风力发电原理第五章.ppt

P131-1,气动设计模型风轮功率特性风轮设计参数现代风轮叶片设计转速-功率空气动力学控制,第五章 水平轴风轮的气动设计,风轮的关键参数对水平轴风轮空气动力学特性的影响；利用风轮的空气动力学进行转速-功率控制的原理。,P131-2,5-1 气动设计模型,一、气动设计流程,首先建立理论概念风轮，假设其性能属性，预估风轮的风能利用系数，计算风轮直径，确定叶片的几何和气动参数；通过对风轮结构性能的计算，检验风轮性能与设计值之间的误差。通常计算结果与设计值不能较好吻合，可通过反复多次的计算和风洞试验，来分析和优化风轮的关键参数值，从而适当地修正和改善设计。若初步结果与设计概念风轮相差甚远，可对概念风轮进行适当的调整。,P131-3,设计必须较好地确定风轮的结构，其任务是在预先假定的要求和目标下，寻找一个最理想的风轮结构。通常，设计起点是确定在某风速下风力机的功率输出。基于这一点，通过初步估计风轮的风能利用系数，来确定所需要的风轮直径。风轮直径的首次假设是风轮空气动力学设计的开始。风轮的空气动力学设计也可以通过计算解决，确定理想的风轮形状，如风轮叶片，但仅是方向性的目标。真正的任务是在考虑了气动性能、强度和刚度的安全性指标、经济性等因素后，尽可能地寻找最佳的风轮结构。,P131-4,风力机设计流程,图5-1 风力机设计流程,P131-5,二、风轮直径的确定,在最大设计输出功率Pu(W)和风力机前风速(m/s)确定的前提下，选定叶尖速比，预估风力机在该叶尖速比下的风能利用系数CP值，则风轮的直径D(m)可按下式计算，即,式中：为空气密度，kg/m3。,风轮的转速n(r/min)为,除此之外，水平轴风轮的气动设计，还要确定和选择叶片的翼型，计算出相对于风轮轴线不同距离r处叶片叶素的弦长和安装角。,P131-6,三、输出功率计算模型,Betz理论基于叶轮扫风面的二维流场，提出了流经风轮扫风面的风能转化为机械能的量。,实际上，旋转风轮的尾流产生旋转动量，为了维持角动量，尾流旋转力矩必然与风轮力矩相反。旋转尾流削弱了风轮有用功，从而使风轮的风能转化率低于Betz理论值。在扩展动量理论中，充分地考虑了旋转尾流的效应，扩展动量理论模型如图所示。,图5-2 扩展动量理论模型,P131-7,引入叶片结构是从风轮结构到空气动力学理论非常关键的一步，也是找出风轮结构与其空气动力学性能内在联系的唯一途径，最常用的模型为叶素理论。叶素理论确定了任意半径r处的空气动力，假设各叶素是沿轴旋转的同心圆薄片，且叶素之间不存在空气动力流场的相互干扰，如图所示。,图5-3 叶素理论模型,P131-8,在半径r处翼型剖面的弦线与风轮旋转平面的夹角称为桨角或节距角，风轮轴向自由流流速为w与切向速度u构成相对速度r。相对速度与叶片弦线的夹角称为当地空气动力学攻角。攻角是空气动力学参数，而叶片桨角是设计参数。,图5-4 攻角和桨距角的区别,P131-9,根据旋转尾流的轴向和切向的流动机理与叶素空气动力的形成，确定叶素的流动条件，从而很快从翼型特性曲线读出叶素的升力系数和阻力系数。,叶片上表面和下表面的压力差导致叶尖自由叶尖旋涡的产生。相对阻力也被称为诱导阻力，是当地升力系数和叶片长细比的函数。叶片长细比越高，表明叶片越狭长，诱导阻力越小。叶尖旋涡被认为是额外的阻力部分，与中心旋涡一样，均造成了有用功的损失。,图5-5 漩涡模型,P131-10,通过对叶素升力系数和阻力系数的计算，可以得出整个叶片长度方向的空气动力分布。分为两部分：一部分是风轮旋转平面的切向力分布；另一部分为轴向的推力分布。在整个风轮半径范围内，对切向力进行积分，则可得出旋转速度下风轮的动力矩、风轮效率或风能利用系数。对轴向力进行积分，得出对整个风力机塔架的推力。因此，通过叶素理论可以得出某特定叶片的风力机功率以及在稳态下的气动载荷。,图5-6 风轮的受力,P131-11,图5-7 风轮风能利用系数,描述了风轮风能利用系数的理论值与实际值的差别。由图可知，造成风能利用系数低于0.593的原因主要有3点：1.考虑风力机尾流的实际角动量后，风轮风能利用系数为叶尖速比的函数，只有当叶尖速比变为无限大时，风能利用系数才接近与Betz理想值；2.当引入叶片的空气动力学后，叶片的气动阻力进一步降低了风能利用系数；3.风轮有限的叶片数是造成风能利用系数低于Betz理想值的又一原因。此外风轮必须在某叶尖速比条件下获得风能利用系数最佳值。,基于Betz理论和叶素理论，可得出真实风轮的功率曲线。