【文章內(nèi)容簡介】 取。由表21，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(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)，同時還與密實(shí)比有關(guān)。所以密實(shí)比就是葉片本身的面積KSy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K39。按圖24曲線所形成的面積內(nèi)選則。 圖24 葉片密實(shí)度K39。與尖速比λ關(guān)系曲線 Sy=K39。Sk (m2) （210）式（210）[1]中：k—風(fēng)輪葉片數(shù)， K39。密實(shí)比，按圖24選取，K39。=。由以上參數(shù)可得單個葉片面積 Sy=0。0848143=128m2（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)計選取NACA4412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(fēng)輪葉片的效率并不一定高，可參考表22及圖25 圖25 升阻比與風(fēng)輪效率的關(guān)系由表22與圖25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?=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?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=2πRn/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λi可由下式得： λi=2πnri60v λiλ=2πnri60v=2πnR60v λi=riRλ （211）式（211）中：ri—葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖的不同半徑； R—葉輪半徑，R=； λ—尖速比，λ=5?，F(xiàn)將風(fēng)輪分為10個剖面。(a) 利用上式計算各剖面尖速比λ值；(b) 利用公式cot?=32λ[2]確定每個剖面的相對迎風(fēng)角?和安裝角θ；(c)根據(jù)公式N=16π9Rrλ0λ02(rR)2+49 [2]確定每個剖面的形狀參數(shù)N；(d)由于選取的翼型為NACA4412翼型，當(dāng)L/D=100時，由圖24可知迎角α=80，此時升力系數(shù)CL=；利用公式L=rNCLB[2]計算弦長L。 由(a)(b)(c)(d)步的計算結(jié)果如下表26所示：表26 葉片尺寸參數(shù)r/R1λ12345?θNL1540410036003090258520851585108557480圖26 NACA4412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，[4]的四點(diǎn)接觸球軸承，其外形如圖27所示。圖27 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)動時與空氣的摩擦阻力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是一個復(fù)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(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28玻璃鋼葉片圖28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2~3層玻璃纖維纏繞再涂環(huán)氧樹脂的玻璃鋼葉片。設(shè)計特點(diǎn)(a)功率調(diào)節(jié)采用變槳矩控制。在額定功率點(diǎn)后，風(fēng)機(jī)輸出功率保持恒定，同時變槳矩控制在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中能有效降低機(jī)組所受載荷。(b)增加了結(jié)構(gòu)阻尼，有效消除了葉片在高風(fēng)速下運(yùn)行時的有害擺振。輪轂輪轂采用圓柱形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)鑄造性好，材料為QT40018AL強(qiáng)度較高。外形圖如圖29所示 圖29 輪轂外形圖風(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)計中，也涉及到如何設(shè)計發(fā)電機(jī)或設(shè)計者對發(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)計和選型尤為重要。在設(shè)計發(fā)電機(jī)或?qū)Πl(fā)電機(jī)選型時，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32對64極發(fā)電機(jī)， r/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MOD1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64極對128極發(fā)電機(jī)，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)計發(fā)電機(jī)或設(shè)計者對發(fā)電機(jī)選型時，要盡量設(shè)計或選用多極低轉(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，、重量輕、可靠性高、壽命長。，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)各項參數(shù)如表27所示： 表27 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1580KW88極690vF級IP2343噸L1=1665m ?2=4982m ?3=4585m L2=1995m 圖210 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)計制造有兩個方便維護(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，同時也會降低用戶的運(yùn)行和維護(hù)成本。 塔架設(shè)計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，不會使整機(jī)傾倒。因此，塔架的設(shè)計是風(fēng)力機(jī)機(jī)械設(shè)計中極為重要的一環(huán)，應(yīng)十分重視。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，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 （212）式（212）[3]中：h—接近風(fēng)力機(jī)的障礙物高度；取h=20m C—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=~）； R—風(fēng)輪半徑，R=由以上數(shù)據(jù)可得Hmin=20+2+=， 取H=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211所示 圖211 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212所示 圖212 機(jī)艙外形圖機(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?；剞D(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，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，[ 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)座帶著整個機(jī)艙就能迎風(fēng)偏航，軸承外形如圖213所示：