2020風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)

風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)譯者序原書前言第1部分 空氣動(dòng)力學(xué) 1第1章 風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì) 21.1簡介 21.2理論最大效率 31.3推動(dòng)力 31.4實(shí)際效率 55水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片設(shè)計(jì) 65.1葉尖速度比 61.5.2 葉片的平面形狀和數(shù)量 71.5.3配置 91.5.4空氣動(dòng)力學(xué) 121.5.5扭轉(zhuǎn)角 141.5.6非設(shè)計(jì)工況和功率調(diào)節(jié) 141.5.7智能葉片設(shè)計(jì) 151.5.8葉片形狀綜述 176葉片負(fù)載 171.6.1氣動(dòng)負(fù)載 186.2重力和離心力負(fù)載 191.6.3結(jié)構(gòu)負(fù)載分析 191.6.4揮舞彎曲 201.6.5擺振彎曲 211.6.6疲勞負(fù)載 226.7葉片結(jié)構(gòu)區(qū)域 221.7總結(jié) 23參考文獻(xiàn) 24Ⅹ風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)Ⅹ第2章 使用聚風(fēng)環(huán)技術(shù)的高功率輸出風(fēng)力機(jī) 272.1簡介 272風(fēng)力收集加速裝置的開發(fā)（具有邊緣的擴(kuò)散器護(hù)罩，被稱為“聚風(fēng)環(huán)”） 282.2.1選擇擴(kuò)散器型結(jié)構(gòu)作為基本形式 282.2.2形成渦流的環(huán)形板（被稱為“邊緣”）的思想 292.2.3一種具有邊緣擴(kuò)散器護(hù)罩的風(fēng)力機(jī)的特性 312.3覆蓋風(fēng)力機(jī)具有邊緣的緊湊型擴(kuò)散器的開發(fā) 322.3.1緊湊型聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)輸出性能測(cè)試的試驗(yàn)方法 332.3.2作為聚風(fēng)環(huán)的緊湊型邊緣擴(kuò)散器形狀的選擇 332.3.3具有緊湊型擴(kuò)散器聚風(fēng)環(huán)的風(fēng)力機(jī)的輸出功率 352.3.4現(xiàn)場試驗(yàn) 362.4在中國應(yīng)用5kW風(fēng)力機(jī)為農(nóng)業(yè)灌溉提供穩(wěn)定的電力 375有效利用城市海濱的風(fēng)能 382.6總結(jié) 40參考文獻(xiàn) 41第3章 應(yīng)用樹脂成型工藝對(duì)使用復(fù)合材料的風(fēng)力機(jī)葉片的生態(tài)模制 423.1簡介 422生態(tài)模制方法 433.2.1生態(tài)模制的概念 433.2.2概率方法的應(yīng)用 443.3葉片結(jié)構(gòu)、材料和機(jī)械特性 453.3.1三明治結(jié)構(gòu) 453.3.2機(jī)械特性 453.3.3幾何結(jié)構(gòu)和尺寸 463.4RTM成型工藝 473.5滲透性的公式化（達(dá)西定律） 483.5.1測(cè)量滲透率原理（一維流1D） 483.5.2縱向滲透率與橫向滲透率（三維流3D） 483.6結(jié)果與討論 513.6.1一個(gè)單向?qū)忧闆r下樹脂流動(dòng)行為的仿真 516.2兩個(gè)單向?qū)忧闆r下樹脂流動(dòng)行為的仿真 523.7總結(jié) 54參考文獻(xiàn) 54第4章 利用微分進(jìn)化算法對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)外形的優(yōu)化 564.1簡介 564.1.1可替代能源 564.1.2風(fēng)力機(jī)類型 564.1.3計(jì)算模型 57Ⅺ目 錄Ⅺ4.1.4目標(biāo) 582垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能 584.2.1風(fēng)速和葉尖速度比 584.2.2幾何形狀確定 594.2.3性能預(yù)測(cè) 594.3方法論 604.3.1要求 604.3.2針對(duì)性模塊化設(shè)計(jì) 614.4工具箱 614.4.1幾何外形生成 614.4.2網(wǎng)格生成 634.4.3求解器 654.4.4后處理 654.4.5優(yōu)化 664.5結(jié)果 684.5.1網(wǎng)格依賴性研究 684.5.2基線幾何形狀 704.5.3實(shí)例1：3參數(shù)優(yōu)化542：4

……………………72……………………774.6總結(jié) 81參考文獻(xiàn) 81第2部分 發(fā)電機(jī)與齒輪系

………83第5章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具有輔助繞組的感應(yīng)電機(jī)的性能評(píng)估 845.1簡介 842風(fēng)力發(fā)電機(jī) 855.3提出的技術(shù) 865.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果 895探討與總結(jié) 91參考文獻(xiàn) 92第6章 在風(fēng)力機(jī)齒輪箱中有關(guān)疲勞度評(píng)估的動(dòng)態(tài)齒輪接觸力的時(shí)域建模與分析 946.1簡介 942風(fēng)力機(jī)的時(shí)域分析 956.3齒輪的轉(zhuǎn)矩反向問題 986.4時(shí)域仿真的統(tǒng)計(jì)學(xué)不確定性影響 1025簡化的齒輪接觸疲勞分析 1066.6總結(jié) 110參考文獻(xiàn) 111Ⅻ風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)Ⅻ第3部分 塔架和基