但需注意的是，Betz理论和叶素理论均为简化的理论，因此，利用这两个理论计算的风轮功率的准确性有限。,P131-12,5-2 风轮功率特性,Betz定律指出风轮机械输出功率的大小。叶素理论则指出了风轮结构与其性能的关系。应用风轮风能利用系数CP，风轮功率PR可以通过下式计算，即,式中：A为风轮扫风面积，m2；w为风速度，m/s；CP为风轮风能利用系数；为空气密度，kg/m3；PR为风轮功率，W。,P131-13,对应某一叶尖速比，通过叶素理论可计算风能利用系数CP。重复对不同叶尖速比进行计算，则得出风轮风能利用系数与叶尖速比的关系曲线，该曲线也称为风轮功率特性曲线，表达了同一转速下不同风速的风能利用系数，或者同一风速下不同转速的风能利用系数。,图5-8 某风轮的性能曲线簇,如果风轮采用变桨距控制功率输出，那么必须对每一桨角的风能利用系数曲线进行计算。相应，由不同桨距角的定桨距风轮的性能曲线构成了变桨距风轮控制的性能曲线簇如图所示。,图5-8 某风轮的性能曲线簇,P131-15,除了风轮输出功率外，风轮的动力矩也是反映风轮性能的重要参数之一。图示为不同桨距角对应的动力矩性能曲线。风轮动力矩可以通过力矩系数来计算得到。,式中：CM为风轮的力矩系数；R为风轮半径，m。,图5-9 某风轮的力矩曲线簇,P131-16,功率除旋转速度可计算得到力矩，故也可得出以下关系式，即,功率曲线和力矩曲线是风轮的性能特征曲线。风轮风能利用系数和曲线形状的不同预示着风轮结构的不同，影响CP的主要参数有风轮结构、风轮叶片数、叶片弦长分布、气动性能和叶片扭角等。,P131-17,图示为几种典型结构风轮的风能利用系数。由图可知，现代高速风轮性能较传统风轮具有明显的优势。如美国风车和荷兰风车的最大风能利用系数只有0.3，而利用气动阻力旋转的S形风轮则更低，为0.15，现代三叶片水平轴风轮最大风能利用系数达0.5。,图5-10 不同风轮的风能利用系数,P131-18,单叶片升力型风轮的最佳转速较两叶片的更高，最佳叶尖速比在15左右，但风能利用系数低于两叶片的；类似，两叶片升力型风轮的最佳转速较三叶片的更高，其最佳叶尖速比在10左右，风能利用系数则较低；三叶片风轮的最佳叶尖速比为7左右。,图5-10 不同风轮的风能利用系数,P131-19,图示了5种典型风轮结构的力矩系数。由图可知，旋转速度越快，风轮力矩越小。相反，转速越低的多叶片风轮，则力矩越大。对于叶片实度较低、叶片数较小的风轮，其力矩较小。两叶片风轮的起动力矩较小，因而很难起动，除非将风轮桨角调整到理想位置。,因此，从设计风轮的用途可大致确定风轮叶片数的范围。若用于乡村和偏远山区的提水或热，则可用叶尖速比较小的低速风轮，才能满足力矩要求。同样，对于当地年均风速不高的风资源，采用起动较好，叶尖速比较低的风轮较为合适。,图5-11 不同结构风轮的动力矩,P131-20,5-3 风轮设计参数,叶片数是风轮最显著的外形特征。图示了叶片数对风轮风能利用系数的影响。随着风轮叶片数的增加，最大风能利用系数增大，但增加率减少。从一个叶片增加到两个叶片，风能利用系数增加了10%；从两个叶片到3个叶片，风能利用系数增加了3%4%；3个叶片到4个叶片增加了2%-3%，说明增加的幅度降低。,一、风轮叶片数,图5-12 叶片数对风能利用系数的影响,P131-21,理论上讲，风能利用系数随着叶片数增加会继续增加。但有许多风轮，如美国风轮，呈现出下降的趋势。这是因为在叶片密实度非常高的情况下，气体流动条件非常复杂，无法利用理论模型概念加以解释。,由图可知，随着风轮叶片数的增加，最佳叶尖速比在减小。如3叶片风轮最佳叶尖速比为78，两叶片最佳叶尖速比为10，一叶片风轮的最佳叶尖速比为15。现代风力机叶片数较少，通常为两个或者3个。这是因为，通常因叶片数增加而额外产生的能量和电量，不足以抵消风轮叶片的额外成本。,P131-22,1）转速越高，叶片数越少。高转速可使齿轮箱的转速比减小，降低齿轮箱的费用。2）减少风轮叶片的数量，则可以降低风轮的成本。3）叶片叶素的弦长t与叶片数z成反比。4）风轮转动质量的动平衡，振动控制的难易，风轮运转噪声的大小。,3叶片风轮的叶片成120夹角，转子的动平衡比较简单。3叶片的质量对风轮塔架轴线成均匀对称分布，该质量分布与叶片在叶轮旋转时所处的角度无关。因而，在风轮塔架轴线上具有较好的动平衡性，对风轮的运转不产生干扰。,叶片选择需要考虑以下几个因素：,P131-23,从成本而言，12个叶片比较合适。