【正文】 22 作用在風輪上的軸向力 F A 23 A 24 式中 A —— 槳葉掃過的面積㎡ —— 空氣密度 P —— 風輪機功率 KW —— 平均風速 ms —— 輪前風速 ms —— 輪后風速 ms —— 輪前壓力 pa —— 輪后壓力 pa F —— 軸向力 N r —— 風輪半徑 m 圖 22 風輪前后流場 Fig2 2 Wind flow around 質(zhì)量流量 25 槳葉中的平均風速等于輪前輪后風速的平均值 26 從 風能中可能提取的能量是進出口風的動能差 27 已知輸入風輪的能量為 28 風能利用系數(shù) 29 可能提取的能量 210 代入各值得 211 令 212 將式 212 代入下式得風能利用系數(shù) 213 可由式 213 求得風輪機風能利用系數(shù)的極值 進口風速是已知的對求導并令為零求得風能利用系數(shù)為極大值時的輪后風速 214 通過式 213 求得風能利用系數(shù)的極大值為 0593 215 由式 210 得出最大理想可能利用的風能為 216 理想風輪機的能量密度 217 24 風輪機基本參數(shù) 風能指空氣運動的動能一般用單位時間內(nèi)通過單位面積的能量即風能密度來衡量風能的大小 即 E 218 式中 A—— 風輪掃掠面積 —— 風速 ms —— 為空氣密度 kg 在本設(shè)計中取 125kg由式 218可知風能的大小與空氣密度和通過的面積成正比與風速的立方成正比 葉尖速比是風輪葉尖線速度與風速的比值 即 219 式中 R—— 為風輪半徑 m —— 為風輪角速度 rad —— 葉尖速比 根據(jù)動量守恒原理可知空氣作用在風輪上的推力為 220 式中 A—— 為風輪掃掠面積 —— 為通過風輪的風速因此代表了單位時間內(nèi)流過風輪的空氣質(zhì)量 kg —— 為風輪前方未受風輪影響的來流風速 ms —— 為尾流中達到壓力平衡后的風速 ms 在風力機設(shè)計時需 要確定一些參數(shù)可采用確定風力機額定出力或選用最大能量輸出來計算設(shè)計點設(shè)計中占主導的風速如果在實際中這一風速不能得到充分利用產(chǎn)生損失也就說明設(shè)計存在問題也就是風力機葉型設(shè)計有問題這也是風力機的動力研究的本質(zhì)在空氣動力方面最重要的發(fā)展是研制新的風力機葉片葉型以轉(zhuǎn)化更多的風能如美國國家可再生能源實驗室 NREL 開發(fā)了一種新型葉片葉型試驗表明新型葉片比早期的風力機葉片轉(zhuǎn)化的風能要大 20 以上目前設(shè)計的葉片最大風能利用系數(shù)約為 047 左右而風能利用系數(shù)的極限值是 0593 可見在葉片葉型的改進上還有較大的發(fā)展空間采用柔性葉 片也是一個發(fā)展動向利用新型材料如新型工程塑料等進行設(shè)計制造使其在風況變化時能夠相應改變它們的型面從而改善空氣動力響應和葉片受力狀況增加可靠性和對風能的轉(zhuǎn)化量另外還在開發(fā)新的空氣動力控制裝置．如葉片上的副翼它能夠簡單有效地限制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度比機械剎車更可靠并且費用低不變隨著風速增加攻角相應增大開始升力會增大到一定攻角后尾緣氣流分離區(qū)增大形成大的渦流上下翼面壓力差減小升力迅速減少造成葉片失速與飛機的機翼失速機理一樣自動限制了功率的增加 圖 23 槳葉失速前的狀態(tài)圖 Fig 2 3 Blade stall before the state chart 