…………113第7章 基于非線性狀態(tài)估計(jì)技術(shù)（T）的風(fēng)力機(jī)塔架振動(dòng)建模與監(jiān)測(cè)……47.1簡介 1142塔架振動(dòng)建模方法：非線性狀態(tài)估計(jì)技術(shù)（NSET） 1157.3風(fēng)力機(jī)的SCADA數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和塔架的振動(dòng)分析 118731低于額定風(fēng)速時(shí)的塔架振動(dòng)分析732高于額定風(fēng)速時(shí)的塔架振動(dòng)分析

……………………118……………………1207.4利用非線性狀態(tài)估計(jì)技術(shù)（NSET）的塔架振動(dòng)建模 1217.4.1塔架振動(dòng)模型與NSET方法 1217.4.2NSET塔架振動(dòng)模型的驗(yàn)證 1227.5塔架振動(dòng)模型用于風(fēng)輪狀態(tài)的監(jiān)測(cè) 1247.5.1葉片角度的不對(duì)稱檢測(cè) 1256討論與總結(jié) 126參考文獻(xiàn) 127第4部分 控制系

……………129第8章 兩種基于LQRI的風(fēng)力機(jī)葉片變槳距控制 1308.1簡介 1302風(fēng)力機(jī)模型 1318.3變槳距控制設(shè)計(jì) 1348.3.1統(tǒng)一變槳距控制 1358.3.2獨(dú)立變槳距控制器 1368.45

…………………………138…………………………145參考文獻(xiàn) 145第9章 變速風(fēng)力機(jī)的功率控制設(shè)計(jì) 1479.1簡介 1479.2系統(tǒng)建模 1483模擬器簡要說明（FAST） 1489.4控制策略 1499.4.1轉(zhuǎn)矩控制器 1499.4.2變槳距控制器 1519.5仿真結(jié)果 1529.5.1轉(zhuǎn)矩和變槳距控制 1535.2帶有噪聲信號(hào)的轉(zhuǎn)矩和變槳距控制 1589.6總結(jié) 161參考文獻(xiàn) 161〓目 錄〓第10章 基于H∞的降低風(fēng)力機(jī)負(fù)載的控制 16310.1簡介 1632風(fēng)力機(jī)模型 16410.2.1非線性模型 16410.2.2線性模型 16410.3基線傳統(tǒng)控制策略（C1） 16610.4設(shè)計(jì)新控制器策略的目標(biāo) 16810.5基于H∞范數(shù)約簡（C2）新提出的控制策略 16910.5.1基于H∞范數(shù)約簡的控制策略的設(shè)計(jì)10.5.2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器（H∞轉(zhuǎn)矩控制器）

………………169……………17010.5.3總體槳距角控制器（H∞變槳距控制器） 17310.5.4H∞控制算法的分析 1756GHBladed的結(jié)果 1806.1GHBladed中的ExternalController 18010.6.2疲勞分析（IEC61400-1第2版中的2） 18010.6.3極端負(fù)載分析（IEC61400-1第2版中的6） 18510.7總結(jié) 186參考文獻(xiàn) 187第5部分 環(huán)境問