但两叶片风轮的叶片对风轮塔架轴线的质量矩在叶轮整个旋转过程中是变化的，这种变化与叶片所处位置有关。当叶片在竖直位置时，对风轮塔架轴线的质量矩最小；当叶片转到水平位置时，质量矩相对塔架平行且很大，风轮会产生干扰力。与3叶片风轮相比，2叶片风轮更容易偏离正常风向和产生摇摆运动，且当叶片上下的起动力不平衡，或受到风脉动等干扰时，会对塔架产生不良的影响。两叶片风轮的优点是叶片实度小、转速高。若3叶片风轮要达到同样高的转速，则需将叶片设计得非常窄，而基于结构强度要求，可能无法实现。,P131-24,虽然通过单叶片设计可进一步提高风轮转速，但其动态不平衡尤为突出，致使风轮机舱、塔架产生振动等问题，使风力机产生更强的摆动和偏航运动。因此，单叶片风轮又必须在平衡转子的动平衡和控制振动方面额外增加费用。气动性能对称的3叶片风轮产生高的动态载荷，这增加了风力机其他部件的复杂性。而具有高叶尖速比的2叶片或1叶片风轮，会产生强烈的噪声，这在大部分场合是难以接受的。从旋转的视觉效果来看，2叶片或单叶片风轮通常感觉是从不停止，3叶片风轮则没有此感觉。所有这些原因导致现在商业风力机完全采用3叶片风轮。但随着风轮尺寸加大，应用领域扩大，如近海风电场，2叶片风轮再次显示出其吸引力。因此，选择风轮叶片最佳数时，不仅要考虑气动功率的差别，还需要综合考虑风力机的使用环境。,P131-25,二、最佳风轮叶片形状,风轮从空气流中捕获到能量的大小受叶片几何形状的影响很大。确定空气动力学最佳叶片形状，或者最大化地近似设计出最佳形状，是风轮气动设计的内容之一。叶素弦长决定了风轮前后的速度比是否达到最佳值。利用Betz理论和叶素理论，可以计算出风轮叶片轮廓的理论形状，计算目的为在每个叶片半径，使其风轮平面的风速被延迟为来流风速的2/3。,P131-26,最佳叶素弦长与安装角的计算,设风轮的叶片数为z，风轮叶片r，r+dr截面上获的推力dT，切向力dA,通过风轮上圆环截面的气体体积流量 为,这些气体的速度从风轮前的1到风轮后的2，所产生的动量减少量等于气体受到风轮的作用力，有,P131-27,当叶素弦长t的取值为最佳时，可使风轮后的速度达到Betz理论指出的要求，即，由于，且，得,故最佳叶素弦长,而，最终有,P131-28,当选用升阻比较大的翼型，并且一般设计攻角也接近于最佳值，因而CD/CL0.02，则式,可简化为,定义：topt为当地最佳叶片弦长，m；wD为设计风速，m/s；u为叶片线速度，m/s。,忽略机翼阻力和叶尖旋涡损失，给出了在整个叶片长度范围内最佳弦长分布，即,P131-29,上式可有效地近似计算出叶片的轮廓。最佳弦长分布分别是叶片长度或风轮半径的双曲线函数。,理论最佳形状的双曲线轮廓在制造上比较复杂。从制造经济效益来看，设计目标应该是直叶片结构。图给出了3种形状的叶片，并把双曲线梯形叶片作为基准形状，然后进行空气动力学特性的比较。,图5-13 3种叶片的形状,P131-30,图示了由于与理论双曲线轮廓形状之间存在偏差而造成的能量损失程度。由图可知，梯形叶片与理论理想叶片的性能更加接近，其最大风能利用系数稍低于理想双曲线叶片的值，而矩形叶片性能相对低了很多。,图5-14 叶片形状对风轮性能的影响,P131-31,为刻画叶片几何形状特征，引入叶片实度、高径、比和锥度3个参数概念：,图5-15 叶片形状与风轮叶尖速比的关系,P131-32,图示了1叶片、2叶片、3叶片和4叶片风轮，不同叶尖速比条件下风轮叶片的实际形状。在叶片密实度相同的条件下，叶片越多，叶片越细长。随设计叶尖速比增高，叶片越细长。如叶尖速比为15时，3叶片或者4叶片风轮的叶片变得非常细长。设计细长叶片时必须考虑其强度和刚度问题。为了满足叶片的强度要求，高转速风轮只允许有少数的叶片，而增加叶片的结构尺度。采用1叶片风轮的目的就是建立一个高转速风轮。,图5-15 叶片形状与风轮叶尖速比的关系,P131-33,从叶片安全角度考虑，为了使叶片结构更加简单，并具有更高的强度，在设计制造中可暂时不考虑叶片根部的气动性能，然后强化叶片的结构强度和刚度，并使叶片质量最小。另外，单从叶片结构设计而言，虽然根部面积产生的功率最小，但不能为了简约成本和重量，而取消部分根部的叶片。,图示了不同部位的叶片被忽略后，风轮的风能利用系数曲线。叶片被忽略的部分越靠近叶尖，风轮的整体性能越低。这是因为离叶尖越近的叶片，单位长度的扫风面越大，故对风力机的功率输出影响也越大。相比而言，叶片根部产生的功率更少。