风力机的种类及特征：水平轴风力机
风力机分类
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三叶片风轮的性能比较好，目前，水平轴风电机组一般 采用两叶片或三叶片风轮，其中以三叶片风轮为主。我国安 装投运的大型并网风电机组几乎全部采用三叶片风轮。 叶片数量减少，将使风轮制造成本降低，但也会带来很 多不利的因素，在选择风轮叶片数时要综合考虑。两叶片风 轮上的脉动载荷大于三叶片风轮。另外，由于两叶片风轮转 速高，在旋转时将产生较大的空气动力噪声，对环境产生不 利影响，而且风轮转速快视觉效果也不好。 风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，常 用于反映风轮的风能转换性能。 风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大，但 功率曲线较窄，对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小，风轮 实度下降，其最大功率系数相应降低，但功率曲线也越平坦， 对叶尖速比变化越不敏感。
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风轮转速、叶尖速比
叶尖速比为风轮叶片尖端线速度与风速之比，是描述 风电机组风轮特性的一个重要的无量纲量。 wR r
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• H形风轮结构简单，但离心力使叶片在其连接点处产生严 重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑，这些支 撑产生气动阻力，降低了风力机的效率。 • φ形风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷， 使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力 要强，对于相同的总强度，φ形叶片比较轻，且比直叶片 可以更高的速度运行。但φ形叶片不便采用变浆距方法来 实现自起动和控制转速。对于高度和直径相同的风轮，φ 形转子比H形转子的扫掠面积要小一些。
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§3-2 风电机组主要参数及设计级别
风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数反映。
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一. 主要参数 风轮直径与扫掠面积
风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示。风 轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度， 是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。 根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为 1 P SC P 3 2 式中，S为风轮的扫掠面积，S 4 D增加，则其扫掠面积与D2成比例增加，其获取的 风功率也相应增加。
风力发电机分类及特点分析
齿轮箱
DFIG
电网
转子侧 变换器
网侧 变换器
双馈式变速恒频风力发电系统结构框图
电气工程与自动化学院
第三章 风力发电
3）运动部件少，由磨损等引起的 故障率很低，可靠性高。
4）采用全功率逆变器联网，并网、 解列方便。
5）采用全功率逆变器输出功率完 全可控，如果是永磁发电机则 可独立于电网运行。
缺点是： 由于直驱型风力发电机组 没有齿轮箱，低速风轮直接 与发电机相连接，各种有害 冲击载荷也全部由发电机系 统承受，对发电机要求很高。 同时，为了提高发电效率， 发电机的极数非常大，通常 在100极左右，发电机的结构 变得非常复杂，体积庞大， 需要进行整机吊装维护。
风力发电机分类及特点
李少龙
第三章 风力发电
课件
2020/3/3
了解风力发电机的分类 双馈式和直驱式风力发电机介绍
电气工程与自动化学院
第三章
课件
按照风轮形式分类
风力发电
2020/3/3
（1）垂直轴风力发电机组
垂直轴风轮按形成转矩的机理分为阻力型和升力型。 阻力型的气动力效率远小于升力型，故当今大型并网型垂 直轴风力机的风轮全部为升力型。
直驱式风力发电系统大多都使用永磁同步发电机发电，无需励磁 控制，电机运行速度范围宽、电机功率密度高、体积小。随着永磁 材料价格的持续下降、永磁材料性能的提高以及新的永磁材料的出 现，在大、中、小功率、高可靠性、宽变速范围的发电系统中应用 的越来越广泛。
垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机对比
垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。