……………189第11章 大型風(fēng)力機(jī)的電磁干擾 19011.1簡介 1902干擾的分類 19011.3風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)的EMI和屏蔽 19111.4風(fēng)力機(jī)中電磁干擾的測(cè)量 19211.4.1電磁干擾測(cè)量的一般方面 19211.4.2在風(fēng)力機(jī)上測(cè)量雷電產(chǎn)生的電磁干擾 19211.5使用矩量法來定義風(fēng)力機(jī)的電磁干擾源的例子 19411.5.1風(fēng)力機(jī)通信系統(tǒng) 19411.5.2FEKO模型 1945.3電磁負(fù)載中的鑄鐵材料 19411.6仿真結(jié)果 19611.6.1輪轂內(nèi)部天線 19611.6.2輪轂外部天線 19711.7總結(jié) 199參考文獻(xiàn) 199第12章 風(fēng)力機(jī)中的噪聲污染防治：現(xiàn)狀和近期發(fā)展 20112.1簡介 20112.2噪聲源 201〓風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)〓12.2.1機(jī)械噪聲 20212.2.2氣動(dòng)噪聲 2023噪聲減小策略 20612.3.1機(jī)械噪聲的減小 20612.3.2氣動(dòng)噪聲的減小 20612.3.3 方法的使用 20912.4總結(jié) 210參考文獻(xiàn) 211第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)PeterJ.Schubel，RichardJ.Crossley111 簡介在數(shù)百年前，人們就開始利用風(fēng)車這種具有歷史意義的設(shè)計(jì)，從風(fēng)中獲取能量。風(fēng)車是由木頭、布和石頭建造而成的。它被用于抽水或磨玉米。歷史上的風(fēng)車通常巨大、笨重而且低效。在19世紀(jì)風(fēng)車被使用化石燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)所取代，并由此而實(shí)現(xiàn)了將電力網(wǎng)絡(luò)分布到廣闊的區(qū)域中。但隨著對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)的深入和在材料科學(xué)上的進(jìn)步，特別是高分子聚合物的發(fā)明，使得在21世紀(jì)后半葉人們重新開始從風(fēng)中獲取能量。今天的風(fēng)能設(shè)備一般用來生產(chǎn)電力，通常稱其為風(fēng)力機(jī)。風(fēng)輪軸和轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的方向決定了風(fēng)力機(jī)的第一級(jí)分類。若風(fēng)力機(jī)的軸與地面相平行，則稱其為水平軸風(fēng)力機(jī)（HAWT）。垂直軸風(fēng)力機(jī)（VAWT）的軸則垂直于地面（見圖1-1）。圖1-1軸和風(fēng)輪方向的兩種結(jié)構(gòu)這兩種類型的風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)從其風(fēng)輪設(shè)計(jì)上可以馬上分辨出，它們具有各自不同的優(yōu)勢(shì)[1]。垂直軸風(fēng)力機(jī)主流發(fā)展的中斷可歸因于其較低的葉尖速度比和難以控制風(fēng)輪的速度。垂直軸風(fēng)力機(jī)起動(dòng)的困難性也阻礙了它的發(fā)展，相信直到今天也無法使其做到自起動(dòng)[2]。然而，垂直軸風(fēng)力機(jī)面對(duì)風(fēng)和沉重的發(fā)電機(jī)設(shè)備不需要其他額外的機(jī)械裝置就能3第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)3安裝在地面上。因此，這種結(jié)構(gòu)減輕了塔架的負(fù)擔(dān)。所以對(duì)于未來的發(fā)展，我們不會(huì)完全無視垂直軸風(fēng)力機(jī)。目前，一種新型的V形垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪設(shè)計(jì)正在研究中，它正是利用了垂直軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)良特性[3]。這種設(shè)計(jì)在兆瓦規(guī)模環(huán)境下并未經(jīng)過驗(yàn)證，還需要經(jīng)過若干年的發(fā)展才能使其具有競爭力。此外，關(guān)于可替代性設(shè)計(jì)的問題，水平軸風(fēng)力機(jī)的普及可歸因于它可以通過槳距控制和偏航控制來增強(qiáng)風(fēng)輪控制。因此，水平軸風(fēng)力機(jī)作為主流的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而嶄露頭角。并且在今天，它被所有主要的大型風(fēng)力機(jī)廠商所采用。112 理論最大效率風(fēng)輪效率高有助于捕獲風(fēng)能，并且應(yīng)盡可能在可負(fù)擔(dān)的產(chǎn)生范圍內(nèi)將其最大化。由流動(dòng)的空氣所攜帶的能量（P）被表示為流動(dòng)空氣的動(dòng)能之和，見式（1-1）。2P=1ρAV3 （1-1）2式中，ρ為空氣密度，A為掃略面積，V為氣流速度。對(duì)于可提取的能量大小有物理限制，而這不依賴于設(shè)計(jì)。風(fēng)能的捕獲是在流動(dòng)空氣的動(dòng)能減小及隨后風(fēng)速減小這樣的過程中維持的。能量利用的大小存在一個(gè)公式，這個(gè)公式和通過風(fēng)力機(jī)的空氣流速的減小有關(guān)。100%的能量捕獲意味著最終空氣流速為零以及空氣的零流量。零流量情境不可能實(shí)現(xiàn)，因此利用風(fēng)所有的動(dòng)能是不可能的。這個(gè)原理被廣泛地接受[4，5]，并且這個(gè)原理表明風(fēng)力機(jī)的效率不可能超過59.3%。這個(gè)參數(shù)就是通常所知的風(fēng)能利用系數(shù)（Cp），這里Cp的最大值是0.593，它被稱為貝茲極限（Betzlimit）[6貝茲理論假設(shè)氣流有恒定的線速度。因此，任何旋轉(zhuǎn)力，例如尾流旋轉(zhuǎn)阻力引起的湍流或渦旋脫落（葉尖損失）將進(jìn)一步減小最大效率而通常能減小效率損失的因素如下：避免較低的葉尖速度比，它會(huì)增加尾流旋轉(zhuǎn)；選擇的翼面具有較高的升阻比；專門的葉尖幾何形狀。可以在參考文獻(xiàn)[4，6]中找到深入的解釋和分析。113 推動(dòng)力推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的方法能在很大程度上影響到風(fēng)輪可實(shí)現(xiàn)的最大效率。