水平轴风力机结构设计.共83页
第三章__水平轴风力机的气动设计
第3章水平轴风力机的气动设计水平轴式风力机无论过去还是现在都是最流行、采用最广泛的。
从古代传统的水平轴风车到现在功率已达兆瓦级的水平轴风力发电机，其发展历史和应用规模充分说明了它在风力机领域的地位。
1759年，英国人John Smeaton在著名的荷兰风力磨(见图3-1)上已把水平轴风C=。
而在空气动力学、新型材料、加工制造技术等近代科力机的功率系数提高到了0.28P技成果的支持下，现在水平轴风力机的功率系数已达到0.5左右。
为了制造出效率高、运行可靠的风力机，在它投入制造前，必须设计解决以下两个问题。
①首先是确定风轮的基本几何尺寸与特性参数，如叶片数、风轮直径、叶尖速比等；确定叶片的空气动力参数，如翼型、各叶素弦长，各叶素安装角、叶片外形等。
②其次要确定叶片和风力机所受的力，以便按照强度、刚度要求设计叶片结构和叶轮，使叶片和风力机具有可靠的安全性能以承受它所处环境的恶劣运行条件。
图3-1 荷兰风力磨3.1叶片数和风轮直径的确定风力机风轮的基本几何尺寸与特性参数取决于它的使用目的和当地的年平均风能密度。
如果要在风能丰富的地方建一台风力机用于发电，因要连接一个高转速的发电机，为避免齿轮箱过高的增速比，就需要风轮有尽可能高的工作转速，所以应选择具有高叶尖速比λλ=～。
值的风轮。
这时它也具有较高的功率系数，高速风轮的58将风力机用于乡村和偏远地区的提水、制热，而当地年均风速又不高，则用叶尖速比λ=～2的低速、多叶片风力机就比较合适。
1低速风力机虽然功率系数低，但它可获得很大的转矩输出，在较低风速下也能为负载(泵)提供较高的起动转矩。
3.1.1叶片数z的确定依使用目的、当地的风能状况决定水平轴风力机是采用高速还是低速风轮之后，叶片数图3-2 具有代表性的风力机的性能函数z也就相应地被限定了。
图3-2给出不同形式风轮的功率系数与叶尖速比间的关系。
λ>的大型高速风力机而言，选择的叶片数究竟是1个、2个还是3个，需要考虑以对5下四个原则。
风力发电机的组成部件及其功用
风力发电机的组成部件及其功用风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。
风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。
下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。
图3-3-4和3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。
图3-3-4 小型风力发电机示意图1—风轮2—发电机3—回转体4—调速机构5—调向机构6—手刹车机构7—塔架8—蓄电池9—控制/逆变器图3-3-5 中大型风力发电机示意图1—风轮；2—变速箱；3—发电机；4—机舱；5—塔架。
1 风轮风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。
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（也称桨叶）、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（见图3-3-6）。
叶片横截面形状基本类型有3种（见图第二节的图3-2-3）：平板型、弧板型和流线型。
风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。
图3-3-7所示为风力发电机叶片（横截面）的几种结构。
图3-3-6 风轮1.叶片2.叶柄3.轮毂4.风轮轴图3-3-7 叶片结构（a）、(b)—木制叶版剖面； (c)、(d)—钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面；(e) —铝合金等弦长挤压成型叶片；(f)—玻璃钢叶片。
木制叶片（图中的a与b）常用于微、小型风力发电机上；而中、大型风力发电机的叶片常从图中的（c）→（f）选用。
用铝合金挤压成型的叶片（图中之e），基于容易制造角度考虑，从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。
叶片的材质在不断的改进中。
1 机头座与回转体风力发电机塔架上端的部件——风轮、传动装置、对风装置、调速装置、发电机等组成了机头，机头与塔架的联结部件是机头座与回转体（参阅后面的图3-3-24）。
（1）机头座它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件，它牢固如否将直接关系到风力机的安危与寿命。
水平轴风力机叶片的结构设计与有限元分析
水 平 轴 风 力 发 电 机 是 将 风 能 转 换 成 电 能 的 主 要 设 备 ，而 风 力 发 电机 工 作 效 率 的 关 键 是 依 赖 于 风 机 叶 片 设 计 与 生 产 的 质 量 。 叶 片 质 量 的 好 坏 又 直 接 影 响 到 整 个 风 力 机 的 运 行 可 靠 性 和 寿 命 ， 由 于 叶 片 一 般 为 弹 性 结构 ， 再 加上 受 工作环 境 影响 ， 作 用 其 上 的 风 载 荷 具 有 随 机 性 和 突 变 性 ，使 叶 片 在 运 行 时 不 可 避 免 地 产 生 振 动。 叶 片 振 动 是 导 致 叶 片 损 坏 的 主 要 因素 ， 所 以 对 叶 片 的结构 动力 学特 性进 行分 析 成为 风力 机研 究 的重 要方
水平轴风力ｉ Ｉ ｉ 几 叶 片 的 结 构 设计 与 有 眼 元 分 新术
口 刘 涛 口 朱 旭 口 杨 成 口 孙会伟