,图5-16 叶片不同部位对风力功率的影响,P131-34,在某种情况下，在叶片根部采用特殊形状也可较大地提高性能。Enercon E70风力机，在叶片根部采用大弦长设计，呼应了叶片的理想形状，并将机舱周围的空气纳入叶片空气动力计算。在给定的环境下，这一结构设计增加了风能利用系数。这一效果与叶片根部的空气动力学和断面结构有很大关系。这两个特征导致在机舱周围产生极大的涡流加速度，从而影响叶片根部的气流速度，以至于叶片根部面积也变得非常重要。,图5-17 Enercon 风轮的叶片根部,P131-35,叶片外围靠近叶尖的部分产生的功率更大，故叶片叶尖的弦长分布也要尽可能与理论最佳形状接近。图示为适用于风力机叶片叶尖的形状。与飞机机翼条件类似，叶尖弧形影响着叶尖旋涡的产生和叶尖产生的气动阻力。据研究得出，优化叶尖形状可以很好地提高风轮功率，改善气动噪声的产生。,图5-18 叶片叶尖的形状,P131-36,在叶尖设计附加叶片也可以提高风轮功率。荷兰国家航空研究所曾对叶尖附加叶片的有效性进行了风洞试验测量。但是风洞试验得出结构的良好性能，在大气环境下的试验风力机上还未得到证实。据分析，原因为附加叶片的有效性被不稳定的湍流风大大减弱。一些风力机上仍然在叶尖采用附加叶片。,图5-19 风力机叶片叶尖形状,P131-37,三、风轮叶片扭角,为了尽可能地获得高的风轮效率，希望叶片各微段叶素安装角都为最佳值，来得到最佳的叶片形状。,图中给出了为获得最佳安装角而采用带有扭角的叶片。vr由根部到叶尖逐渐增大。叶素倾角为攻角与叶素安装角 之和，即。叶根 叶尖，相对速度逐渐增大，叶素倾角从根部向叶尖逐渐减小。,图5-20 扭曲叶片的受力分析,P131-38,若叶片采用非扭曲设计，则各半径叶素的安装角 相同，则在旋转的过程中，从根部向叶尖的攻角逐渐减小。如果叶尖处于最佳攻角位置，则叶尖以下的叶片部分因大于临界攻角均处于失速区域，风轮效率必然很低；如果叶根处的叶片处于最佳攻角，则叶根以上的叶片叶素因攻角较小，而风轮整体的效率依然很低。,扭曲设计的叶片结构如图示，其结果是叶片从叶尖到根部安装角逐步增大，在叶尖处近似为不扭曲的状态。经扭曲设计后，在运行中整个叶片各叶素均可具有较好的攻角，保证了叶片性能最大化。,图5-20 扭曲叶片的受力分析,叶片各个部位的叶素在旋转中都处于最佳攻角，所以对叶片进行扭曲设计。,P131-39,通常，叶片理想扭角大小仅通过叶尖速比来确定，即风轮的额定工作点。因此，在所有的运行条件下，扭角未必总是最佳的，会造成风轮有用功的损失。例如，当叶片扭角为某一工作点设计值时，风速增加后，导致靠近轮毂的叶片表面的边界层分离加剧，有用功的损失也在增加。由于风轮根部叶片相对流动速度较低，做功能力较弱，因此为了制造方便，靠近根部的叶片经常不会强烈追求扭角。,总之，决定风轮最理想扭角需要多方面考虑，功率控制方面的方法，如变桨距调节或失速调节、风轮的运行特征及翼型的选择也影响着风轮扭角。,P131-40,图示的横坐标表示叶片的相对位置，纵坐标则表示扭角值，图中3条曲线表示了3种不同扭角的叶片。A叶片为扭曲最大的叶片，C叶片为未扭曲的叶片，B叶片居于A叶片和C叶片之间。,图5-21 3种不同扭角的叶片,P131-41,比较3种叶片的性能可知：扭角小的叶片风轮功率小，未扭曲的叶片效率降低更多。对于大型风力机而言，既要减小扭角简化结构来降低制造成本，又要增大扭角保证风轮一定的效率。为此，需综合两者利弊而采用一定的折衷方案。,图5-22 扭角对风轮叶片性能的影响,P131-42,四、风力机叶片翼型,反映翼型特征最重要的参数为升阻比(L/D)，即,升阻比对风轮风能利用系数的影响规律,图5-24 叶片升阻比对风轮性能的影响,当升阻比减少，风能利用系数也减小，最佳风能利用系数点向低叶尖速比转移。当升阻比和叶尖速比较高时，L/D=100，叶片数对风能利用系数有轻微影响；当升阻比和叶尖速比比较低时，L/D=10，叶片数对风能利用系数影响力较大。低速风轮叶片较多，其翼型特征对风能利用系数影响较小；高速风轮叶片较少，则其翼型特性对风轮风能利用系数有决定性作用。,P131-44,机翼的空气动力学特性可通过在风洞进行模型试验来测试和验证。升力系数和阻力系数作为攻角的函数进行测量，以最大升力系数为限制条件，攻角的上限为在翼型上表面发生气流分离时对应的临界攻角。有两种绘图形式。第一种显示了与攻角对应CL、CD和CM的变化规律，另一种为处理后的极曲线。