歷史上最常使用的方法是利用阻力推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。這種方法讓風(fēng)輪的帆面與風(fēng)向垂直，依靠在盛行風(fēng)一方向上的阻力（Cd）來產(chǎn)生動(dòng)力。由于推動(dòng)帆的力和旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)向一致，這種方一盛行風(fēng)指在一個(gè)地區(qū)某一時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)頻數(shù)最多的風(fēng)或風(fēng)向。譯者注4風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)41-法的效率不高；所以，當(dāng)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加時(shí)，相對(duì)風(fēng)速會(huì)減?。?-表 兩種推動(dòng)力裝置的比較推動(dòng)力阻力升力示意圖相對(duì)風(fēng)速=風(fēng)速-葉片速度= 2風(fēng)速2-葉片速度（dr）？3最大理論效率16%[4]50%[6]轉(zhuǎn)回來的帆面常常處于相對(duì)而來的風(fēng)中，這使得轉(zhuǎn)回來的帆面在風(fēng)中產(chǎn)生的阻力使這種方法的效率進(jìn)一步地降低。這種方法的改進(jìn)設(shè)計(jì)是依靠弧形的葉片，它在逆風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具有較小的阻力系數(shù)。并且這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是它可以在任何方向的風(fēng)中工作。在今天，可以看到這種阻力差風(fēng)輪被應(yīng)用于杯形風(fēng)速表和通風(fēng)罩上。然而，它們是低效的功率生產(chǎn)者，因?yàn)樗鼈兊娜~尖速度比不能超過1[4]。另一種可選擇的推動(dòng)風(fēng)輪的方法是利用氣動(dòng)升力（見表11）。這種技術(shù)被應(yīng)用于風(fēng)車和隨后的老式飛機(jī)中，超過了700年的時(shí)間。而在這期間，對(duì)這種方法一直沒有給出精確的理論解釋。今天，由于其在數(shù)學(xué)分析中的復(fù)雜性，使得它的空氣動(dòng)力學(xué)特性已經(jīng)變成了它自身的一個(gè)主題。日益復(fù)雜的有關(guān)解釋升力是如何產(chǎn)生及對(duì)其預(yù)測(cè)的大量定理已經(jīng)出現(xiàn)。空氣動(dòng)力是由葉片翼面上的氣流所產(chǎn)生的壓力和表面摩擦綜合影響的結(jié)果[7。它被認(rèn)為是翼面空氣改變方向（也就是氣流下洗）所產(chǎn)生的合力[8。對(duì)于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪最為重要的是，在各種角度的狹窄通道中，可以產(chǎn)生垂直于風(fēng)向的氣動(dòng)升力。這表明風(fēng)輪在任何轉(zhuǎn)速下，相對(duì)風(fēng)速不減小（11）。對(duì)于升力推動(dòng)風(fēng)輪（見表1-1），空氣沖擊葉片的相對(duì)速度（W）是一個(gè)有關(guān)半徑處的葉片速度和約為2/3風(fēng)速的函數(shù)（貝茲理論）[4]。相對(duì)氣流以這個(gè)速度和依賴于此速度的入射角（β）到達(dá)葉片。葉片和入射角間的夾角被稱為攻角（α）。5第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)5114 實(shí)際效率在實(shí)踐中，風(fēng)輪的設(shè)計(jì)會(huì)因受到以下的輕微損失而形成累積損失：葉尖損失；尾流效應(yīng)；傳動(dòng)系統(tǒng)效率損失；葉片形狀簡化損失。因此最大理論效率還尚待實(shí)現(xiàn)[9在過去的數(shù)個(gè)世紀(jì)中出現(xiàn)過許多種設(shè)計(jì)并且其中的一些在表1-2中很容易被辨別。最早的設(shè)計(jì)波斯風(fēng)車，利用阻力，并借助由木頭和布制作的帆來工作波斯風(fēng)車與現(xiàn)代的薩渥紐斯風(fēng)輪非常相似（121種）。這種風(fēng)輪可在現(xiàn)在的通風(fēng)罩和旋轉(zhuǎn)廣告標(biāo)志中看到。與其大體類似的設(shè)計(jì)是杯形阻力差風(fēng)輪（12，2種）。這種裝置可在今天被用于測(cè)量風(fēng)速的風(fēng)速表上，主要是因?yàn)檫@種裝置易于校準(zhǔn)并且能在不同的風(fēng)向下工作美國農(nóng)場風(fēng)車（12，3種）它是一種具有大轉(zhuǎn)矩升力和高風(fēng)輪實(shí)度的早期設(shè)計(jì)今天仍在用它進(jìn)行抽水。荷蘭風(fēng)車（12，4種）是另一種早期升力型風(fēng)車的例子。它被用于研磨谷物，現(xiàn)在它已從主流的應(yīng)用中消失，但也有少量的荷蘭風(fēng)車作為旅游景點(diǎn)被保留了下來。達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機(jī)（12，5種）具有現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)的翼型葉片設(shè)計(jì)。人們對(duì)這種風(fēng)力機(jī)有著廣泛的研究，并且隨著近期的發(fā)展，可以看到這種類型的風(fēng)輪再次出現(xiàn)[2，3]。盡管如此，至今，這種風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)仍然不能和現(xiàn)代的水平軸風(fēng)力機(jī)相比。由于三葉片翼型風(fēng)力機(jī)（12，6種）具有高效能和易于控制的特點(diǎn)，它已經(jīng)變成了風(fēng)力機(jī)工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。隨著國際供應(yīng)鏈建立的完善，可以預(yù)見這種風(fēng)力機(jī)在未來的統(tǒng)治地位。表1-2現(xiàn)代及歷史上的風(fēng)輪設(shè)計(jì)序號(hào)設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)類型應(yīng)用推動(dòng)力峰值效率①圖示1薩渥紐斯風(fēng)輪垂直軸從歷史上的波斯風(fēng)車到今天的通風(fēng)設(shè)備阻力16%2杯形垂直軸現(xiàn)今的杯形風(fēng)速表阻力8%一（風(fēng)掃掠面積）之比。譯者注6風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)6

