风力发电原理讲解

能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 风 力 发 电 原 理 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 风 力 机 的 类 型 风 电 机 组 主 要 参 数 及 设 计 级 别 水 平 轴 风 力 机 构 造 第 三 章 风 力 机 分 类 和 构 成 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 3-1 风 力 机 的 类 型 按 容 量 划 分 小 型 风 力 机 ： 容 量 小 于 60kW 中 型 风 力 机 ： 容 量 为 70 600kW 大 型 风 力 机 ： 容 量 为 600 1000kW（ 1MW） 巨 型 风 力 机 ： 容 量 大 于 1000kW。 单 机 容 量 越 大 ， 桨 叶 越 长 。 2MW风 力 机 叶 片 的 直径 已 经 达 到 72m， 最 长 的 叶 片 已 经 做 到 50m， 且 随 着 机组 容 量 的 增 加 会 更 长 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 按 照 风 轮 结 构 及 其 在 气 流 中 的 位 置 ： 水 平 轴 风 力 机 :叶 片 围 绕 一 个 水 平 轴 旋 转 ， 旋 转 平 按 风 轮 结 构 划 分 面 与 风 向 垂 直 。 垂 直 轴 风 力 机 : 风 轮 围 绕 一 个 垂 直 轴 进 行 旋 转 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院按 功 率 调 节 方 式 划 分 定 桨 距 风 力 机变 桨 距 风 力 机主 动 失 速 型 风 力 机 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 定 桨 距 风 力 机 :叶 片 固 定 在 轮 毂 上 ， 桨 距 角 不 变 ， 风 力机 的 功 率 调 节 完 全 依 靠 叶 片 的 失 速 性 能 。 当 风 速 超 过额 定 风 速 时 ， 在 叶 片 后 端 将 形 成 边 界 层 分 离 (湍 流 状 态)， 使 升 力 系 数 下 降 ， 阻 力 系 数 增 加 ， 从 而 限 制 了 机 组功 率 的 进 一 步 增 加 。 优 点 :结 构 简 单 。 缺 点 :不 能 保 证 超 过 额 定 风 速 区 段 的 输 出 功 率 恒 定 ， 并且 由 于 阻 力 增 大 ,导 致 叶 片 和 塔 架 等 部 件 承 受 的 载 荷 相应 增 大 。 此 外 ， 由 于 桨 距 角 不 能 调 整 ， 没 有 气 动 制 动功 能 ， 因 此 定 桨 距 叶 片 在 叶 尖 部 位 需 要 设 计 专 门 的 制动 机 构 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 变 桨 距 风 力 机 ： 叶 片 和 轮 毂 不 是 固 定 连 接 ， 叶 片 桨 距 角 可 调。 在 超 过 额 定 风 速 范 围 时 ， 通 过 增 大 叶 片 桨 距 角 ， 使 攻 角 减小 ， 以 改 变 叶 片 升 力 与 阻 力 的 比 例 ， 达 到 限 制 风 轮 功 率 的 目的 ， 使 机 组 能 够 在 额 定 功 率 附 近 输 出 电 能 。 优 点 ： 高 于 额 定 风 速 区 域 可 以 获 得 稳 定 的 功 率 输 出 。 缺 点 ： 需 要 变 桨 距 调 节 机 构 ， 设 备 结 构 复 杂 ， 可 靠 性 降 低 。 目 前 的 大 型 兆 瓦 级 风 电 机 组 普 遍 采 用 变 桨 距 控 制 技 术 。 主 动 失 速 型 风 力 机 ： 工 作 原 理 相 当 于 以 上 两 种 形 式 的 组 合 。利 用 叶 片 的 失 速 特 性 实 现 功 率 调 节 ， 叶 片 与 轮 毂 不 是 固 定 连接 ， 叶 片 可 以 相 对 轮 毂 转 动 ， 实 现 桨 距 角 调 节 。 当 机 组 达 到额 定 功 率 后 ， 使 叶 片 向 桨 距 角 向 减 小 的 方 向 转 过 一 个 角 度 ，增 大 来 风 攻 角 ， 使 叶 片 主 动 进 入 失 速 状 态 ， 从 而 限 制 功 率 。 优 点 ： 改 善 了 被 动 失 速 机 组 功 率 调 节 的 不 稳 定 性 。 缺 点 ： 增 加 了 桨 距 调 节 机 构 ， 使 设 备 变 得 复 杂 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 高 传 动 比 齿 轮 箱 型 ： 优 点 ： 由 于 极 对 数 小 ， 结 构 简 单 ， 体 积 小 ； 缺 点 ： 传 动 系 统 结 构 复 杂 ， 齿 轮 箱 设 计 、 运 行 维 护 复杂 ， 容 易 出 故 障 。 直 接 驱 动 型 ： 采 用 多 级 同 步 风 力 发 电 机 ， 让 风 轮 直 接带 动 发 电 机 低 速 旋 转 。 优 点 ： 没 有 了 齿 轮 箱 所 带 来 的 噪 声 、 故 障 率 高 和 维 护成 本 大 等 ， 提 高 了 运 行 可 靠 性 。 缺 点 ： 发 电 机 极 对 数 高 ， 体 积 比 较 大 ， 结 构 复 杂 。 半 直 驱 型 ： 上 述 两 种 类 型 的 综 合 。 中 传 动 比 型 风 力 机减 少 了 传 统 齿 轮 箱 的 传 动 比 ， 同 时 也 相 应 减 少 了 多 极同 步 风 力 发 电 机 的 极 数 ， 从 而 减 少 了 发 电 机 的 体 积 。按 传 动 形 式 划 分 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 通 过 传 动 系 统 连 接 风 轮 和 发 电 机 ， 使 发 电 机 转 子 达到 所 需 要 的 转 速 。 