因此定槳距失速控制沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距角伺服執(zhí)行機構(gòu)整機結(jié)構(gòu)簡單部件少造價低并具有較高的安全系數(shù)缺點是這種失速控制方式依賴育葉片獨特的翼型結(jié)構(gòu)葉片本身結(jié)構(gòu)較復雜成型工藝難度也較大隨著功率增大葉片加長所承受的氣動推力大使得葉片的剛度減弱失速動態(tài)特性不易控制所以很少應用在兆瓦級以上的大型風力發(fā)電機組的功率控制上 2 變槳距角調(diào)節(jié) 變槳距角型風力發(fā)電機能使風輪葉片的安裝角隨風速而變化風速增大時槳距角向迎風面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度相當于增大槳距角從而減小攻角風力機功率相 應增大 變槳距角機組啟動時可對轉(zhuǎn)速進行控制并網(wǎng)后可對功率進行控制使風力機的啟動性能和功率輸出特性都有顯著改善變槳距角調(diào)節(jié)的風力發(fā)電機在陣風時塔架葉片基礎(chǔ)受到的沖擊較之失速調(diào)節(jié)型風力發(fā)電機組要小得多可減少材料降低整機質(zhì)量它的缺點是需要有一套比較復雜的變槳距角調(diào)節(jié)機構(gòu)要求風力機的變槳距角系統(tǒng)對陣風的響應速度足夠快才能減輕由于風的波動引起的功率脈動 3 混合調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合在低風速時采用變槳距角調(diào)節(jié)可達到更高的氣動效率當風機達到額定功率后使槳距角向減小的方向轉(zhuǎn)過一個角度相應的攻角增大使 葉片的失速效應加深從而限制風能的捕獲這種方式變槳距調(diào)節(jié)不需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度執(zhí)行機構(gòu)的功率相對可以較小 26 風輪迎風技術(shù) 風速的大小方向隨時間總是在不斷變化為保證風輪機穩(wěn)定工作必須有一個裝置跟蹤風向變化使風輪隨風向變化自動相應轉(zhuǎn)動保持風輪與風向始終垂直這種裝置就是風輪機迎風裝置 221 222 式中 P—— 風輪機輸出功率 KW —— 空氣密度 kg r —— 風輪半徑 m —— 風能利用系數(shù) —— 風速 ms n —— 風輪轉(zhuǎn)速 rmin 由式 221和 222可知風輪機的輸出功率與風速立方成正比轉(zhuǎn)速與風速一次方成正比因此風速變化將引起出力和轉(zhuǎn)速的變化 風輪迎風裝置有三種方法尾舵法舵輪法和偏心法 風向變化時機身上受三個扭力矩作用機頭轉(zhuǎn)動的摩擦力矩斜向風作用于主軸上的扭力矩尾舵輪扭力矩與機頭質(zhì)量支持軸承有關(guān)決定于風斜角距離 L 尾舵力矩由下式近似計算 223 式中 —— 尾舵升力阻力合力系數(shù)由實驗曲線查 得 —— 尾舵面積 —— 風輪的圓周速率 ms K—— 風速損失系數(shù)約 075 L—— 尾舵距離 m 機頭轉(zhuǎn)動條件 224 尾舵面積 225 式中 —— 尾舵輪扭力矩 —— 機頭轉(zhuǎn)動的摩擦力矩 —— 斜向風作用于主軸上的扭力矩 按上式設(shè)計的尾舵面積就可以保證風輪機槳葉永遠對準風向 舵輪法是用自動測風裝置測定風向按風向偏差 信號控制同步電動機轉(zhuǎn)動風輪此方法也可保證風輪機槳葉永遠對準風向 在本設(shè)計中把尾舵取消增加槳葉軸與圓盤角度到 7176。h 21582179。 