,图5-23 风轮升力和阻力系数特性曲线,P131-45,第二种图显示了升阻比与空气动力学系数之间的直接联系，攻角作为曲线的一个参数。极曲线的优点是最佳升阻比可以直接观察得出，其值为矢量径与曲线相切的夹角。,图5-25 叶片的特性极曲线,P131-46,除了几何形状外，流动参数也影响着机翼的性能，其中最重要的参数之一为雷诺数。雷诺数通常作为从风洞测量模型到实物流动特征过渡的相似性参数。雷诺数定义为,式中：v为流动速度，m/s；l弦长，m；为空气运动黏度，m2/s，=1.5l0-5m2/s。在叶尖，风轮叶片雷诺数为1l061107，这取决于风力机的尺寸。,P131-47,图示不同雷诺数的翼型特性曲线。NACA44系列和LS-1系列为层流机翼。层流机翼在沿弦长方向，流动边界层可以保留更长的时间。这些机翼在一定的攻角范围内阻力非常小，故层流机翼现在用得很多。,图5-26 NACA 4415翼型的形状和特性曲线,P131-48,图5-27 LS-1翼型的形状和特性曲线,P131-49,图示了几种不同翼型对风轮风能利用系数的影响。由图可知，只要机翼的空气动力学特性较高，且表面光滑，那么机翼的种类对风轮风能利用系数影响就较小。选择一个高性能的机翼不会增加成本，但会直接增加能量出力，最终会增加风力机的经济效益。,图5-28 不同类型翼型对风轮风能利用系数的影响,P131-50,失速控制对表面粗糙度特别敏感。当表面粗糙度增加后，机翼的最大升阻比系数发生改变，气流分离点向更小的攻角移动，以至于气动失速现象在低速时提前产生，从而风轮性能下降。此外，光滑叶片的性能明显高于受污染叶片的性能。,图5-30 不同叶片在光滑和受污染后性能曲线的变化,P131-51,五、叶片厚度,最理想的选择为牺牲结构重量来补偿能量输出。基于此原因，设计者严格给出厚度与弦长的比值（相对厚度）对风轮风能利用系数的影响关系。从图中可见，叶片越薄，风轮的风能利用系数越高，这缘于叶片的叶片越薄，其阻力就越低。,图5-31 叶片厚度对风轮功率输出的影响,空气动力学家努力设计出最薄的叶片，以利用其高性能。相反，叶片结构设计要求有足够的厚度来承担载荷。,高气动性能与高强度之间存在矛盾。,P131-52,六、风轮叶尖速比,叶尖速比是整个风力机的参数，其影响远不止风轮的气动特性。叶尖速比对现代风轮的影响：首先，努力提高风轮的转速。经过数十年的发展，齿轮箱技术已经成熟，齿轮箱成本在整个系统所占的比例逐渐减小，越来越多的风力机采用变速齿轮箱。这样，高叶尖速比风轮设计的必要性大大减小。但是，高叶尖速比意味着风轮的转速较高，在低力矩时产生理想输出，齿轮箱的重量大大减轻。,P131-53,其次，随着叶尖速比设计值的增加，风轮密实度迅速降低。风轮密实度降低意味着所需要的材料减少，成本降低。但实际经验显示，高叶尖速比风轮需采用价格昂贵的高强度材料来满足叶片强度和受力要求。例如，德国WEC-520风力机，其叶尖速比达16，叶片完全采用碳纤维这种新型合成材料制作而成。,所以，当设计高叶尖速比风轮时，在密实度不变的条件下，可以减少风轮的叶片数，增大单个叶片的结构尺寸而满足叶片的强度要求。例如，单叶片风轮既可实现高叶尖速比设计，同时又可保证叶片合理的细长比和厚度。,图5-32 密实度和设计叶尖速比的关系,P131-54,第三，叶尖速比对风轮风能利用系数的影响程度。图示了叶尖速比对风轮风能利用系数的影响规律。对于叶尖速比为515的高转速风轮，最大风能利用系数差别甚微。因此，从能量输出的角度而言，没有必要追求高叶尖速比。,图5-33 叶片叶尖速比对风能利用系数的影响,P131-55,第四，当选择叶尖速比时必须考虑风轮的噪声输出。叶尖速比越高，气动噪声越大。目前，这也成为是否选择高转速风轮的一个重要决定性因素。采用高的叶尖速比风轮不再被证明是合理的。目前，两叶片风轮的设计叶尖速比一般为910；三叶片风轮的叶尖速比一般为68。,P131-56,5-4 现代风轮叶片设计,现代风轮叶片在最佳空气动力学形状、强度要求、经济性之间，存在不同的妥协。叶片材料在设计中非常关键，比如采用玻璃纤维加强塑性，比传统试验风力机完全采用金属制造，更加容易接近最佳空气动力学叶片形状。风轮叶片的展弦比比机翼的高很多，比较纤细的叶片在空气动力学性能上比较理想，但不能满足强度和刚度的要求。叶片厚度与弦长比（相对厚度）的选择必须考虑叶片的强度和刚度的因素。风轮叶片靠近叶尖的区域，相对厚度为15%12%。而靠近轮毂的叶片，离轮毂越近，叶片越厚。