并 网 风 电 机 组 所 用 交 流 发 电 机 的 同 步转 速 为 为 发 电 机 磁 极 对 数 ； 为 电 网 频 率 ， 50Hz。 风 轮 转 速 较 低 ， 约 1020r/min， 而 发 电 机 要 输 出50Hz的 交 流 电 功 率 ， 当 发 电 机 的 磁 极 对 数 不 同 时 ， 要 求转 子 的 转 速 也 不 同 。 如 当 磁 极 对 数 为 2时 ， 要 求 发 电 机 其转 子 转 速 在 1500r/min左 右 ， 这 时 需 要 在 风 轮 与 发 电 机 组之 间 用 齿 轮 箱 进 行 增 速 。 如 果 发 电 机 组 的 极 对 数 足 够 大， 使 得 发 电 机 转 速 与 风 轮 转 速 接 近 ， 就 不 需 要 增 速 齿 轮箱 。 60 ( / min)fn rpp f 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 恒 速 型 风 力 机 ： 发 电 机 转 速 恒 定 不 变 ， 不 随 风速 的 变 化 而 变 化 。 变 速 型 风 力 机 ： 发 电 机 工 作 转 速 随 风 速 时 刻 变化 而 变 化 。 主 流 大 型 风 力 发 电 机 组 基 本 都 采 用变 速 恒 频 运 行 方 式 。 多 态 定 速 风 力 机 ： 发 电 机 组 中 包 含 两 台 或 多 台发 电 机 ， 根 据 风 速 的 变 化 ， 可 以 有 不 同 大 小 和数 量 的 发 电 机 投 入 运 行 。 按 发 电 机 转 速 变 化 划 分 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 陆 地 风 电 机 组海 上 风 电 机 组 a) 陆上风机 b) 海上风机 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 沿 海 风 场 风 况 和 环 境 条 件 与 陆 地 风 场 存 在 差 别 ， 海 上 风 电机 具 有 一 些 特 殊 性 ： 1)适 合 选 用 大 容 量 风 电 机 组 。 海 上 风 速 通 常 比 沿 岸 陆 地 高， 风 速 比 较 稳 定 ， 不 受 地 形 影 响 ， 风 湍 流 强 度 和 风 切 变 都 比 较小 ， 并 且 具 有 稳 定 的 主 导 风 向 。 在 相 同 容 量 下 ， 海 上 风 电 机 组的 塔 架 高 度 比 陆 地 机 组 低 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 2)风 电 机 组 安 全 可 靠 性 要 求 更 高 。 海 上 风 电 场 遭 遇 极 端气 象 条 件 的 可 能 性 大 ， 强 阵 风 、 台 风 和 巨 浪 等 极 端 恶 劣 天气 条 件 都 会 对 机 组 造 成 严 重 破 坏 。 海 上 风 电 场 与 海 浪 、 潮汐 具 有 较 强 的 耦 合 作 用 ， 使 得 风 电 机 组 运 行 在 海 浪 干 扰 下的 随 机 风 场 中 ， 载 荷 条 件 比 较 复 杂 。 海 上 风 电 机 组 长 期 处在 含 盐 湿 热 雾 腐 蚀 环 境 中 ， 加 之 海 上 风 电 机 组 安 装 、 运 行、 操 作 和 维 护 等 方 面 都 比 陆 地 风 场 困 难 。 因 此 ， 海 上 风 电机 组 结 构 ， 尤 其 是 叶 片 材 料 的 耐 久 性 问 题 极 为 重 要 。 3)基 础 形 式 与 陆 地 风 电 机 组 有 巨 大 差 别 。 由 于 不 同 海 域的 水 下 情 况 复 杂 、 基 础 建 造 需 要 综 合 考 虑 海 床 地 质 结 构 、离 岸 距 离 、 风 浪 等 级 、 海 流 情 况 等 多 方 面 影 响 ， 因 此 海 上风 电 机 组 复 杂 ， 用 于 基 础 的 建 设 费 用 也 占 较 大 比 例 。 海 上 风 电 在 风 资 源 评 估 、 机 组 安 装 、 运 行 维 护 、 设 备监 控 、 电 力 输 送 等 许 多 方 面 都 与 陆 地 风 电 存 在 差 异 ， 技 术难 度 大 、 建 设 成 本 高 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 我 国 海 上 风 机 发 展 趋 势 滩 涂 风 电 场 目 前 ， 我 国 已 建 或 在 建 的 滩 涂 风 电 场 主 要 集 中 在 潮 上 带 及 围 垦 区 。 潮间 带 由 于 淤 泥 地 质 ， 风 电 设 备 运 输 安 装 都 是 难 题 。 但 是 相 比 于 近 海 风 电 ，业 内 专 家 认 为 潮 间 带 风 电 场 还 具 有 一 定 成 本 优 势 。 国 内 首 个 海 上 潮 间 带 风力 发 电 项 目龙 源 江 苏 如 东 海 上 潮 间 带 试 验 风 场 于 09年 10月 并 网 发 电 成功 ， 首 批 两 台 1.5兆 瓦 风 力 发 电 机 组 正 式 并 网 运 行 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 水 平 轴 风 力 机 的 叶 片 围 绕 一 个 水 平 轴 旋 转 ， 旋 转 平 面 与风 向 垂 直 。 叶 片 径 向 安 置 于 风 轮 上 ， 与 旋 转 轴 垂 直 或 近 似垂 直 。 风 轮 叶 片 数 目 视 风 力 机 用 途 而 定 ， 用 于 风 力 发 电 的风 力 机 的 叶 片 数 一 般 取 1 3片 ， 用 于 风 力 提 水 的 风 力 机 叶片 数 一 般 取 12 24片 。 一 、 水 平 轴 风 力 发 电 机 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 按 风 轮 转 速 的 快 慢 划 分 ， 可 分 为 高 速 风 力 机 和 低 速 风 力机 。 