《风力发电机组设计与制造》姚兴佳-第4章

第4章风轮与叶片设计《风力发电机组设计与制造》4.1概述风轮的作用是把风的动能转换成风轮的旋转机械能。风轮一般由一个、两个或两个以上的几何形状一样的叶片和一个轮毂组成。风力发电机组的空气动力特性取决于风轮的几何形式，风轮的几何形式取决于叶片数、叶片的弦长、扭角、相对厚度分布以及叶片所用翼型空气动力特性等。由于风轮的噪声与风轮转速直接相关，大型风力发电机组应尽量降低风轮转速；风轮的费用约占风力发电机组总造价的20~30%，而且它至少应该具有20年的设计寿命。1．叶片长度叶片径向方向上的最大长度。2．叶片面积叶片面积通常理解为叶片旋转平面上的投影面积。3．叶片弦长叶片径向各剖面翼型的弦长。叶片根部剖面的翼型弦长称根弦，叶片尖部剖面的翼型弦长称尖弦。4．叶片扭角叶片各剖面弦线和风轮旋转平面的夹角4.1.1叶片的基本概念1．叶片数风轮的叶片数取决于风轮尖速比，现代风力发电机组实度较小，一般只需要1～3个叶片。叶片数多的风力发电机组在低尖速比运行时有较高的风能利用系数，既有较大的转矩，而且启动风速低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组则在高尖速比运行时有较高的风能利用系数，但启动风速高，因此适用于风力发电。从经济角度考虑，1~2叶片风轮比较合适，但3叶片风轮的平衡简单，风轮的动态载荷小。2叶片风轮也有其优点，风轮实度小，转速高。2．风轮直径风轮直径是指风轮在旋转平面上的投影圆的直径，风轮直径的大小与风轮的功率直接相关。4.1.2风轮的几何参数3．轮毂高度轮毂高度指风轮旋转中心到基础平面的垂直距离。4．风轮扫掠面积风轮扫掠面积是指风轮在旋转平面上的投影面积。5．风轮锥角风轮锥角是指叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜度，锥角的作用是在风轮运行状态下减少离心力引起的叶片弯曲应力和防止叶尖和塔架碰撞的机会。6．风轮仰角风轮的仰角是指风轮的旋转轴线和水平面的夹角，仰角的作用是避免叶尖和塔架的碰撞。7．风轮偏航角风轮偏航角是指风轮旋转轴线和风向在水平面上投影的夹角。偏航角可以起到调速和限速的作用，但在大型风力发电机组中一般不采用这种方式。8．风轮实度风轮实度是指叶片在风轮旋转平面上投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值，实度大小取决于尖速比。1．风轮转速风轮在风的作用下旋转，旋转速度用n表示。2．风轮尖速比风轮尖速比是风轮的一个重要参数，它指的是风轮叶片叶尖线速度与来流风速的比值。尖速比用下式表示：式中n——风轮转速，单位是r/min；R——风轮半径，单位是m；v——风速，单位是m/s。4.1.3风轮的物理特性vnR22nRv3．风轮轴功率风轮轴功率大小是评价风轮气动特性优劣的主要参数。它取决于风的能量和风轮的风能利用系数，即风轮的气动效率。（1）风的能量式中——空气密度，单位是kg/m3；——风轮扫掠面积，单位是m2。（2）风能利用系数风能利用系数是评定风轮气动特性优劣的主要参数。式中P——实际得到的输出功率，单位是W；v1——未扰动的风速，单位是m/s；而式中——风轮转动角速度，单位是rad/s；M——风轮扭矩，单位是N·m。vnR22//3vAEd2//3vAEd3//2dEAvdA312PdPCvA1.翼型的受力示意图翼型空气动力特性好坏直接影响风力发电机组的性能。在设计风力发电机组时，总希望得到高的风能利用系数，使风轮的能量损失尽可能小，此时即阻力尽可能地小。要求选择的翼型具有高的升力系数。应根据以下规则选择翼型：对于低速风轮，由于叶片数较多，不需要特殊的翼型升阻比；对于高速风轮，由于叶片数较少，应当选用在很宽的风速范围内具有较高升阻比和平稳失速特性的翼型，对粗糙度不敏感，以便获得较高的功率系数；另外要求翼型的气动噪声低。4.2风轮的载荷设计计算4.2.1作用在风轮上的力和力矩2.