,P131-57,叶片平面图的锥度变化非常大。锥度尖角越小，靠近叶尖部的叶片越宽，因而可以在部分负荷范围内提高风轮利用系数，增加起动力矩。采用气动性能比较优越的叶尖形状，可用来降低噪声。但实际上，非常规叶尖形状还没有取得任何令人满意的性能效果。,P131-58,在3叶片风轮中，叶片不管是采用变桨控制还是失速控制，均具有大的展弦比。在绝大多数的条件下，叶尖速比选择接近于7的范围，因而接近最佳气动性能值。,图5-34 现有3叶片风轮的叶片结构,P131-59,大型两叶片试验风轮呈现出相对较宽的叶片几何形状。叶尖速比为810，锥度变化较大。变桨控制的方法在风力机之间有所不同。例如，MOD-2风轮采用部分叶片的变桨控制；MOD-5-A则采用副翼控制。,图5-35 2叶片风轮的叶片结构,P131-60,5-5 转速功率空气动力学控制,当风速较高时，风轮承受的风载荷将超过风轮结构设计强度。随着风力机尺寸的加大，结构安全富裕度变得越来越窄。此外，风轮的功率输出也受到发电机最大允许功率的限制。图示不同定桨角和定转速条件下功率输出变化曲线。实际的风力机在运行中达到额定功率后，随着风速的增加，需保持恒定功率运行，在风速达到25m/s时，风力机切出停止运行。,图5-37 风轮不同桨距角所对应的功率输出,P131-61,除了限制风轮的功率输出以外，还要维持风轮转速恒定运行，或者在预先设定的范围内运行。因此，风力机转子必须通过气动性能进行控制，来调节其功率和转速。通过减少风轮投影面积或改变风轮叶片上的有效气流速度，来改变空气动力攻角，可有效降低驱动空气动力。减小风轮有效气动投影面积，比如将风轮转出风域，仅用于小型风力机。由于不能改变风速，因此叶片上的有效气流速度仅随着转速改变而改变，转速成为了控制功率输出的参数。但是，通过控制转速来调整的风力机功率输出范围非常有限，此方法只能作为辅助措施。下面讨论大型风力机的功率调节和转速功率负荷调节的方法。,P131-62,一、变桨控制,叶片攻角是影响风轮功率输出的最主要因素。通过机械调整叶片桨角来调整风力机获得的空气动力转矩，从而得到设计期望的稳定的输出功率。同时，风力机在起动过程中也需要通过变桨距来获得足够的起动转矩。为达到此效果，叶片在控制驱动下沿叶片轴旋转。变桨距调节时叶片攻角可依据气流状况连续地作出调整。,图5-38 变桨距风力机叶片的气动特性,P131-63,如图(a)所示：风轮静止时的叶片位置被称为顺桨，此时叶尖安装角约为90，叶片升力极小，风轮不旋转或转得较慢；如图(b)所示：当风速达到起动风速时，叶片安装角向减小的方向转动，直到气流对叶片产生一定的攻角和升力，使风轮起动。,图5-38 变桨距风力机叶片的气动特性,在风力机功率小于其额定值的正常运行状态，控制系统将叶片叶尖安装角置于0附近，如图(c)所示，不再变化，这一段工况下的风力机等同于定桨距风力机，其输出功率随风速变化而有所变化。风力机70%80%的时间运行在这一段工况内，由于此时桨距并非都处于最佳状态，这将导致风能利用率的较大损失。当功率超过额定值时，变桨距机构开始工作，连续调整叶片安装角，使叶片向攻角减小的方向变化，将风力机的输出功率限制在额定值附近。在执行变桨距动作时，变桨距机构应保证在所有确定的运行工况点转速下，各叶片的转动保持一致。,P131-65,为了解决低风速下风轮能量利用率低的问题，新型的变桨距风力机发电机组在低风速时根据风速大小调整发电机转差率，即改变风轮转速，使其尽量运行在设计最佳叶尖速比上，以获取风轮具备的最大风能利用系数值。随着现代风力机容量的增大，调控大型机组的质量高达数吨的叶片转动并使其响应速度能跟上风速的变化是相当困难的。若无其他相应措施，变桨距风力机的功率调节对高频风速变化的适时响应也就无法实现。因此，近年来设计的变桨距风力机发电机组，除了对叶片进行安装角控制以外，还通过控制发电机转子电流来调控发电机转差率，使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收阵风时的瞬变风能，使风能的输出功率更加平稳。,P131-66,变桨距风力机具有以下特点：1)变桨距风力机与定桨距风力机相比，在额定功率点以上输出功率更加平稳。,图5-39 变桨距风力机的功率特性曲线,图5-40 定桨距风力机的功率特性曲线,P131-67,2)设计工况附近具有较高的风能利用系数。一般定桨距风力机在低风速段的风能利用系数较高，而风速略超过额定值后，风能利用系数开始大幅下降。