高 速 风 力 机 叶 片 数 较 少 ， 1 3片 应 用 得 较 多 ， 其 最 佳 转速 对 应 的 风 轮 叶 尖 线 速 度 为 5 15倍 风 速 。 在 高 速 运 行 时 ，高 速 风 力 机 有 较 高 的 风 能 利 用 系 数 。 由 于 叶 片 数 较 少 ， 在输 出 功 率 相 同 的 条 件 下 ， 比 低 速 风 轮 要 轻 得 多 ， 因 此 适 用于 发 电 。 叶 片 数 较 多 的 风 力 机 的 最 佳 转 速 较 低 ， 为 高 速 风 力 机 的一 半 甚 至 更 低 ， 风 能 利 用 率 也 较 高 速 风 轮 的 低 ， 通 常 称 为低 速 风 力 机 。 起 动 力 矩 大 ， 起 动 风 速 低 。 低 速 运 行 产 生 较高 的 转 矩 ， 因 而 适 用 于 提 水 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 按 照 风 轮 与 塔 架 相 对 位 置 的 不 同 划 分 逆 风 式 风 力 机顺 风 式 风 力 机水平轴风力机 风 轮 在 塔 架 的 下 风 位 置 旋 转 的 风 力 机 。 能 够 自 动 对 准 风 向， 不 需 要 调 向 装 置 。 缺 点 ： 空 气 流 先 通 过 塔 架 然 后 再 流 向风 轮 ， 会 造 成 塔 影 效 应 ， 风 力 机 性 能 降 低 。 以 空 气 流 向 作 为 参 考 ， 风 轮 在 塔 架 前 迎 风 旋 转 的 风 力 机 为逆 风 式 风 力 机 。 需 要 调 风 装 置 ， 使 风 轮 迎 风 面 正 对 风 向 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 定 义 ： 垂 直 轴 风 力 机 的 风 轮 围 绕 一 个 垂 直 轴 进 行 旋 转 。 特 点 ：无 需 调 风 向 装 置 ， 可 接 受 来 自 任 何 方 向 的 风 ，风 向 改 变 时 无 需 对 风 。齿 轮 箱 和 发 电 机 均 可 安 装 在 地面 上 或 风 轮 下 ， 运 行 维 修 简 便 ， 费 用 较 低 。叶 片 结 构简 单 ， 制 造 方 便 ， 设 计 费 用 较 低 。 二 、 垂 直 轴 风 力 发 电 机 分 类 ： 阻 力 型 风 力 机 ： 利 用 空 气 对 叶 片 的 阻 力 做 功 。 升 力 型 风 力 机 ： 利 用 翼 型 升 力 做 功 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 S形 风 力 机 由 两 个 轴 线 错 开 的 半 圆 柱 形 叶 片 组 成 ， 其 优 点 可在 较 低 风 速 下 运 行 ， 但 S形 风 轮 由 于 风 轮 周 围 气 流 不 对 称 ， 从 而产 生 侧 向 推 力 。 受 侧 向 推 力 与 安 全 极 限 应 力 的 限 制 ， S形 风 力 机 大 型 化 比 较困 难 。 风 能 利 用 系 数 也 远 低 于 高 速 垂 直 轴 或 水 平 轴 风 力 机 ， 仅为 0.15左 右 。 在 风 轮 尺 寸 、 重 量 和 成 本 相 同 的 条 件 下 ， 其 功 率输 出 较 低 ， 因 而 用 于 发 电 的 经 济 性 较 差 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 升 力 型 :达 里 厄 型 风 力 机 是 水 平 轴 风 力 机 的 主 要 竞 争 者 。 形 式 :有 形 、 H形 、 形 、 Y形 和 菱 形 等 。 根 据 叶 片 结构 形 状 ， 可 简 单 地 归 纳 为 直 叶 片 和 弯 叶 片 两 种 。 H形 风 轮 和 形 风 轮 应 用 最 为广 泛 。 叶 片 具 有 翼 型 剖 面 ， 空 气 绕叶 片 流 动 而 产 生 的 合 力 形 成 转 矩 ，因 此 叶 片 几 乎 在 旋 转 一 周 内 的 任 何角 度 都 有 升 力 产 生 。 达 里 厄 风 力 机最 佳 转 速 较 水 平 轴 的 慢 ， 但 比 S形风 轮 快 很 多 ， 其 风 能 利 用 系 数 与 水平 轴 风 力 机 相 当 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 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 。 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 ， 形 叶 片 比 较 轻 ， 且 比 直 叶片 可 以 更 高 的 速 度 运 行 。 但 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 ， 形 转 子 比 H形 转 子 的 扫 掠 面 积 要 小 一 些 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 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 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 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 式 中 ， S为 风 轮 的 扫 掠 面 积 ， 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 轮 直 径 与 扫 掠 面 积一 . 主 要 参 数 312 PP SC 24DS 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 风 轮 高 度 是 指 风 轮 轮 毂 中 心 离 地 面 的 高 度 ， 是 风电 机 组 设 计 时 要 考 虑 的 一 个 重 要 参 数 。 