以跟蹤最優(yōu)Cp；(b)額定風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)計風力發(fā)電機的風輪葉片是接受風能的最主要部件，葉片的設(shè)計要求有高效的接受風能的翼型，合理的安裝角(或迎角)，科學的升阻比、尖速比和葉片扭曲。由于葉片直接迎風獲得風能，所以還要求葉片有合理的結(jié)構(gòu)、先進的材料和科學的工藝以使葉片能可靠地承擔風力、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)強度高、疲勞強度高、運行安全可靠、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)動時與空氣的摩擦阻力。風力發(fā)電機葉片是一個復合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)上分三個部分。(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(加強筋或加強框):一般為玻璃纖維增強復合材料或碳纖維增強復合材料。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塑料。增強塑料強度高、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)電機選型風力發(fā)電機目前主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，一是水平軸風力發(fā)電機，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)達國家已經(jīng)商品化生產(chǎn)；二是垂直軸風力發(fā)電機，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。在風力發(fā)電機組的設(shè)計中，也涉及到如何設(shè)計發(fā)電機或設(shè)計者對發(fā)電機選型的問題。對于水平軸風力發(fā)電機，由于發(fā)電機要安裝在距地面十幾米、幾十米高的塔架上方隨風轉(zhuǎn)動的機艙里，因此，對于發(fā)電機的設(shè)計和選型尤為重要。在設(shè)計發(fā)電機或?qū)Πl(fā)電機選型時，總的原則是:第一，發(fā)電機應盡量是多極發(fā)電機，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32對64極發(fā)電機，在交流電頻率50Hz時同步額定轉(zhuǎn)速是93.75r/min，如果風力發(fā)電機風輪額定轉(zhuǎn)速是60r/min，那么增速比是1.5625；而美國MOD-1型2000kW風力發(fā)電機的發(fā)電機是1800r/min的額定轉(zhuǎn)速，增速器的增速達5l，增速器體積大、重量大。再比如，如果設(shè)計64極對128極發(fā)電機，交流頻率50Hz時同步轉(zhuǎn)速是46.875r/min，這樣的轉(zhuǎn)速的發(fā)電機有可能與風力機直聯(lián)，從而省掉了增速器。在設(shè)計發(fā)電機或設(shè)計者對發(fā)電機選型時，要盡量設(shè)計或選用多極低轉(zhuǎn)速的發(fā)電機使增速比小或能達到直聯(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費用，使用戶降低使用成本。第二，由于發(fā)電機安裝在很高的隨風向轉(zhuǎn)動的機艙里.要求發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、可靠性高、壽命長。第三.應充分注意發(fā)電機的生產(chǎn)制造成本，應采用最先進的技術(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)代計算機技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使風力發(fā)電機達到完全自動控制現(xiàn)場無人值守的程度，雖然風的隨機性很大，但風輪調(diào)速在微機的控制下已達到穩(wěn)定可靠，風力發(fā)電機單機使用的前景廣闊，比如單機為北方冬季大棚溫室埋地熱線提高地溫提供電力，對于電壓、頻率要求不那么嚴格，對于發(fā)電要求也不那么嚴格。對于海島漁民、風能資源豐富地區(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)電機經(jīng)逆變達到供電要求還是采用交流發(fā)電機微機控制或經(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。選用多極永磁同步發(fā)電機，發(fā)電機由定子、轉(zhuǎn)子、動定軸和其他附件構(gòu)成。發(fā)電機定子由定子支架、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)電機各項參數(shù)如表2-7所示：表2-7發(fā)電機參數(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等級發(fā)電機重量1580KW17.3r/min88極690vF級IP2343噸L1=1665mQUOTE4982mQUOTE4585mL2=1995m圖2-10發(fā)電機外形圖發(fā)電機由定子、轉(zhuǎn)子、動定軸和其他附件構(gòu)成。