（續(xù)）序號(hào)設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)類型應(yīng)用推動(dòng)力峰值效率①圖示3美國農(nóng)場風(fēng)車水平軸從18世紀(jì)到今天，在農(nóng)場中用于抽水、研磨谷物、發(fā)電升力31%4荷蘭風(fēng)車水平軸16世紀(jì)用于研磨谷物升力27%5達(dá)里厄風(fēng)輪（打蛋器）垂直軸20世紀(jì)用于發(fā)電升力40%6現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)水平軸20世紀(jì)用于發(fā)電升力葉片數(shù)量效率143%247%350%①峰值效率取決于設(shè)計(jì)，所引用的值是到目前為止設(shè)計(jì)的最大效率[1]。115 水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片設(shè)計(jì)現(xiàn)在對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)的關(guān)注，是由于它在風(fēng)力機(jī)工業(yè)中的統(tǒng)治地位。葉片形狀和設(shè)計(jì)的很小改變都會(huì)對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)造成很大的影響。本節(jié)簡要討論了影響水平軸風(fēng)力機(jī)葉片性能的主要參數(shù)。151 葉尖速度比葉尖速度比被定義為風(fēng)輪葉片速度和相對(duì)風(fēng)速間的關(guān)系。葉尖速度比是有關(guān)優(yōu)化風(fēng)輪尺寸中最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，它的計(jì)算如下：λ=ΩrVw式中，λ為葉尖速度比，Ω為轉(zhuǎn)速（rad/s），r為半徑，Vw為風(fēng)速。