由 于 风 剪 切 特 性 ， 离 地 面 越 高 ， 风 速 越 大 ， 具 有的 风 能 也 越 大 ， 因 此 大 型 风 电 机 组 的 发 展 趋 势 是 轮 毂高 度 越 来 越 高 。 但 是 轮 毂 高 度 增 加 ， 所 需 要 的 塔 架 高度 也 相 应 增 加 ， 当 塔 架 高 度 达 到 一 定 水 平 时 ， 设 计 、制 造 、 运 输 和 安 装 等 方 面 都 将 产 生 新 的 问 题 ， 也 导 致风 电 机 组 成 本 相 应 增 加 。 轮 毂 高 度 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 组 成 风 轮 的 叶 片 个 数 ， 用 B表 示 。 选 择 风 轮 叶 片 数 时 要 考 虑 风 电 机 组 的 性 能 和 载 荷 、 风 轮和 传 动 系 统 的 成 本 、 风 力 机 气 动 噪 声 及 景 观 效 果 等 因 素 。叶 片 数 采 用 不 同 的 叶 片 数 ， 对 风 电 机 组 的 气 动 性 能 和 结 构 设 计 都 将产 生 不 同 的 影 响 。 风 轮 的 风 能 转 换 效 率 取 决 于 风 轮 的 功 率 系 数 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 多 叶 片 风 车 的 最 佳叶 尖 速 比 较 低 ， 风 轮转 速 可 以 很 慢 ， 因 此也 称 为 慢 速 风 轮 。 当然 多 叶 片 风 轮 由 于 功率 系 数 很 低 ， 因 而 很少 用 于 现 代 风 电 机 组。 现 代 水 平 轴 风 电 机 组 风 轮 的 功 率 系 数 比 垂 直 轴 风 轮 高 ， 其 中三 叶 片 风 轮 的 功 率 系 数 最 高 ， 其 最 大 功 率 系 数 约 为 0.47， 对 应 叶 尖速 比 约 为 7； 双 叶 片 和 单 叶 片 风 轮 的 风 能 转 换 效 率 略 低 ， 其 最 大 功率 系 数 对 应 的 叶 尖 速 比 也 高 于 三 叶 片 风 轮 ， 即 在 相 同 风 速 条 件 下， 叶 片 数 越 少 ， 风 轮 最 佳 转 速 越 高 ， 因 此 有 时 也 将 单 叶 片 和 双 叶片 风 轮 称 为 高 速 风 轮 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 风 轮 的 作 用 是 将 风 能 转 换 成 推 动 风 轮 旋 转 的 机 械 转 矩 。衡 量 风 轮 转 矩 性 能 重 要 参 数 ： 转 矩 系 数 ： 功 率 系 数 除 以 叶 尖 速 比 。 转 矩 系 数 决 定 了 传 动 系 统 中 主 轴 及 齿 轮 箱 的 设 计 。 现 代 并 网风 电 机 组 希 望 转 矩 系 数 小 ， 以 降 低 传 动 系 统 的 设 计 费 用 。 叶 片 数 越 多 ， 最 大转 矩 系 数 值 也 越 大 ，对 应 的 叶 尖 速 比 也 越小 ， 表 明 起 动 转 矩 越大 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 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 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 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 。 风 轮 转 速 、 叶 尖 速 比 rw R 对 于 特 定 的 风 轮 形 式 ， 其 功 率 系 数 与 叶 尖 速 比 的 关 系 曲线 确 定 ， 形 状 如 同 一 个 山 包 。 在 某 一 叶 尖 速 比 值 处 ， 功 率 系数 达 到 最 大 值 ， 此 时 ， 风 轮 吸 收 的 风 能 最 多 ， 对 应 的 叶 尖 速比 值 称 为 最 佳 叶 尖 速 比 。 风 电 机 组 风 轮 的 一 个 主 要 设 计 目 标 是 尽 可 能 多 地 吸 收 风能 ， 因 此 在 低 于 额 定 风 速 的 区 域 ， 希 望 使 风 轮 尽 可 能 工 作 在最 大 功 率 系 数 附 近 ， 即 风 轮 转 速 与 风 速 的 比 值 尽 可 能 保 持 在最 佳 叶 尖 速 比 附 近 。 由 于 风 速 是 连 续 不 断 变 化 的 ， 因 此 需 要对 风 轮 的 转 速 进 行 控 制 ， 使 之 与 风 速 变 化 匹 配 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 以 表 所 列 的 1.5MW风 电 机 组 为 例 ， 三 叶 片 风 轮 ， 直 径77m， 额 定 风 速 12m/s为 例 。 粗 略 估 算 风 轮 的 额 定 转 速 。 设 三 叶 片 风 轮 对 应 的 最 佳 叶 片 速 比 约 为 7， 风 轮 的 额 定转 速 约 为 实 际 风 电 机 组 的 风 轮 转 速 范 围 的 确 定 ， 还 要 考 虑 其 他 多种 因 素 ， 如 所 列 机 组 的 实 际 转 速 范 围 约 在 1120r/min之 间。 风 轮 转 速 除 了 影 响 风 能 吸 收 特 性 以 外 ， 还 对 风 轮 的 机 械转 矩 产 生 影 响 。 当 风 电 机 组 的 额 定 功 率 和 风 轮 直 径 确 定 后， 风 轮 转 速 增 加 ， 则 风 轮 转 矩 减 小 ， 因 而 作 用 在 传 动 系 统上 的 载 荷 也 相 应 减 小 ， 并 使 齿 轮 箱 的 增 速 比 降 低 。 60 60 60 7 12 20.84 / min2 2 2 38.5r vn w rR 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 风 轮 锥 角 :叶 片 与 风 轮 旋 转 轴 相垂 直 的 平 面 的 夹 角 。 