叶素受力示意图如图是风轮叶片剖面叶素不考虑诱导速度情况下的受力分析。叶片载荷来自风轮运行时的各种风况。叶片所承受的最大载荷在设计时已给出，各种风况下的受力分析对叶片安全是十分重要的。静态和动态载荷是不同的。1．静载荷（1）最大受力：50年一遇的最大阵风作为最大静载荷值，此时，风轮位于迎风状态，风力发电机组处于安全刹车状态；失速型风轮叶片处于初始安装角位置，变桨距风轮叶片从安装角处于升力最大值时很快顺桨；（2）最大弯矩：当重力和气动力在同一方向上；（3）最大扭矩：当最大阵风时。2．动载荷1）由阵风频谱的变化引起的受力变化；2）风剪切影响引起的叶片动载荷；3）偏航过程引起的叶片上作用力的变化；4）弯曲力矩变化，由于自重及升力产生的弯曲变形；5）在最大转速下，机械、空气动力制动，风轮制动情况下；6）电网周期性变化。离心力载荷与弯曲力矩相比相差较大，分析时几乎可以略去。4.2.2叶片载荷1．作用在叶片上的离心力Fc该叶素上的离心力为dFc式中——叶片的密度，单位是kg/m3；——叶素处的叶片截面积，单位是m2；——风轮角速度，单位是rad/s。则叶片的离心力式中——叶片起始处旋转半径；R——叶片结束处的旋转半径。4.2.3叶片的受力分析2ddcyrFΩArr02dRcyrrFΩArryrAΩ0r2.作用在叶片上的风压力Fv叶轮静止时的风压力：设FV的作用点距叶轮轴距离为rm叶轮转动时的风压力：02v1d2RDrFvCCr00md/dRRDDrrrrCCrCCr022v11cossind2RLDrFvctgCCCr00221cossind/1cossindRRmLDLDrrrctgCCCrrctgCCCr3．作用在叶片上的气动力矩，可由下式求出4．作用在叶片上的陀螺力矩0221(1)sincosd2RbLDrMvctgCCCrr1．在载荷下运转时叶片强度的计算（1）铅垂位置时叶片强度的计算叶片轴在图4-9中的位置Ⅲ最危险，此时叶片轴根部的最大正应力为式中W——叶片轴根部的抗弯截面系数，单位是m3；A——叶片轴根部的截面积，单位是m2；（2）水平位置时叶片轴强度的计算由图4-9位置Ⅱ可得出叶片轴根部最大正应力为4.2.4风轮的强度校核22max//vmkbcFrMMWFGA22max//bcvmcMGrFrWFA2．无载荷运转时叶片轴强度的计算这时，作用在叶片上的气动力矩近似为零，且离心力FC比有载荷时大得多。在相同风速下，空载时叶轮的转速比额定载荷下的转速高50％，离心力增大1.25倍，叶片很容易损坏。为此，应设置限速装置。3．叶轮停转时叶片轴强度的计算当风速超过风力发电机停机风速时，应让叶轮停转。这时，叶片只受风压力FV和重力G的作用。1.下面的公式表示风力机风轮从风中吸收的功率：式中P——风轮输出功率，单位是W；——风能利用系数；——风轮扫掠过的面积，单位是m2；——空气密度，单位是kg/m3；——风速，单位是m/s。2.风能利用系数风力机能够从自然风中得到的能量百分比，称为风能利用系数4.3叶片的气动设计4.3.1风力机的性能指标PCdA1v3112PdPCAv3.尖速比表示风力机性能的数值称为T.S.R(TipSpeedRatio)，它定义为风力机叶片叶尖速度和风速的比值，称为叶尖速度比（或高速性能系数），简称尖速比。4.推力系数由压力降产生的作用于制动盘的作用力被无量纲为一化后给出推力系数定义风能利用系数和推力系数随的变化曲线如图所示。212TdFCvA41TCaa1.风轮空气动力学的几何定义（1）风轮轴：风轮旋转运动的轴线。（2）旋转平面：与风轮轴垂直，叶片在其旋转的平。（3）叶片轴：叶片纵向轴，绕此轴可以改变叶片相对于旋转平面的偏转角。（4）在半径r处的叶片截面：叶片与半径为r并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面。（5）安装角：在半径r0处翼型的弦线与旋转面的夹角。4.3.2风力机的空气动力学设计2.翼型的确定在设计风轮叶片时，必须事先选择好翼型。