（1-2）在選擇適當(dāng)?shù)娜~尖速度比時(shí)，效率、轉(zhuǎn)矩、機(jī)械應(yīng)力、空氣動(dòng)力特性和噪聲等方面應(yīng)當(dāng)被考慮到（見表1-3）?？梢酝ㄟ^使用較高的葉尖速度比來提高一臺(tái)風(fēng)力機(jī)的效率[4]，然而當(dāng)考慮到增加葉尖速度比帶來的一些負(fù)面因素時(shí)，如增加噪聲、空氣動(dòng)力的7第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)7應(yīng)力和離心力等，這種方法并不會(huì)對(duì)效率帶來顯著的提高（見表1-3）。表1-3葉尖速度比設(shè)計(jì)考慮因素葉尖速度比低高數(shù)值葉尖速度比在1～2時(shí)被認(rèn)為是低的葉尖速度比大于10時(shí)被認(rèn)為是高的應(yīng)用傳統(tǒng)的風(fēng)車和抽水主要是單葉或雙葉的技術(shù)原型轉(zhuǎn)矩增大減小效率下降明顯低于5，由于高轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)尾流[4]在8后無顯著增加離心力減小按轉(zhuǎn)速的2次方增加[4]氣動(dòng)力減小與轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系減小風(fēng)輪實(shí)度面積增加，要求20個(gè)以上的葉片顯著減小葉片外形大很窄空氣動(dòng)力學(xué)簡單的苛刻的噪聲接近6次方的速度增加[4]欲獲得較高的葉尖速度比就需要減少葉片翼型的弦寬度一，以至形成狹長的葉片外形。這樣可以節(jié)約材料，降低制造成本。離心力和氣動(dòng)力的增加與較高的葉尖速度比有密切聯(lián)系。這些力的增加就意味著難以保證結(jié)構(gòu)的完整性并難以避免葉片故障。當(dāng)葉尖速度比增大時(shí)，葉片的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)就變得越來越重要。設(shè)計(jì)用于較高相對(duì)風(fēng)速的葉片在較低速度下會(huì)產(chǎn)生最小的轉(zhuǎn)矩。這導(dǎo)致了相應(yīng)的風(fēng)力機(jī)有較高的切入風(fēng)速[10]并且難以自起動(dòng)。噪聲的增加也與葉尖速度比增大有關(guān)。氣動(dòng)噪聲會(huì)以接近6次方的速度隨葉尖速度比的增大而增大[4，11]。現(xiàn)代的水平軸風(fēng)力機(jī)中，兩葉片的風(fēng)輪通常使用9～10的葉尖速度比；三葉片的風(fēng)輪通常使用6～9的葉尖速度比[1]。我們發(fā)現(xiàn)使用上述葉尖速度比可有效地將風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能[1，6]。52 葉片的平面形狀和數(shù)量水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片的理想平面形式，是利用葉素動(dòng)量（BEM）方法，通過貝茲極限、局部氣流速度和翼型升力計(jì)算出弦長而確定的。有一些定理是關(guān)于計(jì)算最優(yōu)弦長的，這些計(jì)算很復(fù)雜[1，4，10，12]。其中最簡單的是建立在貝茲最優(yōu)理論上的[見式（1-3）][1]。對(duì)于葉尖速度比為6～9的葉片，若具有可忽略其阻力和葉尖損失的翼型截面，那么貝茲動(dòng)量理論可以給出很好的近似[1]。在低葉尖速度比的實(shí)例中，高阻力翼型截面和葉片截面圍繞著輪轂，這種方法可能是不正確的。在這種情況下，尾流損失和阻力損失應(yīng)當(dāng)被考慮[4，12]。貝茲方法給出了現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片的基本形狀（見圖1-2）。然而，一弦寬度為葉片截面前后緣間連線長度。譯者注8風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)8在實(shí)踐中，會(huì)經(jīng)常使用更先進(jìn)的優(yōu)化方法[12-14]。圖1-2典型的風(fēng)力機(jī)葉片平面圖和區(qū)域劃分V2+U2wCopt=2nV2+U2w