风 轮 仰 角 ： 风 轮 主 轴 与 水 平 面的 夹 角 。 由 于 叶 片 为 细 长 柔 性 体 结构 ， 在 其 旋 转 过 程 中 ， 受 风 载荷 和 离 心 载 荷 的 作 用 ， 叶 片 将发 生 弯 曲 变 形 ， 风 轮 锥 角 和 仰角 的 主 要 作 用 是 防 止 叶 片 在 发生 弯 曲 变 形 状 态 下 ， 其 叶 尖 部分 与 塔 架 发 生 碰 撞 。 风 轮 锥 角 和 风 轮 仰 角 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 偏 航 角 ： 通 过 风 轮 主 轴 的 铅 垂 面 与 风 速 在 水 平 面 上 的分 量 的 夹 角 。 风 电 机 组 在 运 行 过 程 中 ， 根 据 测 量 的 风 速 方 向 ，通 过 偏 航 系 统 对 风 轮 的 方 向 进 行 调 整 ， 使 其 始 终 保 持正 面 迎 向 来 风 方 向 ， 以 获 得 最 大 风 能 吸 收 率 。 偏 航 角 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 主 要 指 其 吸 收 和 转 化 风 能 的 性 能 ， 即 风 轮 的 气 动 性 能 。 功 率 特 性 是 反 映 风 电 机 组 基本 性 能 的 重 要 指 标 ， 用 风 电 机 组输 出 功 率 随 风 速 的 变 化 曲 线 来 表示 。 功 率 曲 线 直 接 影 响 风 电 机 组的 年 发 电 量 。 风 电 机 组 的 基 本 性 能 不 同 风 速 对 应 的 理 论 风 功 率 曲 线 、 根 据 贝 茨 理 论 计 算 的 理 想风 轮 吸 收 风 功 率 曲 线 以 及 风 力 发 电 机 组 的 实 际 功 率 曲 线 。 其 中 理论 风 功 率 与 风 速 的 三 次 方 成 正 比 ， 而 根 据 贝 茨 定 理 ， 理 想 风 轮 只能 吸 收 部 分 风 功 率 （ 极 限 状 态 下 ， 只 能 吸 收 理 论 风 功 率 的 0.59倍） ， 实 际 风 电 机 组 的 风 轮 不 满 足 理 想 风 轮 条 件 ， 并 且 存 在 各 种 损失 ， 其 风 能 吸 收 数 量 低 于 贝 茨 极 限 。 风 电 机 组 的 发 展 过 程 ， 一 直追 求 使 机 组 的 风 能 利 用 系 数 接 近 贝 茨 极 限 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 风 场 条 件 （ 风 况 条 件 、 地 理 和 气 候 环 境 特 点 等 ） 是 风 电机 组 设 计 和 选 型 的 主 要 影 响 因 素 。 在 世 界 范 围 内 ， 可 用 于 风 力 发 电 的 风 场 条 件 千 差 万 别 。 国际 电 工 委 员 会 在 其 颁 布 的 风 电 机 组 相 关 设 计 标 准 中 (IEC64000-1)， 根 据 风 速 和 湍 流 状 态 参 数 将 水 平 轴 风 电 机 组 分 成 若 干 个 级别 ， 这 样 就 减 少 了 风 电 机 组 的 类 型 ， 从 而 可 以 降 低 风 电 机 组 的设 计 成 本 ， 增 加 风 电 机 组 的 竞 争 力 。 将 风 电 机 组 分 成 四 个 级 别 ， 即 三 个 标 准 级 别 ( 、 、 )和 一 个 特 殊 级 别 (S)。 二 、 风 电 机 组 设 计 级 别 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 所 列 数 值 是 风 轮 轮 毂 高 度 处 的 值 。 风 电 机 组 分 级 标 准 只 依 据风 场 的 平 均 风 速 和 湍 流 强 度 两 个 主 要 参 数 。 1) 为 10min参 考 平 均 风 速 ， 实 际 风 场 的 10min平 均 风 速 值 计算 ： 即 ， 三 个 标 准 级 别 机 组 所 适 用 的 风 场 的 平 均 风 速 分 别 为 ： I级机 组 ： 10m/s平 均 风 速 ；级 机 组 ： 8.5m/s平 均 风 速 ；级 机 组 ：7.5m/s平 均 风 速 。 2) 为 风 速 在 15 m/s时 的 湍 流 强 度 期 望 值 ， 表 中 对 每 个 标 准 机组 级 别 都 分 为 A、 B、 C三 种 不 同 的 风 湍 流 状 态 ， 其 湍 流 强 度 期 望值 分 别 为 0.16、 0.14和 0.12。 即 标 准 机 组 共 有 9个 类 型 。 3)为 了 解 决 一 些 特 殊 风 场 条 件 的 机 组 设 计 和 选 用 问 题 ， 标 准 中在 三 个 标 准 级 别 以 外 ， 还 列 出 一 个 特 殊 级 别 S， 具 体 设 计 参 数 由 设计 者 根 据 实 际 风 况 条 件 制 定 。ref 0.2ave ref refI 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 3-3 水 平 轴 风 力 机 构 造 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 风 电 机 组 主 要 由 风 轮 、 机 舱 、 塔 架 和 基 础 等 部 分 组成 。 风 轮 和 机 舱 置 于 塔 架 顶 端 ， 机 舱 内 包 括 风 轮 主 轴 、 传动 系 统 、 发 电 机 等 部 件 。 机 舱 内 的 所 有 部 件 安 装 在 主 机 架上 ， 主 机 架 通 过 轴 承 与 塔 架 顶 端 相 连 接 ， 可 以 在 偏 航 系 统的 驱 动 下 ， 相 对 于 塔 架 轴 线 旋 转 ， 使 风 轮 和 机 舱 随 着 风 向的 变 化 调 整 方 向 。 