其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦。
中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。
中国风力装机容量达到1000万千瓦的速度令人惊叹。
如果中国能够利用其土地上大约30亿千瓦的风能的话，将能够满足几乎所有中国当前的电力需求，短时期内这是不可能的，不过中国有可能将2020年风电总装机目标由3000万千瓦调高至1亿千瓦。
在国际效率标准下运行的话，这能够满足5%的中国电力需求，并且使中国成为世界最大的风能发电国，只要中国采取更进取而有理智的方针，就能最大限度地利用其国家的风能。
当然风能的利用离不开风力发电机，风力发电机的品质和价格成为了人们关注的焦点。
当前风力发电机有两种形式：1 水平轴风力发电机（大、中、小型）；2 垂直轴风力发电机（大、中、小型）。
水平轴风力发电机技术发展的比较快，在世界各地人们已经很早就认识了，大型的水平轴风力发电机已经可以做到3-5兆瓦，一般由国有大型企业研发生产，应用技术也趋于成熟。
小型的水平轴风力发电机一般是一些小型民营企业生产，对研发生产的技术要求比较低，其技术水平也是参差不齐。
小型水平轴风力发电机的额定转速一般在500-800r/min，转速高，产生的噪音大，启动风速一般在3-5m/s，由于转速高，噪音大，故障频繁，容易发生危险，不适宜在有人居住或经过的地方安装。
垂直轴风力发电机技术发展的较慢一些，因为垂直轴风力发电机对研发生产的技术要求比较高，尤其是对叶片和发电机的要求。
近几年垂直轴风力发电机的技术发展很快，尤其小型的垂直轴风力发电机已经很成熟。
小型的垂直轴风力发电机的额定转速一般在60-200r/min，转速低，产生的噪音很小（可以忽略不计），启动风速一般在1.6-4m/s。
由于转速的降低，大大提高了风机的稳定性，没有噪音，启动风速低等优点，使其更适合在人们居住的地方安装，提高了风力发电机的使用范围。
风电场主要设备介绍及其基本理论
风电场主要设备介绍及其基本理论1 风力发电机的类型风力发电机多种多样，归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
1.1水平轴风力发电机水平轴风力发电机可分为升力型和阻力型两类。
升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。
对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。
大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。
对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。
风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则称为下风向风机。
水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。
1.2垂直轴风力发电机垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有纯阻力装置的风轮；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。
这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。
达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。
在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。
达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。
现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。
这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。
其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮，它由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。
风力机设计理论及方法第2章-风力机的类型与结构
（3）NACA XXXX-YY或NACA XXXXX-YY X为未修改的NACA四、五位数字翼型的表达式；第 一个Y表示前缘半径的大小，第二个Y表示最大厚度 相对位置的10倍数值。
（4） NACA 653-218 6表示六系列；5表示厚度分布使零升力下的最小压力 位置的0.5位置处；3表示有利升力系数范围为±0.3； 2表示设计升力系数为0.2；18表示相对厚度为18%。
威海风电场图
2.3、翼型介绍
翼型空气动力特性的好坏直接影响风力机的性能， 翼型的形状也影响叶片的主体结构形式。 设计原则：使单位叶素有最大的功率利用系数。