对于变桨距风力机，由于叶片安装角可调，使得额定风速之后仍然具有较高的风能利用系数。,图5-40 定桨距风力机的功率特性曲线,P131-68,3)由于变桨距风力机发电机组的叶片安装角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，通过调整叶片角度，总能使它获得额定功率输出。因而变桨距风力机在高风速段的额定功率不受因大气温度和海拔高度变化引起的空气密度变化的影响。4)起动、脱载性能好。低风速起动时，叶片安装角可转动到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩；当风力机需要甩负载时，如发电机脱网，变桨距风力机可先转动叶片使风轮输出功率连续减小至0，避免脱离负载时的载荷突变，也不需要设置叶尖扰流器气动刹车。5)与定桨距风力机相比，变桨距风力机的叶片、机舱、塔架受到的动态载荷较小。6)变桨距风力机轮毂结构复杂，制造、维护成本高。,P131-69,尽管整个叶片的桨叶控制是最有效的气动控制方法，但不必对整个叶片都进行调节。功率主要由风轮外围的叶片产生，因此从气动效率的角度来看，采用部分叶片调节控制方法即可，其中可调节的叶片占总叶片长度的25%30%。这种方法主要用于两叶片的大型风力机。美国的MOD-2型风力机如图示，该风力机安装了液压变桨控制系统，变桨的叶片长度为总长的25%。这种设计理念允许将两叶片风轮做成一体，不会因轮毂的存在而分成几块，从制造角度来讲是一个非常好的方法。,图5-41 部分叶片可变桨的美国MOD-2风力机,P131-70,部分叶片变桨距控制存在一些缺陷：在外围叶片建立可靠的控制机械系统存在困难，另外气动缺陷也不容忽视。在外部叶片，可调节的风轮叶片面积的气动载荷增加。在极高的风速下，停运的风轮负荷极高，很难将整个叶片调至顺桨的位置。而且部分叶片变桨控制需要更大的桨角范围来获得与全翼展调节控制同样的效率。当气流条件不理想时，叶片有出现失速的危险，特别是在外部的叶片，因为其具有较大的桨角。另外，部分叶片变桨控制的风轮起动力矩较小，加速相对缓慢。,P131-71,二、定桨角被动失速控制,失速控制原理,图示为叶片的流场图，在风轮旋转速度保持不变的条件下，随着风速的增加，即使不调节桨角，也会有气流分离的现象产生，这就是失速现象。利用这样的原理来进行功率调节，为被动的自调节系统。小型风力机没有变桨调节系统，所以自调节系统对其功率输出的控制是十分重要的。,图5-42 定桨距叶片发生失速流场示意图,P131-72,定桨距风力机叶片失速调节过程：在正常运行情况下，气流紧贴叶片表面流动，风轮的动力源于空气流在翼型面上流过时产生的升力，如图(b)所示。风轮转速保持恒定时，风速增加，叶片翼型上气流攻角随之增加，在达到翼型的升力系数最大值之后，其对应的风速为额定设计风速，气流开始发生分离，如图(c)所示，此时升力系数迅速减小，而阻力系数迅速增加，直到最后气流无法在叶片翼型的上表面紧贴流过而产生脱落，即发生失速。失速的发生限制了风轮功率的增加。,图5-43定桨距风力机叶片的气动特性(a)风轮静止撕裂气流(b)正常运行紧贴气流(c)风速大于额定值分离气流（失速）,定桨距风轮由于叶片桨距角不变，在起动时转速为零，空气流与风轮之间无相对速度，因此空气流正吹风轮，产生严重的气流被撕裂的现象，如图(a)所示，阻力较高而起动困难。因而，独立运行的定桨距风轮需借助其他设备来帮助起动；用于并网发电的风轮，起动时以发电机作为电动机运行，只需从电网获取少许电能，就能使机组很快加速到同步转速，由电动状态转为发电状态。,P131-74,由于风轮气动设计时，将叶素攻角由根部向叶尖逐渐减小，当风速增加时，叶片根部叶素首先进入失速。其后，失速部分进一步向叶尖方向的叶素扩展，而早先已失速的部分，失速程度加深。由于失速的叶素使功率减小，而未失速部分因攻角的适宜加大仍有功率增加，从而使风力机功率保持在额定值附近。注意：静态失速（攻角缓慢并稳定地变化）时的攻角和动态失速时的攻角值是不同的。阵风条件下，从发生失速到风速降低气流又恢复正常流动之间，存在滞后现象。叶片已失速后，阵风不会对风轮造成功率波动，这是因为失速使叶片升力的变化很小。这与变桨距风轮形成鲜明对比，变桨距风轮只有当其变桨距速度很快时才能达到瞬间功率变化很小的目的。,P131-75,失速风力机的运行和测试结果如图示，叶尖安装角对风轮的最大功率、失速开始时的风速和失速特性具有重要影响。