塔 架 固 定 在 基 础 上 ， 将 作 用 于 风 轮 上 的各 种 载 荷 传 递 到 基 础 上 。 风 轮 是 实 现 风 能 转 换 成 机 械 能 的 部 件 ， 其 上 安 装 若 干个 叶 片 ， 叶 片 根 部 与 轮 毂 相 连 。 风 以 一 定 速 度 和 攻 角 作 用于 叶 片 上 ， 使 叶 片 产 生 转 矩 ， 驱 动 风 轮 主 轴 旋 转 ， 将 风 能转 换 成 旋 转 机 械 能 。 风 轮 主 轴 经 传 动 系 统 带 动 发 电 机 转 子旋 转 ， 进 而 将 旋 转 机 械 能 转 换 成 电 能 。 机 组 通 过 控 制 系 统 实 现 在 各 种 条 件 下 的 运 行 控 制 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 风 轮 变 桨 机 构轮 毂叶 片偏 航 系 统 轴 的 连 接 与 制 动增 速 齿 轮 箱风 轮 主 轴传 动 系 统塔 架 与 基 础 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 叶 片 风 力 机 叶 片 安 装 在 轮 毂 上 ， 轮 毂 与 主 轴 相 连 ， 并 将 叶 片 力矩 传 递 到 发 电 机 。 风 轮 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 风 轮 叶 片 主 要 实 现 风 能 的 吸 收 ， 其 形 状 决 定 了 空 气动 力 学 特 性 ， 设 计 目 标 是 最 大 可 能 吸 收 风 能 ， 同 时 使重 量 尽 可 能 减 轻 ， 降 低 制 造 成 本 。 叶 片 应 满 足 以 下 要求 ： 良 好 的 空 气 动 力 外 形 ， 能 够 充 分 利 用 风 电 场 的 风 资 源条 件 ， 获 得 尽 可 能 多 的 风 能 。 可 靠 的 结 构 强 度 ， 具 备 足 够 的 承 受 极 限 载 荷 和 疲 劳 载荷 能 力 ； 合 理 的 叶 片 刚 度 、 叶 尖 变 形 位 移 ， 避 免 叶 片与 塔 架 碰 撞 。 良 好 的 结 构 动 力 学 特 性 和 气 动 稳 定 性 ， 避 免 发 生 共 振和 颤 振 现 象 ， 振 动 和 噪 声 小 。 耐 腐 蚀 、 防 雷 击 性 能 好 ， 方 便 维 护 。 在 满 足 上 述 目 标 的 前 提 下 ， 优 化 设 计 结 构 ， 尽 可 能 减轻 叶 片 重 量 、 降 低 制 造 成 本 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 叶 片 长 度 很 长 ， 旋 转 过 程 中 ， 不 同 部 位 的 圆 周 速度 相 差 很 大 ， 导 致 来 风 的 攻 角 相 差 很 大 ， 因 此 风 电 机组 叶 片 沿 展 向 各 段 处 的 几 何 尺 寸 及 剖 面 翼 型 都 发 生 变化 。1 叶 片 几 何 形 状 及 翼 型 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 叶 片 特 征 ： 沿 展 向 方 向 上 ， 翼 型 不 断 变 化 ， 各 剖 面 的 弦 长 不 断 变 化 ， 各 剖 面 的 前缘 和 后 缘 形 状 也 不 同 。 叶 片 扭 角 也 沿 展 向 不 断 变 化 ， 叶 尖 部 位 的 扭 角 比 根 部 小 。 叶 片 的 剖 面 翼 型 应 根 据 相 应 的 外 部 条 件 并 结 合 载 荷 分 析 进 行 选 择 和 设计 。 风 能 的 转 换 效 率 与 空 气 流 过 叶 片 翼 型 产 生 的 升 力 有 关 ， 因 此 叶 片的 翼 型 性 能 直 接 影 响 风 能 转 换 效 率 。 应 用 较 多 的 有 NACA翼 型 、 SERI翼 型 、 NREL翼 型 和 FFA-W翼 型 等 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 小 型 风 力 机 叶 片 常 用 整 块 木 材 加 工 而 成 ， 表 面 涂 层 保 护漆 ， 根 部 通 过 金 属 接 头 用 螺 栓 与 轮 毂 相 连 。 有 的 采 用 玻 璃 纤维 或 其 他 复 合 材 料 作 为 蒙 皮 ， 使 叶 片 具 有 更 佳 的 耐 磨 性 能 。 大 、 中 型 风 力 机 采 用 木 质 叶 片 时 ， 不 用 整 块 木 料 进 行 制作 ， 而 是 采 用 很 多 纵 向 木 条 胶 接 在 一 起 ， 以 保 证 选 用 优 质 木材 ， 提 高 叶 片 质 量 。 为 减 轻 重 量 ， 在 木 质 叶 片 的 后 缘 部 分 填塞 质 地 较 轻 的 泡 沫 塑 料 ， 表 面 用 玻 璃 纤 维 作 蒙 皮 。 采 用 泡 沫塑 料 的 优 点 不 仅 可 以 减 轻 质 量 ， 而 且 能 使 翼 型 重 心 前 移 ， 重心 设 计 在 近 前 缘 1/4弦 长 处 为 最 佳 ， 可 以 减 轻 叶 片 的 质 量 。 2 叶 片 的 材 料 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 为 减 轻 叶 片 的 质 量 ， 有 的 叶 片 用 一 根 金 属 管 作 为 受 力 梁， 以 蜂 窝 结 构 、 泡 沫 塑 料 或 轻 木 材 作 中 间 填 充 物 ， 外 面 再 包上 玻 璃 纤 维 防 腐 防 磨 。 大 型 风 力 机 的 叶 片 较 长 ， 如 3MW风 力机 叶 片 达 到 50m左 右 ， 承 受 的 风 载 荷 较 大 ， 因 此 叶 片 设 计 要保 证 一 定 的 强 度 和 刚 度 要 求 。 目 前 ， 大 、 中 型 风 力 机 的 叶 片都 采 用 玻 璃 纤 维 或 高 强 度 复 合 材 料 进 行 制 作 。 