兰 州 理 工 大 学 机 电 工 程学 院 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０
摘 要 ： 设 计 了一 种 １ ． ５ ＭＷ 水 平 轴 风 力 机 叶 片模 型 ， 运用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ对 叶 片 模 型 添 加 材 料 属 性 、 划 分 网格 、 施 加 载 荷 与 约 束进 行 有 限 元 分析 。进 行 了叶 片 在静 止 状 态和 有 预 应 力作 用 两种 工 况 下 的 结 构 模 态计 算 ， 分 析 了叶 片在 被 施 加 极 限挥 舞 栽 荷 作 用下 的 表 面 应 力 分 布 情 况 ． 计 算 了叶 片 的 最 小模 态频 率 和 最 大应 力 分布 情 况
截 面 翼 型 为 ＮＡＣＡ ６ ３系 列 ， 从 叶 根 沿 叶 片 展 向 方 向 ，
水平轴风力发电机组原理结构共36页文档
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
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水平轴风力发电机组原理结构
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
水平轴风力发电机设计
目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)1 绪论 (1)1.1风能资源的概述 (1)1.2风能资源的利用 (1)1.3风能资源利用的原理 (1)1.4风力发电的输出 (3)1.5风力发电机的种类 (3)1.5.1水平轴风力发电机 (3)1.5.2垂直轴风力发电机 (4)2 水平轴发电机的基本功能构成及工作原理 (5)2.1水平轴风力发电机的结构简介 (5)2.2水平轴发电机关键部件详细介绍认知 (6)2.2.1风轮叶片介绍 (6)2.2.2发电机 (6)2.2.3调速机构 (8)2.2.4调向机构 (9)2.2.5手刹车机构 (9)2.2.6塔架 (10)3 小型风力发电机叶轮和发电机装置的选择确定 (11)3.1设计风速的确定 (11)3.2风轮外形的计算 (12)3.2.1风能利用系数Cp (12)3.2.2风轮的扫掠面积确定 (12)3.2.3风轮直径的确定 (13)3.2.4回转体水平轴向力的计算 (14)3.2.5发电机的选择确定 (14)4 水平轴风力发电机回转体的设计与计算 (16)4.1回转体结构设定 (16)4.2轴承的计算与选用 (16)4.2.1轴承的功能与作用 (16)4.2.2轴承的查表选用 (16)5 塔架 (22)5.1塔架高度的确定 (22)5.2塔架材料的确定 (22)5.3整体建模效果图 (23)总结 (24)参考文献 (25)致谢 (26)摘要风能是清洁绿色的动力，风力能源目前相对于我国来说还是相当充裕的。
风力发电就是获取风能最主要的一种方法。
风力发电的根本工作原理，是通过风力使其叶片转动，然后经过增速机把风轮转动的速度提高到一定的值，继而使发电机正常工作然后发电。
现在风力发电技术已经达到了一定的地步，基本风速达到3m/s的速度后，发电机就可以开使正常工作继而发电。
该课题是设计一台小型水平轴风力发电机，它的基本组成部件主要有以下五种①叶片②发电机③回转体④塔架⑤控制系统等。
水平轴风力机
风力机空气动力学基础知识风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力，数千年前就有了帆船用于交通运输，后来有了风车用来磨面与抽水等。
近年来，由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重，风能作为清洁的新能源得到人们的重视。
为方便风力机技术知识的学习，下面介绍一些风力机空气动力学的基础知识。
升力与阻力风就是流动的空气，一块薄平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力，我们把这个力分解为阻力与升力。
图中F是平板受到的作用力，D为阻力，L为升力。
阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。
我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，升力为零。
当平板静止时，阻力虽大但并未对平板做功；当平板在阻力作用下运动，气流才对平板做功；如果平板运动速度方向与气流相同，气流相对平板速度为零，则阻力为零，气流也没有对平板做功。
一般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率。
当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零（阻力与升力都为零）。
当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会受到气流的压力，在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力D与升力L。
当夹角较小时，平板受到的阻力D较小；此时平板受到的作用力主要是升力L。
截面为流线型的飞机翼片阻力很小，即使与气流方向平行也会有升力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。
当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。