Uwd，Vr=

（1-3）CLλVr式中，r為半徑（m），n為葉片數(shù)量，CL為升力系數(shù)，λ為當(dāng)?shù)氐娜~尖速度比，Vr為當(dāng)?shù)貧饬骱铣伤俣龋╩/s），U為風(fēng)速（m/s），Uwd為設(shè)計(jì)風(fēng)速（m/s），Copt為最優(yōu)弦長。假設(shè)具有一個(gè)合理的升力系數(shù)，利用葉片最優(yōu)化算法得到的葉片平面主要依賴于設(shè)計(jì)葉尖速度比和葉片的數(shù)量（見圖13）。為低葉尖速度比設(shè)計(jì)的風(fēng)輪具有較高的風(fēng)輪實(shí)度，這個(gè)值是葉片面積與風(fēng)輪掃掠面積的比值。減小風(fēng)輪實(shí)度可以有效地減少材料的用量，從而縮減成本。因此，這個(gè)問題就與高葉尖速度比有關(guān)（151節(jié)）。圖1-3不同葉尖速度比和葉片數(shù)量時(shí)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)葉片平面形狀[1]9第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)9在實(shí)踐中，通常會(huì)簡化弦長以便于生產(chǎn)。這種簡化涉及一些增加弦長時(shí)的線性化問題（見圖1-4）。相應(yīng)的損失意味著，這種簡化可通過顯著地縮減成本來證實(shí)其合理性。圖1-4簡化為理想弦長導(dǎo)致的效率損失[15]在效率方面，對(duì)于最佳弦尺寸[見式（1-3）]，葉片的數(shù)量可以忽略不去考慮。然而，在實(shí)際情況中，當(dāng)考慮損失時(shí)，與三葉片相比，兩葉片設(shè)計(jì)產(chǎn)生3%的損失，單葉片產(chǎn)生7%～13%的損失[6]。一種四葉片的設(shè)計(jì)可使邊際效率增加，而它未被證明需要額外的葉片生產(chǎn)成本。當(dāng)選擇了適當(dāng)?shù)娜~片數(shù)量后，風(fēng)力機(jī)塔架的負(fù)荷也應(yīng)當(dāng)被考慮[6]。四葉片、三葉片、兩葉片和單葉片設(shè)計(jì)會(huì)各自導(dǎo)致動(dòng)態(tài)負(fù)荷的增加[16]。風(fēng)力機(jī)巨大的尺寸和其所在的位置會(huì)給人強(qiáng)烈的視覺沖擊，所以它給人的視覺影響是應(yīng)當(dāng)被考慮到的。據(jù)說三葉片的設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)顯得流暢平滑。因此，它更能給人帶來審美上的愉悅感。更快的單葉片和兩葉片的設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)有明顯的急跳動(dòng)作[1]。當(dāng)三葉片風(fēng)輪安裝到固定位置時(shí)，被認(rèn)為會(huì)顯得更有序[17]。153 配置一種有可以同時(shí)減少風(fēng)輪機(jī)艙重量和制造成本的方案是使用較少數(shù)量的葉片[16]。然而，極性非對(duì)稱風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和平衡困難性也是顯而易見的[16]。對(duì)于單葉片和兩葉片風(fēng)輪，增大的磨損、低劣的審美特性和鳥類保護(hù)等問題都需要考慮到[17，18]。在滿足環(huán)境商業(yè)和經(jīng)濟(jì)的共同制約的情況下三葉片風(fēng)力機(jī)（15）作為最有效的設(shè)計(jì)被廣泛使用（14）因此在今天的大型風(fēng)力機(jī)行業(yè)中它也占據(jù)著統(tǒng)治地位?，F(xiàn)代的商用風(fēng)力機(jī)包括有復(fù)雜的控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及防雷設(shè)施（見表1-5）。10風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)10圖1-5一臺(tái)現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)的典型結(jié)構(gòu)一（www.desmoinesregister.com）一圖1-5中風(fēng)力機(jī)的構(gòu)成如下：①風(fēng)輪：風(fēng)輪是由安裝在輪轂上的葉片所構(gòu)成。葉片的形狀像飛機(jī)的機(jī)翼，并且利用升力原理將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。葉片的長度可以達(dá)到150ft（1ft=0.3048m），這相當(dāng)于半個(gè)足球場的長度。②變槳距驅(qū)動(dòng)器：當(dāng)風(fēng)力變得過強(qiáng)時(shí)，葉片可被旋轉(zhuǎn)以減少總的升力。③機(jī)艙：風(fēng)輪與機(jī)艙相連接。機(jī)艙位于塔架的頂部并且在其內(nèi)部裝有多種部件。④制動(dòng)：機(jī)械制動(dòng)可作為葉片槳距制動(dòng)效果的后備，或作為維護(hù)用停車制動(dòng)。⑤低速傳動(dòng)軸：連接到風(fēng)輪。⑥齒輪箱：與風(fēng)輪連接的低速軸的速度范圍是從大型風(fēng)力機(jī)上的20r/min直到住宅單元風(fēng)力機(jī)上的400r/min。大部分生產(chǎn)電力的發(fā)電機(jī)需要傳動(dòng)齒輪將速度增加到1200～1800r/min。一些小型風(fēng)力機(jī)使用直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這樣就不再需要齒輪箱。⑦高速傳動(dòng)軸：連接到發(fā)電機(jī)。⑧發(fā)電機(jī)：將風(fēng)輪產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。不同的設(shè)計(jì)會(huì)分別產(chǎn)生交流電或直流電。這些電能可能會(huì)被用于附近的設(shè)備，存儲(chǔ)于蓄電池或傳送到電網(wǎng)上。⑨熱交換器：用于冷卻發(fā)電機(jī)。⑩控制器：一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，會(huì)在風(fēng)力機(jī)起動(dòng)或停止時(shí)進(jìn)行自診斷測(cè)試，并能在風(fēng)速改變時(shí)對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行調(diào)整。操作人員可以遠(yuǎn)程運(yùn)行系統(tǒng)檢測(cè)，以及通過調(diào)制解調(diào)器輸入新的參數(shù)。?風(fēng)速表：測(cè)量風(fēng)速，并將其數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器上。?風(fēng)向標(biāo)：探測(cè)風(fēng)向，并將其數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器上。之后控制器會(huì)調(diào)整偏航”，或者說調(diào)整包括風(fēng)輪和機(jī)艙的頭部。?偏航驅(qū)動(dòng)：保持風(fēng)輪面向風(fēng)。?塔架：因?yàn)樵诟咛庯L(fēng)速會(huì)增加，所以越高的塔架可使風(fēng)力機(jī)獲得越多的能量。11第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)11表1-4風(fēng)力機(jī)尺寸和重量配置的選擇風(fēng)力機(jī)名稱槳距（P）或失速（S）風(fēng)輪直徑/m葉片數(shù)量機(jī)艙和風(fēng)輪重量/kg單位掃掠面積重量/（kg/m2）MitsubishiMWT-1000（1MW）P573未指明未指明NordexN90（2.3MW）P9038450013.3NordexN80（2.5MW）P8038050016Repower5M（5MW）P1263未指明未指明SiemensSWT-3.6-107（3.6MW）P107322000024.5SiemensSWT-2.3-93（2.3MW）P93314200020.9GamesaG90-2MW（2MW）P90310600016.7GamesaG58-850（850kW）P5833500013.3EnerconE82（2MW）P823未指明未指明GEwind3.6sl（3.6MW）P1113未指明未指明VestasV164（7.0MW）P1643未指明未指明VestasV90（2MW）P90310600016.7VestasV82（1.65MW）P8239500018表1-5典型2MW風(fēng)力機(jī)技術(shù)參數(shù)風(fēng)輪直徑90m掃掠面積6362m2轉(zhuǎn)速9～19r/min轉(zhuǎn)動(dòng)方向順時(shí)針（從前面觀察）重量（包括輪轂）36t頭部重量106t葉片數(shù)量3長度44m翼型Delft大學(xué)和FFA-W312風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)12