發(fā)電機定子由定子支架、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)，與同功率電勵磁風力發(fā)電機相比，電機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)電機的定子、轉(zhuǎn)子上設(shè)計制造有兩個方便維護人員穿越的艙門和相應的人孔。并配有雙重的機械、電氣安全保障措施。采用直驅(qū)結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)同步發(fā)電機。發(fā)電機轉(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，同時也會降低用戶的運行和維護成本。2.3.3塔架設(shè)計塔架是支撐高位布置風力機的架子，它不僅要有一定的高度，使風力機處在較為理想的位置上（即渦流影響較小的高度）運轉(zhuǎn)；而且還應有足夠的強度與剛度，以保證在臺風或暴風襲擊時，不會使整機傾倒。因此，塔架的設(shè)計是風力機機械設(shè)計中極為重要的一環(huán)，應十分重視。1、塔架高度的確定由于剪切效應的影響，風速是隨著高度的增加而增大。塔架越高，風力機單位面積所捕捉的風能越大，但造價，技術(shù)要求以及吊裝的難度也隨之增加。所以，風力機的塔架并非越高越好，而要綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟這兩個因素。這樣，塔架的高度實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—接近風力機的障礙物高度；取h=20mC—由障礙物最高點到風輪掃掠面最低點的距離（常取C=1.5QUOTE~~2.0m）；R—風輪半徑，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，廣泛用于上風向布置的大型風力機上2.3.4其它附屬部件1、機艙風力機常年累月在野外運轉(zhuǎn)，不但要經(jīng)受狂風暴雨的襲擊，還時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，這罩殼就是機艙。機艙負責將葉輪和發(fā)電機的靜態(tài)和動態(tài)載荷傳遞到塔架。另外，機艙罩內(nèi)還有控制柜、提升機、偏航系統(tǒng)等，外部還有測風系統(tǒng)。根據(jù)性質(zhì)不同，機艙可分為三個部分：1）傳遞載荷的鑄件部分；2）供維護人員使用的工作平臺；3）由玻璃纖維原料制造的殼體。機艙外形如圖2-12所示圖2-12機艙外形圖2、機座機座用來支撐塔架上方風力機的所用設(shè)備及附屬部件，它牢固與否將直接關(guān)系到整機的安危和使用壽命。機座的設(shè)計要與整體布置統(tǒng)一考慮，在滿足強度和剛度要求的前提下，應力求耐用，緊湊，輕巧。中，大型風力機的機座相對來講要復雜一些，他通常由縱梁，橫梁為主，機座與發(fā)電機內(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)體實際上就是機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)圈則與機座相連。這樣，通過他們之間的軸承作用，風力機在風向變化時，就能繞其回轉(zhuǎn)而自動迎風。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]型外齒式四點接觸球軸承，外圈與塔架固定，內(nèi)圈與機座固定，軸承外圈上有一圈齒輪，通過連接在機座上的電機輸出軸小齒輪與其嚙合，電機啟動，機座帶著整個機艙就能迎風偏航，軸承外形如圖2-13所示：圖2-13外齒式四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承4、偏航及變槳電機選擇型號：112.4.2種類：IM3001(3相籠型轉(zhuǎn)子異步電機)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防護等級：IP542.3.5機組運行安全系統(tǒng)1、制動系統(tǒng)采用三套獨立的葉片變槳系統(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現(xiàn)獨立剎車。機械剎車安裝在發(fā)電機內(nèi)，加壓剎車，釋壓松閘，主要用于將機組保持在停機位置。2、偏航系統(tǒng)采用主動偏航對風形式。在機艙后部放置兩個互相獨立的傳感器——風速計和風向標。風向標的信號反映出風機與主風向之間有偏離，當風向持續(xù)發(fā)生變化時，控制器根據(jù)風向標傳遞的信號控制叁個偏航驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)動機艙對準主風向，該系統(tǒng)具有以下特點：（a）偏航軸承采用“零游隙”設(shè)計的四點接觸球軸承，以增加整機的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，增強抗沖擊載荷能力；（b）偏航工作時，10個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，保證偏航時機艙平穩(wěn)轉(zhuǎn)動；（c）采用了力矩特性較軟的多極電機驅(qū)動，結(jié)合風電場的工況，可優(yōu)化機組偏航轉(zhuǎn)速，保證較小的沖擊；（d）偏航剎車為液壓驅(qū)動剎車，靜止時偏航剎車閘將機艙牢固鎖定；偏航時，剎車仍然保持一定的余壓，使偏航運動更加平穩(wěn)，避免可能發(fā)生的振動現(xiàn)象。