但风力机的工作条件和飞机有较大的区别： 一方面风力机叶片工作时，其攻角变化范围大； 另一方面风力机叶片设计要考虑低雷诺数的影响， 风力机和飞机工作的雷诺数范围有所不同，其影响将
国家特许权示范项目——江苏龙源如东100.5兆瓦风力发 电量超过1亿千瓦时。 位于南黄海之滨的如东县环港外滩耸立起风电机组， 实现了江苏作为经济大省风电“零的突破”。记者获悉,如 东风电特许权二期后续49.5兆瓦项目正在小洋口港全面铺 开，全部33台风电机组计划于年底建成发电。同时，100.5 兆瓦项目也将于年底实现吊装33台风电机组的目标。届时， 南通黄海之滨将成为全国乃至亚洲最大、最先进的风电场， 年发电量将达到6亿千瓦时。
南澳风电场图
2、达坂城风力发电一场
• 达坂城风力发电一场位于兰新铁路及乌喀公路一 侧，达坂城谷地，年平均风速8.1m/s。 • 新疆水利厅1986年成立新疆风能公司、新疆风能 研究所、新疆新风科工贸有限责任公司“三位一 体”的高科技实体。 • 1989年建成了当时亚洲最大的大型风力发电场， 并成功地高质量运行管理至今，新疆金风科贸公 司现装机42台，总容量18.4MW。
风力机结构概述
风力机结构概述风力机是把风的动能转换成机械能的机械设备。
风力机通常由风轮、对风装置、调速限速机构、传动装置、做功装置、储能装置、塔架及附属部件组成。
风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其他动力机的主要标志。
其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。
风轮一般由叶片和轮毂组成，一般有2～3个叶片，是捕获风能的关键设备。
一、叶片叶片也称为桨叶，是将风能转换为动能的部件，风力带动风车叶片旋转，再通过齿轮箱将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
风力发电机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50～70m/s，具有这样的叶尖速度，3叶片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮仅降低2%～3%的效率。
对于外形很均匀的叶片，叶片少的叶轮转速快些，这样会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。
3叶片叶轮上的受力更平衡，轮毂可以简单些。
叶片的翼型设计、结构型式会直接影响机组的性能和功率。
风力机叶片的剖面形状称为风力机翼型，它对风力机性能有很大的影响。
目前风力机叶片有NACA44系列、NACA63-2系列、NRELS系列、FFA W系列和DU系列等。
叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。
目前的叶片品种有木制叶片及布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金等弦长挤压成型叶片、玻璃钢复合叶片和碳纤维复合叶片等5种，目前的主要构成材料是玻璃纤维增强聚酯或碳纤维增强聚酯，为多格的梁/壳体结构。
大型叶片主要采用的是玻璃钢复合材料，这种材料制作的叶片具有以下特点：（1）可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度。
风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲力和离心力，气动弯曲载荷比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。
利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可把叶片设计得比铝叶片更轻，减轻叶片的重量，重量的减轻反过来可降低叶片的离心力及重力引起的交变载荷。
（2）容易成型，易于达到最大气动效率的翼型。
风力发电机的分类
o根据风力发电机旋转轴的区别，风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。
1、水平轴风力发电机：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。
2、垂直轴风力发电机：旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。
垂直轴风力发电机目前占市场主流的是水平轴风力发电机，平时说的风力发电机通常也是指水平轴风力发电机。
目前水平轴风力发电机的功率最大已经做到了5wm左右。
垂直轴风力发电机虽然最早被人类利用，但是用来发电还是近10多年的事。
与传统的水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有不用对风向，转速低，无噪音等优点，但同时也存在起动风速高，结构复杂等缺点，这都制约了垂直轴风力发电机的应用。
根据定桨矩失速型风机和变速恒频变桨矩风机的特点,国内目前装机的电机一般分为二类:1、异步型（1）笼型异步发电机；功率为600/125kW750kW 800kW 1250180kW定子向电网输送不同功率的50Hz交流电;（2）绕线式双馈异步发电机；功率为1500kW定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。