下表给出了各种翼型作图用数据。3.风力机叶片的设计方法这里介绍叶片的设计方法，是基于动量理论和叶素理论得出的。下面是基本原理。（1）动量理论（2）叶素理论4.叶片设计2221(1)(11)PkCk22243(1)10kk21cosk133arctg叶片是风力发电机组最关键的部件。在风力发电机组设计中，叶片外形设计尤为重要，它涉及机组能否获得所希望的功率。叶片的重量完全取决于其结构形式，目前生产的叶片，多为轻型叶片，承载好而且很可靠。轻型结构叶片的优点：1）在变距时驱动质量小，在很小的叶片机构动力下产生很高的调节速度；2）减少风力发电机组总重量；3）风轮的机械刹车力矩很小；4）周期振动弯矩由于自重减轻而很小。5）减少了材料成本；6）运费减少；7）便于安装。缺点：1）要求叶片结构必须可靠，制造费用高；2）所用材料成本高；3）风轮在阵风时反应敏感，因此，要求功率调节也要快；4）材料特性及载荷计算必须很准确，以免超载。4.3.3叶片结构设计与制造叶片结构设计有很多规则可供参考和选用，它可以根据风力发电机组及其具体安装使用地点的情况而定。下面列出的设计要求仅供参考，详细的要求可以参考IEC61400-1《风力发电机组安全要求》标准和德国劳埃德船级社《风力发电机组认证规范》。（1）极限变形（2）固有频率（3）叶片轴线的位置（4）积水（5）防雷击保护1.叶片材料用于叶片制造的主要材料有玻璃纤维增强塑料（GRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、木材、钢和铝等。对于大型风力发电机组来说，叶片的刚度、固有特性和经济性是主要的，通常较难满足，所以对材料的选择尤为重要。目前世界上绝大多数叶片都采用复合材料制造，主要是由于复合材料具有以下优点：（1）复合材料的可设计性强（2）易成型性好（3）耐腐蚀性强（4）维护少、易修补2.叶片主体结构（1）叶片剖面结构形式设计叶片剖面结构形式的设计是叶片结构设计的重要环节，它的设计好坏对叶片结构性能影响很大。在设计中，一般根据叶片具体技术要求，选择采用恰当的叶片截面类型。截面类型主要有:实心截面、空心截面及空心薄壁复合截面等。（2）叶片铺层设计叶片的铺层设计是玻璃钢叶片结构设计的另一个重要环节。叶片的铺层是由叶片所受的外载荷决定的，无论是弯矩、扭矩和离心力都是从叶尖向叶根逐渐递增，所以叶片薄壁结构的壁厚也是从叶尖向叶根逐渐递增。叶片铺层设计原则是：1）均衡对称原则2）定向原则3）按照内力方向的取向原则4）最小比例原则5）顺序原则6）抗局部屈曲设计原则7）变厚度设计原则8）冲击载荷区设计原则。3.水平轴风力发电机组风轮叶片的结构形式水平轴风力发电机组风轮叶片的结构主要为梁、壳结构，有以下几种结构形式。1）叶片主体采用硬质泡沫塑料夹芯结构，GRP结构的大梁作为叶片的主要承载部件，大梁常用D型、O型、矩形和C型等型式，蒙皮GRP结构较薄，仅2～3mm，主要保持翼型和承受叶片的扭转载荷；另一种方法是先在模具中成型C（或I）型梁，然后在模具中成型上、下两个半壳，利用结构胶将C（或I）型梁和两半壳粘接。2）叶片壳体以GRP层板为主，厚度在10～20mm之间；为了减轻叶片后缘重量，提高叶片整体刚度，在叶片上下壳体后缘局部采用硬质泡沫夹芯结构，叶片上下壳体是其主要承载结构。大梁设计相对较弱，为硬质泡沫夹芯结构，与壳体粘结后形成盒式结构，共同提供叶片的强度和刚度。4.叶根结构形式叶片根端连接设计也是叶片结构设计的重要环节之一。因为叶片所受的各种载荷，无论是离心力还是弯矩、扭矩、剪力都在叶片根端达到最大值。叶片根端连接设计的任务就是把整个叶片上所承受的载荷传递到轮毂上去。（1）螺纹件预埋式（2）钻孔组装式5.动力学设计叶片结构动力学设计是风轮设计的基础，尤其对于采用柔性结构的叶片来说，这一点尤为重要。风轮叶片的挥舞、摆振和扭转固有频率与激振频率在额定转速范围内不能有交点，控制共振误差可参考有关规范。6.功率调节对于风力机来说，目前主要有两