叶 片 蒙 皮 的 铺 层 形 式 主 要 取 决 于 叶 片 所 受 的 外 载 荷 ， 根据 外 载 荷 的 大 小 和 方 向 ， 确 定 叶 片 铺 层 数 量 ， 以 及 铺 层 增 强纤 维 的 方 向 。 由 于 叶 片 所 受 弯 矩 、 转 矩 和 离 心 力 都 是 从 叶 尖向 叶 根 逐 渐 递 增 ， 因 此 铺 层 结 构 的 厚 度 一 般 从 叶 尖 向 叶 根 逐渐 递 增 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 叶 片 剖 面 多 采 用 蒙 皮 与 主 梁 构 造 形 式 ， 中 间 有 硬 质 泡 沫 夹层 作 为 增 强 材 料 。 叶 片 主 梁 材 料 一 般 需 采 用 单 向 程 度 较 高 的 玻纤 织 物 ， 叶 片 蒙 皮 主 要 由 胶 衣 、 表 面 毡 和 双 向 复 合 材 料 铺 层 构成 。 叶片主梁叶片铺层 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 叶 片 上 下 两 半 部 分 分 别 在 固 定 形 状 的 模 具 中 完 成 铺 层 ， 然 后 在 前后 缘 粘 合 在 一 起 ， 形 成 整 体 叶 片 。 叶片制造3 叶 片 的 加 工 制 造 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 由 于 风 轮 在 旋 转 过 程 中 ， 转 动 惯 量 很 大 ， 所 以 当 风 速 超过 切 出 风 速 时 ， 变 桨 调 节 的 风 电 机 组 通 过 对 桨 距 角 的 调 整 可以 实 现 气 动 制 动 。 对 于 失 速 控 制 的 风 电 机 组 ， 由 于 叶 片 与 轮毂 固 定 连 接 ， 通 常 采 用 可 旋 转 的 叶 尖 实 现 气 动 制 动 。 图 为 一 种 具 有 旋 转 叶 尖 的 制 动 结 构 。 在 风 轮 运 行 时 ， 叶尖 部 分 和 其 他 部 分 方 向 一 致 ， 形 成 一 个 整 体 。 当 需 要 制 动 时， 叶 尖 部 分 绕 叶 片 轴 向 旋 转 90 ， 实 现 制 动 功 能 。 4 气 动 制 动 系 统 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 叶 片 所 受 的 各 项 载 荷 ， 无 论 是 拉 力 还 是 弯 矩 、 转矩 、 剪 力 都 在 根 端 达 到 最 大 值 ， 如 何 把 整 个 叶 片 上 所承 受 的 载 荷 传 递 到 轮 毂 上 去 ， 关 键 在 于 叶 片 的 根 端 连接 设 计 。 叶 片 根 端 必 须 具 有 足 够 的 剪 切 强 度 、 挤 压 强 度 ，与 金 属 的 胶 接 强 度 也 要 足 够 高 ， 这 些 强 度 均 低 于 其 拉弯 强 度 ， 因 此 叶 片 的 根 端 是 危 险 的 部 位 ， 设 计 应 予 以重 视 。 如 果 不 注 意 根 端 连 接 设 计 ， 严 重 时 将 导 致 整 个叶 片 飞 出 ， 使 整 台 风 电 机 组 毁 坏 。 5 叶 根 连 接 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 法 兰 连 接 这 种 形 式 的 叶 根 像 一 个 法 兰 翻 边 。 在 此 法 兰上 ， 除 了 有 玻 璃 钢 外 ， 还 与 金 属 盘 对 拼 ， 在 金 属 盘 上 的附 件 与 轮 毂 相 连 。 预 埋 金 属 根 端 连 接 在 根 端 设 计 中 ， 预 埋 上 一 个 金 属 根端 ， 此 结 构 一 端 可 通 过 螺 栓 与 轮 毂 连 接 ， 另 一 端 牢 固 预埋 在 玻 璃 钢 叶 片 内 。 这 种 结 构 形 式 避 免 了 对 叶 片 根 部 结构 层 的 加 工 损 伤 ， 提 高 了 根 部 连 接 的 可 靠 性 ， 也 减 小 了法 兰 盘 的 重 量 。 缺 点 就 是 每 个 螺 纹 件 的 定 位 必 须 准 确 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 6 叶 片 失 效 与 防 护 措 施a）叶片表面覆冰 b) 表面腐蚀 c)裂纹 d) 极端风破坏 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 德 国 某 公 司 对 在 德 国 安 装 的 20000台 风 电 机 组 的 叶 片 故障 统 计 结 果 ， 其 中 气 动 部 件 故 障 率 约 为 40%， 导 致 风 轮 不平 衡 问 题 （ 气 动 不 平 衡 、 质 量 不 平 衡 、 不 平 衡 超 限 ） 的 故障 也 约 占 40%， 风 轮 其 他 故 障 略 低 于 20%。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 叶 片 故 障 主 要 对 叶 片 的 气 动 性 能 、 主 轴 不 平 衡 以 及 振 动 和噪 声 状 态 产 生 影 响 。 图 为 表 面 干 净 叶 片 和 表 面 脏 污 叶 片 的 功率 特 性 ， 脏 污 叶 片 导 致 叶 片 气 动 性 能 明 显 下 降 ， 输 出 功 率 减少 。 叶 片 各 类 故 障 造 成 风 轮 旋 转 质 量 不 平 衡 ， 对 叶 片 、 变 桨 驱动 电 机 、 主 轴 ， 齿 轮 箱 （ 裂 缝 、 损 坏 ） 、 发 电 机 （ 阻 尼 线 圈的 磨 损 ） 、 电 子 器 件 （ 没 有 紧 紧 固 定 的 控 制 柜 的 振 动 ） 、 偏航 驱 动 、 偏 航 制 动 以 及 塔 筒 和 地 基 的 裂 缝 都 将 产 生 影 响 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 热 膨 胀 性 ： 叶 片 结 构 中 使 用 了 不 同 的 材 料 ， 所 以 必 须考 虑 各 种 材 料 热 膨 胀 系 数 的 不 同 ， 以 免 因 温 度 变 化 而产 生 附 加 应 力 ， 从 而 破 坏 叶 片 。 