37 1049d 所以 d 90mm 主軸軸頸校核合理 式中 B—— 圓盤厚度 m r —— 圓盤半徑 m —— 槳葉軸質(zhì)量 kg —— 槳葉質(zhì)量 kg 32 風輪機的槳葉與槳葉軸設(shè)計 槳葉由松木作為骨架外包一層 1 毫米厚的鋁皮選用木制骨架目的是減輕槳葉重量外包的鋁皮也可防止外界的腐蝕槳葉的軸采用偏心放置這樣可在風力過強時便于調(diào)速 風力機也是一種葉片機風輪機的槳葉與機翼類似可用機翼理論描述槳葉很長沿徑向圓周速度不同在不同的槳葉截面上就有不同的來流相對速度有不同的進口沖角作用于槳葉上的力就不同如下圖 圖 32 槳葉受風情況 Fig3 2 Blades of the wind 風力機正常運行時的風速為風 1 相對速度此時槳葉與風 1 夾角 30 度此時槳葉受到的力為最佳當風速達到 8級風時其夾角為 0度此時槳葉不受力風輪停止轉(zhuǎn)動 槳葉設(shè)計 水平軸風力機的風輪一般由 1～ 3 個葉片組成本設(shè)計中取 6 片槳葉它是風力機從風中吸收能量的部件葉片的結(jié)構(gòu)有如下四種形式 1 實心木質(zhì)葉片這種葉片是用優(yōu)質(zhì)木材精心加工而成其表面可以蒙上一層玻璃鋼以防雨水和塵土對木材的侵蝕 2 是用管子作為葉片的受力粱 在本設(shè)計中槳葉材料選用落葉松作為內(nèi)部骨架外面包一層鋁皮木材物理力學性能見下表 表 31 木材物理力學性能 Table 3 1 Physical and mechanical properties of wood 順紋抗壓強度 MPa 順紋抗拉強 MPa 強度極限 彈性模數(shù) 順紋抗剪強度 MPa MPa MPa 522 1226 993 126 179。024179。 731597 574kg 38 最大設(shè)計風速時風吹過槳葉時風對槳葉軸的彎矩 M 由下式算得 39 式中 F—— 風對槳葉施加的力 N —— 風的密度 —— 風速 ms —— 槳葉面積 圖 36 槳葉受力簡圖 Fig 3 6 Blade force schematic 310 式中 H—— 槳葉的一半到槳葉軸危險截面的距離 m M—— 槳葉軸危險截面處所受彎矩 槳葉軸扭矩計算 311 式中 F—— 槳葉偏心面積所受風的吹力 N h—— 槳葉軸中心到槳葉偏心面積中心線的距離 m T—— 槳葉軸所受轉(zhuǎn)矩 槳葉軸的危險截面按彎扭合成強度條件校核 312 危險截面軸徑 d 取 45mm 式中 —— 許用抗拉強度極限 —— 彎扭合成強度 M—— 主軸彎矩 N T —— 主軸扭矩 N —— 當剪應力為脈動循環(huán)應變力時為 06 W —— 危險截面處的抗扭截面模量 —— 許用彎曲應力 d —— 危險截面軸頸 mm 槳葉與槳葉軸離心力的計算 圖 37 槳葉槳葉軸和圓盤布置圖 Fig 3 7Paddle paddle shaft and disk layout 034m 195m 574kg 1996kg 313 式中 —— 槳葉軸危險截面到主軸中心線距離 m —— 槳葉一半到主軸中心線距離 m F —— 槳葉與槳葉軸在轉(zhuǎn)動過程中的離心力 N 槳葉復位彈簧計算 當風力為 7 級風時 V＝ 12ms 此時槳葉軸所受轉(zhuǎn)矩 314 315 316 式中 F—— 槳葉傾角為 30 度時其偏心面積承受風的吹力 N T—— 風施加 給槳葉的轉(zhuǎn)矩 —— 六片槳葉所承受的總轉(zhuǎn)矩 當滾輪中心到槳葉軸中心距離 30mm 時 317 式中 —— 六片槳葉對彈簧的作用力 N —— 彈簧最小工作載荷 N 當風力為 8 級風時 V＝ 16ms 此時槳葉軸所受轉(zhuǎn)矩如下 318 319