2、同步型（1）永磁同步发电机；功率为750kW 1200kW 1500kW 由永磁体产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。
（2）电励磁同步发电机；由外接到转子上的直流电流产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。
∙风力发电机的图解o一、风力发电机分解图1.风机总成2.叶片3.轮毂般4.前罩5.螺栓6.平垫圈7.防松螺母8.螺母9.弹簧垫10.法兰11.螺栓12.防松螺母13.避雷针14.减震器二、风力发电机应用系统结构图∙风力发电机的特点o1、高效率2、微风启动3、长寿命4、免维护5、防锈6、防腐蚀6、防潮7、防水8、防风沙风力发电机的原理o风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量),通过主轴传动链,经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网.如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变流器向电网馈电.最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,立在一定高度的塔干上,这是小型离网风机. 最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无,电压和频率不稳定,没有实际应用价值.为了解决这些问题,现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等.齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分).同时也使得发电机易于控制,实现稳定的频率和电压输出.偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向.要知道,1500千瓦的风机机舱总重50多吨,叶轮30吨,使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度.风机是有许多转动部件的,机舱在水平面旋转,随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转,以便产生动力扭距.对变桨矩风机,组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转,以便适应不同的风况而变桨距.在停机时,叶片要顺桨,以便形成阻尼刹车.早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用),现在电变距系统逐步取代液压变距.就1500千瓦风机而言,一般在4米/秒左右的风速自动启动,在13米/秒左右发出额定功率.然后,随着风速的增加,一直控制在额定功率附近发电,直到风速达到25米/秒时自动停机.现代风机的设计极限风速为60-70米/秒,也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏.理论上的12级飓风,其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒.风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制,在稳定的电压和频率下运行,自动地并网和脱网;同时*齿轮箱、发电机的运行温度,液压系统的油压,对出现的任何异常进行报警,必要时自动停机,属于无人值守独立发电系统单元.∙风力发电机的维修o风机叶片的维修维护在保证风机叶片20年使用寿命中将起到至关重要的作用。
风力机特性概述
风力机特性概述李志（西藏自然科学博物馆，西藏拉萨850000）摘要：风能作为一种发展比较快，而且开发利用风能进行发电已经规模化，在很多国家都利用风力进行发电，因此风力发电已经得到了很多研究人员的关注。
风力机是将风能转化为电能的机械。
目前，垂直轴风力机和水平轴风力机是风力发电行业的主要研究方向，风力机技术具有很多优点，风能利用率高，垂直风力机和水平风力机互补优劣，垂直风力机系统结构稳定，水平风力机的结构紧凑。
文章对垂直风力机和水平风力机进行了比较综合的概述，对风力机的空气动力学性能研究和叶片进行详尽的分析。
关键词：垂直风力机水平风力机空气动力学性能风轮叶片性能优化化石能源的不断损耗和其不可再生的特点已经对人类的未来可持续发展战略产生了不可估量的影响。
现在，很多发达国家和我国都对能源资源的利用实施有效的规划，都在向可再生能源领域进军。
我国在2005年颁布《中国可再生能源法》中明确规定了国内的可再生能源资源的重要战略地位，为国内的可再生能源的发展提供有效并且具有强有力的法律保障。
在许多国家，由于风力资源十分丰富，所以得到了充分的发展研究和开发利用。