密 封 性 ： 空 心 叶 片 应 有 很 好 的 密 封 性 ， 一 旦 密 封 失 效， 其 内 必 然 形 成 冷 凝 水 集 聚 ， 造 成 危 害 。 可 在 叶 尖 、叶 根 各 预 开 一 个 小 孔 ， 以 使 叶 片 内 部 空 间 进 行 适 当 的通 风 ， 并 排 除 积 水 。 需 要 注 意 的 是 小 孔 尺 寸 要 适 当 ，过 大 的 孔 径 将 气 流 从 内 向 外 流 动 ， 产 生 功 率 损 失 ， 还将 伴 随 产 生 噪 声 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 雷 击 保 护 ： 为 了 防 止 被 雷 电 击 毁 、 支 撑 发 电 机 的 塔 架 必 须 用良 好 的 导 线 接 地 。 复 合 材 料 制 成 的 叶 片 ， 需 要 特 殊 的 防 雷 装 置。 风 力 机 叶 片 的 防 雷 设 计 一 般 有 4种 。 大 型 复 合 材 料 叶 片 上 预 防措 施 最 好 是 在 叶 尖 处 沿 整 个 翼 型 外 围 做 一 个 金 属 的 尖 帽 ， 从 叶尖 向 内 延 伸 8 l0cm。 通 过 安 装 在 叶 片 内 部 的 金 属 导 线 连 接 到 叶根 部 的 柔 性 金 属 板 上 ， 并 经 过 塔 架 内 的 接 地 系 统 ， 将 雷 击 电 流接 地 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 叶 片 除 冰 系 统 针 对 一 些 地 区 容 易 造 成 叶 片 覆 冰 的 环境 条 件 ， 提 出 了 多 种 解 决 覆 冰 问 题 的 方 案 。 如 叶 片 表 面采 用 特 殊 的 防 冰 涂 层 、 叶 片 中 安 装 覆 冰 报 警 及 除 冰 系 统等 。 图 为 两 种 叶 片 除 冰 系 统 的 概 念 设 计 示 意 图 。 除 冰 系 统 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 轮 毂 是 连 接 叶 片 与 风 轮 转 轴 的 部 件 ， 用 于 传 递 风 轮 力和 力 矩 到 后 面 传 动 系 统 的 机 构 。 分 类 ： 固 定 式 轮 毂 、 叶 片 之 间 相 对 固 定 铰 链 式 轮 毂 和各 叶 片 自 由 的 铰 链 式 轮 毂 。 轮 毂 1 固 定 式 轮 毂 特 点 ： 主 轴 与 叶 片 长 度 方 向 夹 角 固 定不 变 ； 制 作 成 本 低 ， 维 护 少 ， 不 存 在 铰接 叶 片 的 磨 损 问 题 ； 但 叶 片 上 全 部 力 和力 矩 都 经 轮 毂 传 递 到 后 续 部 件 。 目 前 大 型 三 叶 片 风 轮 常 用 结 构 ， 轮毂 形 状 比 较 复 杂 ， 通 常 采 用 球 磨 铸 铁 制成 ， 浇 注 方 法 容 易 成 形 与 加 工 ， 球 磨 铸铁 抗 疲 劳 性 能 高 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 铰 链 使 两 叶 片 之 间 固 定 连 接 ， 轴 向 相 对 位 置 不 变 ， 但 可绕 铰 链 轴 沿 风 轮 拍 向 在 设 计 位 置 做 正 负 5 10 的 摆 动 ， 类似 跷 跷 板 。 当 来 流 速 度 在 叶 轮 扫 风 面 内 上 下 有 差 别 或 阵 风 出现 时 ， 叶 片 的 载 荷 使 得 叶 片 离 开 设 计 位 置 ， 若 位 于 上 部 的 叶片 向 前 ， 则 下 方 的 叶 片 向 后 。 由 于 两 叶 片 在 旋 转 过 程 中 的 驱动 力 矩 变 化 很 大 ， 因 此 叶 轮 会 产 生 很 高 的 噪 声 。 叶 片 被 悬 挂 的 角 度 与 风 轮 转 速 有 关 ， 转 速 越 低 ， 角 度 越 大。 具 有 这 种 铰 链 轮 毂 式 的 风 轮 具 有 阻 尼 器 的 作 用 。 当 来 流 速度 变 化 时 ， 叶 片 偏 离 原 悬 挂 角 度 ， 其 安 装 角 也 发 生 变 化 ， 一片 叶 片 因 安 装 角 的 变 化 升 力 下 降 ， 而 另 一 片 升 力 提 高 ， 因 而产 生 反 抗 风 向 变 化 的 阻 尼 作 用 。 2 叶 片 之 间 相 对 固 定 铰 链 式 轮 毂 （ 早 期 应 用 ） 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 3.各 叶 片 自 由 的 铰 链 式 轮 毂 轮 毂 的 每 个 叶 片 之 间 互 不 依 赖 ， 在 外 力 作 用 下 ， 可 单 独 做 调整 运 动 。 这 种 调 整 不 但 可 做 成 仅 具 有 拍 向 椎 角 的 形 式 ， 还 可 以 做成 拍 向 、 挥 向 角 度 均 可 以 变 化 的 方 式 。 理 论 上 讲 ， 采 用 这 种 铰 链 结 构 可 保 持 恒 速 运 行 。 能源动力与机械工程学院能源动力与机械工程学院 现 代 大 型 并 网 风 电 机 组 多 数 采 用变 桨 距 机 组 ， 其 主 要 特 征 是 叶 片 可以 相 对 轮 毂 转 动 ， 实 现 桨 距 角 的 调节 。 主 要 作 用 ： 在 正 常 运 行 状 态 下 ， 当 风 速 超 过 额定 风 速 时 ， 通 过 改 变 叶 片 桨 距 角 ，改 变 叶 片 的 升 力 与 阻 力 比 ， 实 现 功率 控 制 。 当 风 速 超 过 切 出 风 速 时 ， 或 者 风 电机 组 在 运 行 过 程 出 现 故 障 状 态 时 ，迅 速 将 桨 距 角 从 工 作 角 度 调 整 到 顺桨 状 态