超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。
风力发电用风力机有阻力型与升力型两种，水平轴风力机基本都是升力型，垂直轴风力机有多种阻力型结构，也有是升力型结构。
翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。
水平轴风力机课程设计
课程设计说明书题目程度轴风力机的设计班级学号学生姓名指导教师课程设计任务书课程名称风能利用技术院〔系〕专业班级学号姓名课程设计题目课程设计时间: 年月日至年月日一、课程设计的目的及任务1主要目的：〔1〕以大型程度轴风力机为研究对象，掌握系统的总体技术参数计算方法；〔2〕熟悉程度轴风力机的总体设计方法；〔3〕掌握科研报告的撰写方法。
2主要任务：〔1〕确定风力机的总体技术参数；〔2〕计算关键零部件〔叶片、风轮〕载荷和技术参数；〔3〕完成叶片设计任务；〔4〕确定总体设计方案；〔5〕撰写一份课程设计报告。
二、课程设计的主要内容选择功率范围在至6MW之间的风电机组进展设计。
1原始参数风力机的安装场地50米高度年平均风速为，60米高度年平均风速为，70米高度年平均风速为7.6 m/s，当地历史最大风速为49m/s，用户希望安装1.5 MW至6MW之间的风力机。
采用63418翼型，63418翼型的升力系数、阻力系数数据如表1所示。
空气密度设定为3。
2设计内容〔1〕确定整机设计的技术参数。
设定几种风力机的C p曲线和C t曲线，风力机根本参数包括叶片数、风轮直径、额定风速、切入风速、切出风速、功率控制方式、传动系统、制动系统形式和塔架高度等，根据标准确定风力机等级；〔2〕关键部件气动载荷的计算。
设定几种风轮的C p曲线和C t 曲线，计算几种关键零部件的载荷〔叶片、风轮〕；根据载荷和功率确定所选定机型主要部件的技术参数。
以上内容建议用计算机编程实现，确定风力机的主要技术参数。
〔3〕最后提交有关的分析计算报告。
指导老师年月日负责老师年月日学生签字年月日沈阳航空航天大学课程设计成绩评定单课程名称风能利用技术院/系能源与环境学院专业新能源科学与工程课程设计题目程度轴风力机的设计学号姓名辩论日期年月日指导老师〔辩论组〕评语：课程设计成绩：指导老师〔辩论组〕签字：年月日目录一、设计概述 (1)1 我国开展风能的趋势及优势 (1)2 风力机概述 (1)风力机类型 (1)风力机的构造和组成 (1)3 大功率程度轴风力机开展的意义 (2)4 国内外风力机技术的现状 (2)国内风力机技术现状 (2)国外风力机技术现状 (3)5 风力机叶片设计的理论根底 (3)简化叶素理论设计方法 (3)5.2 Glauert理论设计方法 (4)二、设计内容 (5)1风力机额定功率、寿命、相关速度参数及叶片数等确实定 (5)额定功率 (5)设计寿命 (5)切入风速、切出风速、额定风速 (5)叶片数 (5)各局部效率 (5)2风力机几何参数确实定 (6)叶轮直径和扫掠面积 (6)叶轮扫掠面积 (6)3 风力机叶尖速比、转速确实定 (6)叶尖速比确实定 (6)转速确实定 (7)4 功率曲线，风能利用系数曲线，推力系数曲线 (7)5功率控制方式，传动系统，制动系统的选择 (10)功率控制方式 (10)传动系统 (11)制动系统 (11)6塔架高度 (11)7设计标准及风力机等级 (12)设计标准 (12)风力机等级 (12)8关键部件气动载荷计算 (12)利用Glauert理论设计 (14)三、设计结果 (16)四、相关图片及设计程序 (17)1 相关图片 (17)2Glauert理论程序 (18)五、结论 (20)1设计命题的合理性 (20)2设计的理论根底 (20)3设计运用的工具 (20)4设计中的缺乏与展望 (20)参考文献 (22)一、设计概述1 我国开展风能的趋势及优势1973 年发生的石油危机，特别是世界范围内化石燃料能源的大量消耗产生一系列的环境问题，给人类生存环境造成的危害日趋明显，风力发电才逐渐被重视起来，尤其到90 年代，由于科学技术的进步，风力发电从新能源中脱颖而出，成为一种最具工业开发规模的新能源。
水平轴风力发电机组原理结构
3.翼型气动特性参数
升力系数
Cl L 1 V 2c 2
阻力系数 Cd 1 V 2c
2
D
力矩系数
Cm
M 1 V 2c 2
3.翼型气动特性参数
α -180 cl -0.022 cd 0.012 cm 0
-120
-60 0 60 120 180
0.539
-0.838 0.453 1.157 -0.511 -0.022
的保障机制，包括调速、调向和安全。
地基：支撑整个机组。
二.风电机组分系统简介
风轮系统
MY1.5s风力发电机组吊装
风轮系统
ENERCON E-112叶片
ENERCON E-70
传动链
REPOWER 5M
发电机
CLIPPER LIBERTY 2.5MW
ENERCON E-112
偏航系统
塔架
水平轴风力发电机组 工作原理及结构
气象学 风工程
空气动力学
复合材料力学
风能利用是一 系统工程,涉及多种 电气工程 学科和专业。
机械结构设计 结构动力学
控制工程
概要
一.风电机组空气动力学简述 二.风电机组基本类型 三.风电机组分系统简介
一.风电机组空气动力学简述
1.翼型
2.攻角 3.翼型气动特性参数
塔架
桁架式塔架
混凝土塔架
钢制锥筒式塔架
机舱罩
ห้องสมุดไป่ตู้
地基
桩 式 地 基 板式地基
地基
谢 谢！
4.作用在叶片上的气动力
5.作用在机组上的气动力
飞机是怎么抵抗地心引力的？
1.翼型
美国NACA系列：NACA 4412 NACA 63418 美国Seri和NREL系列、丹麦RISO-A系列、 瑞典FFA-W系列和荷兰DU系列。