由图可知，叶尖安装角稍有变化，则风轮的输出功率产生较大的差异。,其中叶尖安装角为2.5时，风力机输出功率最大，且具有较好的功率调节特性。因此，定桨距失速调节风力机的安装角非常重要，准确度必须较高才能避免不必要的空气动力损失。,图5-44 失速调节风力机叶尖安装角变化的功率特性,P131-76,定桨距失速调节风力机有可能在大风风速超过某一值后，出现功率超过其额定值并进一步上升的现象。为此，失速风力机必须设计配置刹车设备，确保某一风速下及时制动，避免风轮飞车。此外，由于风轮巨大的转动惯量，高风速下甩开负载并停车，如风力发电机脱网停机，也必须先执行叶尖扰流空气动力刹车动作。,图5-44 失速调节风力机叶尖安装角变化的功率特性,P131-77,当风速增加，叶片发生失速后，定桨距风轮的轴向推力T增大，因而其机舱、塔架所受载荷要比变桨距的高。采用被动失速控制需要小心地设计叶片结构和风轮旋转速度。为了保证在某风速下，叶片气流产生分离从而有效控制风轮功率增加，风轮必须在气动最佳转速下运行。,图5-43定桨距风力机叶片的气动特性(a)风轮静止撕裂气流(b)正常运行紧贴气流(c)风速大干额定值分离气流（失速）,P131-78,通常，当风速高于15 m/s时，此类风力机功率输出减少，如图示。理论上讲，在更高的风速下，风力机功率输出会再升高，但风力机已不能在此风速下运行。风力机刹车停运，在低风速下不产生任何功率。,图5-45 定桨距风轮的功率特性曲线,P131-79,设计必须满足以下条件：1)为了能承受高气动载荷，风轮和整个风力机的强度和承受力必须高。在这种环境下，轻质量设计将面临许多问题。2)安装的发电机功率必须高，以至于在强风条件下，发电机依然与电网频率保持同步。3)当风轮桨角处于非理想位置时，风轮仍具有良好的起动力矩。通常，这仅仅适用于3个和3个以上叶片的风轮。2叶片定桨风轮必须采用电机起动。4)无变桨控制的风力机的运行主要受平行运动的电网的固定频率的限制。对于孤网运行的风力机需要额外的技术设备。5)即使发电机力矩消失，也能保证风轮不是空转。为了保证安全，这需要风轮叶片空气动力学的有效刹车，包括机械刹车。,P131-80,空气动力刹车,对于定桨角风轮，空气动力刹车常用于失速机超速保护，此时机械刹车不能或不足以刹车，是机械刹车的补充。与机械刹车不同，叶片采用空气动力刹车不是使叶片完全静止，而是使转速限定在允许的范围内。在飞机中有许多扰流器设计，但在风力机中主要采用可调节的风轮叶尖，如图5-47所示。可收缩隐藏在叶片结构内的扰流器现在已经不再使用，其效果较差，且结构相当复杂，如图5-48所示。,图5-47叶尖可调的空气动力刹车,图5-48隐藏在叶片中的阻尼板,P131-81,三、主动失速控制,定桨角控制技术的不足：可调风轮叶尖是气动刹车必不可少的特征，但是随着风力机的增大，其结构变得越来越复杂。在高风速下，风力机停滞状态下承受的载荷远远大于采用变桨运行的风力机，从而在大型风力机塔架和基建方面的经济性存在劣势。当风力机尺寸增大时，失速特征也变得越来越复杂，很难从空气动力学来准确地计算和可靠地预测。,对于兆瓦级风力机，电网也越来越不能承受风力机极大幅度的功率输出波动。对于不同纬度和不同季节，为了避免能量的损失，在不同空气密度运行的风力机选用不同的定桨角，风轮速度也必须进行适应。对于采用失速控制的风力机，因运行而叶片污染也会给其功率曲线造成不可忽视的负面影响，但对于变桨控制则影响很小。,提出一种结构更复杂的控制方法，即“主动失速”。,P131-83,图5-49 主动失速控制的叶片桨距变化示意图,考虑到空气密度的变化，以及叶片表面的污染程度，风轮整个叶片都进行变桨角调节，在每一个风速下都将对应一个桨角。在非常大的风速下，风轮叶片将处于停滞状态，将叶片的尾端朝向风向，从而减小风载荷。,主动失速控制系统的结构复杂性与变桨距控制的相差不多。叶片通过连接在轮毂上的轴承纵向旋转，且原则上与变桨角控制具有同样类型的驱动装置。,P131-84,理论上，有两种方法改变叶轮叶片攻角来控制风轮功率，如图示，传统变桨距是减小攻角来减小风轮功率输出，相反，增加攻角则增加风轮功率输出。另一可行的方法是将攻角调整到更大的临界攻角，在该角度下气流在叶片表面产生分离，因而也限制了风轮的功率输出。这就是所谓的失速现象。此方法的优点是叶片桨角调整范围较小。,图550 风轮变桨控制后的叶片流场变化,P131-85,1980年Danish通过Nibe风力机试验对上述两种方法进行了证实。Nibe