对风能资源的利用主要表现在风力发电方面，到2008年底的时候，全球的风电机组的总装机容量早就超过了1×108kW。
而在我国对风能的利用即风电机组总装机容量只达到了1200万kW。
在2009年底时，全球的风力发电机装机总量达到了3.75万兆瓦。
全球风电平均每年都增加7×107kW，风电技术在电力市场中十分受欢迎［1］。
风力发电事业在新能源和可再生能源在世界范围内得到了密切的关注，同时，也得到了最快的发展。
风能不像其他可再生能源一样需要比较尖端的科研技术水平，风能其利用起来也比较方便简单。
我国的风能资源极其丰富，对风能的规模化发展必将成为我国不可缺少的一部分。
风力机，也就是风力发电机组，是一种能够将风能有效的转化成为电能的机电装置。
风电设备若要作为公共电网的电源进行使用，采用的是并网发电的工作方式，这是对风能规模化利用的一个例子。
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动性能，尽量减少空气动力损失，多采用叶根强 度高、叶尖强度低带有螺旋角的结构。螺旋桨式 风力机，至少也要达到额定风速，才能输出额定
功率，为了使风向正对风轮卧回转平面
，需要进行方向控制。
欧洲使用的荷兰式风力机。现有900台左右，一 部分作为游览用在运行，大型的有直径超过20米
的机组。
纲索，叶片的主体部分用帆布制成。因
此，它的重量很轻，性能与刚体螺旋桨没有什么 两样，而且通过加在叶尖上的配重也可以控制桨
距进行调速。
涡轮式风力发电机和燃气涡轮、蒸汽涡轮一样由 静叶片和动叶片构成
，这种风力机尤其适用于强风地区。下图是日本
大学粟野教授研制并在南极使用的涡轮式风力发 电装置，它可耐南极40-50米/秒的大风雪，制造
数为直
径4米、6—8枚叶片。绝大部分用来提水，一小 部分用来磨面。下图是美国普林斯顿大学研究的 新风力机叶片。这种叶片看起来象是木质的整体，
但实际上前缘用金属管，后缘使用
的是纲索，叶片的主体部分用帆布制成。因此， 它的重量很轻，性能与刚体螺旋桨没有什么两样， 而且通过加在叶尖上的配重也可以控制桨距进行
调速。 涡轮式风力发电机和燃气
Байду номын сангаас
涡轮、蒸汽涡轮一样由静叶片和动叶片构成，这 种风力机尤其适用于强风地区。下图是日本大学 粟野教授研制并在南极使用的涡轮式风力发电装
置，它可耐南极40-50米/秒的大
风雪，制造得极其坚固并采用轴流涡轮方式以取 得高效率。
这是美国的W.毕罗尼玛斯提出的一种设想，他把 许多风轮安装在一个塔架上，整个机组在海上漂
风力风力机的种类及特征：水平轴水平轴风力风 力机
作为风力发电使用最多的是螺旋桨式风力机。常 见的是双叶片和三叶片风力机，但也有一片或四
片以上的风力机。这种风
力机的翼形与飞机翼形相类似，为了提高起动性 能，尽量减少空气动力损失，多采用叶根强度高、 叶尖强度低带有螺旋角的结构。螺旋桨式风力机，
至少也要达到额定风速，才能输出
多翼式风力机在美国的中、西部的牧场大
部分用来提水。19世纪来有数百万台。多翼式风 力机装有20枚左右的叶片，是典型的低转速大扭
矩风力机，目前不仅在美国使用，在墨西哥、澳 大利亚、阿根廷、南美等地也有相
当的数量在使用，也是多翼式的风力机，它是美
国风力涡轮公司最近研究的自行车车轮式风力机， 48枚中空的叶片做放射状配置，性能比过去的多
额定功率，为了使风向正对风轮卧回转平面，需 要进行方向控制。
欧洲使用的荷兰式风力机。现有900台左右，一 部分作为游览用在运行，大型的有直径超过20米
的机组。
多翼式风力机在美国的中、西部的牧场大部分用 来提水。19世纪来有数百万台。多翼式风力机装 有20枚左右的叶片，是典型的低转速大扭矩风力
机，目前不仅在美国使用，在墨
浮，使用由许多风轮
组成的发电设备。这种设备，因为设置在海上， 所以把发出的电力用于电解海水，贮存氢气和氧
气。不过这种风力机目前还处于设想阶段。 风力风力机的种类及特征：水平轴水平
上海自动化仪表三厂 wer
轴风力风力机
作为风力发电使用最多的是螺旋桨式风力机。常 见的是双叶片和三叶片风力机，但也有一片或四 片以上的风力机。这种风力机的翼形与飞机翼形
西哥、澳大利亚、阿根廷、南美等地也有相当的
数量在使用，也是多翼式的风力机，它是美国风 力涡轮公司最近研究的自行车车轮式风力机，48
枚中空的叶片做放射状配置，性能比
过去的多翼式风力机大有提高。用来发电的发电 机用皮带或齿圈传动。
布制帆翼式风力机在地中海沿岸及岛屿有很长的 历史，大型的有直径10米、20枚叶片的，但大多
得极其坚固并采用轴流涡轮方式
以取得高效率。 这是美国的W.毕罗尼玛斯提出的一种设想，他把 许多风轮安装在一个塔架上，整个机组在海上漂 浮，使用由许多风轮组成的发电设备。这种设备，
因为设置在海
上，所以把发出的电力用于电解海水，贮存氢气 和氧气。不过这种风力机目前还处于设想阶段。
翼式风力机大有提高。用来发电的
发电机用皮带或齿圈传动。
布制帆翼式风力机在地中海沿岸及岛屿有很长的 历史，大型的有直径10米、20枚叶片的，但大多 数为直径4米、6—8枚叶片。绝大部分用来提水
，一小部分用来磨面。下图是美国普林斯顿大学 研究的新风力机叶片。这种叶片看起来象是木质 的整体，但实际上前缘用金属管，后缘使用的是