（e）位于偏航電機驅(qū)動軸上的電磁剎車具有失效保護功能,在出現(xiàn)外部故障（如斷電）時,電磁制動系統(tǒng)仍能使機組的偏航系統(tǒng)處于可靠的鎖定狀態(tài)。（f）偏航電機采用大功率低轉(zhuǎn)速的設(shè)計方案，從而使偏航過程更加平穩(wěn)。3、具體運行過程為（a）當風速持續(xù)10分鐘（可設(shè)置）超過3m/s，風機將自動啟動。葉輪轉(zhuǎn)速大于9轉(zhuǎn)／分時并入電網(wǎng)。（b）隨著風速的增加，發(fā)電機的出力隨之增加，當風速大于12m/s時，達到額定出力，超出額定風速機組進行恒功率控制。（c）當風速高于２２米/秒持續(xù)10分鐘，將實現(xiàn)正常剎車（變槳系統(tǒng)控制葉片進行順槳，轉(zhuǎn)速低于切入轉(zhuǎn)速時，風力發(fā)電機組脫網(wǎng)）。（d）當風速高于28米/秒并持續(xù)10（e）當風速高于33米/秒并持續(xù)1（f）當遇到一般故障時，實現(xiàn)正常剎車。（g）當遇到特定故障時，實現(xiàn)緊急剎車。2.3.6對國內(nèi)風資源的適應性為了確定風力發(fā)電機組的設(shè)計參數(shù)，對國內(nèi)風資源狀況進行了調(diào)查分析。調(diào)查情況簡要說明如下：新疆達坂城氣象站多年測得10米高度處年平均風速6.4m/s內(nèi)蒙輝騰錫勒風電場根據(jù)1994年3月～1995年2月1日測風數(shù)據(jù)的整理分析，該地區(qū)風場浙江大多數(shù)海島的年平均風速在6m／s左右，離大陸較遠的海島其年平均風速可達7～8m／s，沿海地區(qū)的年平均風速在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速也有6m／s以上。吉林通榆地區(qū)40米高度處年平均風速為7.236m/s黑龍江北部和東南部山區(qū)的適宜位置，年平均風速分別高達6.0～7.0m／s和7.0～9.0m／福建平潭風電場附近幸福洋測站10m高度處年平均風速為7.7m/s。湖北齊躍山實測的風速資料(1997年3月～2000年3月)表明，10米高度處年平均風速為7.1m／s廣東南澳果老山測站實測資料，年平均風速為10.3m/s；大王山測站實測資料，年平均風速為9.4m／s。第三章風力發(fā)電機組動態(tài)與靜強度特性分析3.1風力機動態(tài)特性分析3.1.1塔架固有頻率計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，這時梁的主要變形是彎曲變形，在低頻振動時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）所示的坐標系，設(shè)y(x，t)是梁上距原點x處的截面在時刻的橫向位移，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）的二階導數(shù)及三階導數(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個連續(xù)，二階可導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個參數(shù)QUOTEaiai，由n個基礎(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，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葉片簡化計算模型由于葉片截面翼型比較復雜，為便于計算，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組為直驅(qū)式，葉輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機同步，選取的發(fā)電機的額定轉(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，對于三個葉片的風力機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，此風力機可避免共振。3.2風力機靜態(tài)特性分析3.2.1塔架靜強度對塔架進行受力分析，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，其許用應力QUOTE蟽蟽=160MPa，QUOTE蟽蟽=124.8MPaQUOTE<蟽<蟽，由此可知塔架靜強度復合要求。3.2.2葉片靜強度葉片水平位置放置時，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葉片水平放置時受力示意圖危險截面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——葉片重心到風輪中心的距離（m）；QUOTERgRg=13m；l—葉片軸危險截面到風輪中