（續(xù)）材料預(yù)浸環(huán)氧玻璃纖維+碳纖維重量5800kg塔架管式模塊化設(shè)計(jì)高度重量3節(jié)67m153t4節(jié)78m203t5節(jié)100m255t齒輪箱類型1行星級(jí)，2螺旋級(jí)變速比1∶00散熱油泵與油冷卻器油加熱器2.2kW0MW發(fā)電機(jī)類型雙饋電機(jī)電壓AC690V頻率50Hz轉(zhuǎn)速900～1900r/min定子電流1500A（690V時(shí)）機(jī)械設(shè)計(jì)由兩個(gè)球面軸承支承的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，通過軸承箱直接將側(cè)向負(fù)荷傳遞到框架上制動(dòng)器利用一個(gè)輔助液壓盤式制動(dòng)的全順槳空氣動(dòng)力制動(dòng)在緊急情況下使用防雷依照IEC61024-1標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)體直接將雷電從葉尖兩側(cè)引導(dǎo)至根部連接處，并從這里通過機(jī)艙和塔架引入位于地基的接地系統(tǒng)。因此，葉片和敏感的電器組件得以被保護(hù)控制系統(tǒng)發(fā)電機(jī)是雙饋電機(jī)（DFM），它的速度和功率通過IGBT和脈寬調(diào)制（PWM）的電控方式來進(jìn)行控制。星地協(xié)作網(wǎng)絡(luò)為風(fēng)力機(jī)、氣象塔和變電站的實(shí)時(shí)操作和遠(yuǎn)程控制提供了方便。TCP/IP架構(gòu)具有網(wǎng)絡(luò)接口。預(yù)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)被用于早期檢測(cè)風(fēng)力機(jī)主要部件的潛在老化或故障154 空氣動(dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)性能是設(shè)計(jì)高效能風(fēng)輪的基礎(chǔ)[19]。風(fēng)力機(jī)所產(chǎn)生的能量是由氣動(dòng)升力所提供的，因此有必要通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)使這種力最大化。有一種對(duì)抗阻力的力，它會(huì)阻13第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)13礙葉片的運(yùn)動(dòng)這種力也會(huì)由摩擦力所產(chǎn)生必須要減小這種力那么很顯然葉片翼型的截面應(yīng)具有大的升阻比見式（14）]。在設(shè)計(jì)風(fēng)輪葉片時(shí)通常會(huì)選擇大于30[20的升阻比[19：升阻比升力系數(shù)

（1-4）阻力系數(shù) CD我們可以免費(fèi)獲得類似XFOIL[21]這樣的軟件。這類軟件可在除去過失速、過度攻角和翼面厚度的條件下對(duì)葉片翼型進(jìn)行精確的模擬。雖然有這樣的軟件，對(duì)葉片翼型的升力和阻力系數(shù)的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)依然是有困難的[22，23]。傳統(tǒng)上，在給定攻角和雷諾數(shù)[24]后，使用有關(guān)升力和阻力的表格對(duì)翼面進(jìn)行測(cè)試。歷史上的風(fēng)力機(jī)翼面設(shè)計(jì)曾來自于飛機(jī)技術(shù)，并使用相似的雷諾數(shù)和相似的適應(yīng)于葉尖條件的截面厚度。然而，對(duì)風(fēng)力機(jī)具體的翼面外形應(yīng)予以具體的設(shè)計(jì)考量，這是由于工作環(huán)境和機(jī)械負(fù)荷的不同造成的。污垢對(duì)飛行器翼面的影響可以不被考慮，因?yàn)樵谒鼈冿w行的海拔，昆蟲和其他一些微?？梢员缓雎?。而風(fēng)力機(jī)長期在地平面附近工作，這里聚集的大量昆蟲和灰塵顆粒是一個(gè)問題。這些聚集物被認(rèn)為是一種污染，它會(huì)對(duì)升力的產(chǎn)生形成不利的影響。因此，在具體的風(fēng)力機(jī)翼面設(shè)計(jì)中就要降低其對(duì)這種污染的敏感度[25]。根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)要求，意味著厚度與弦長之比較大的翼面形狀被用在葉根部區(qū)域。這樣的翼面形狀幾乎不會(huì)用在航空工業(yè)中。厚的翼型截面，其升阻比通常較小。所以在設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片時(shí)應(yīng)特別考慮提升厚翼型截面的升力[25，26]。美國國家航空咨詢委員會(huì)（NACA）4位數(shù)和5位數(shù)翼型設(shè)計(jì)一被用于早期的現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)上[1]。NACA翼型的截面幾何形狀可通過數(shù)字分類顯示出來。在表示NACA翼型的數(shù)字中，第1位數(shù)字指的是彎度與弦長之比的最大值；第2位數(shù)字是最大彎度的位置（數(shù)值表示在弦的第幾個(gè)十等分處）；3位和第4位數(shù)字表示最大厚度和弦長的百分比[24一些風(fēng)力機(jī)具有特殊的翼型Delft大學(xué)[23、LSSERINRELFFA[6和RISO[26]這些品牌的風(fēng)力機(jī)。這些具有特殊翼型的風(fēng)力機(jī)的出現(xiàn)，為風(fēng)力機(jī)行業(yè)中的特殊需求提供了有針對(duì)性的替代品。攻角是相向而來的氣流與翼面弦線間的夾角，并且CL和CD所引用的數(shù)值都是相對(duì)于攻角的。在整個(gè)葉片的長度上使用單一的翼型是一種低效的設(shè)計(jì)[19]。葉片上的每個(gè)部分都具有不同的相對(duì)空氣速度，有不同的結(jié)構(gòu)要求。因此，葉片上不同部分的翼型應(yīng)有相應(yīng)的調(diào)整。在葉片的根部，這里截面的最小厚度較大，這是加強(qiáng)葉片負(fù)載能力的關(guān)鍵，這也導(dǎo)致了葉片在這部分有較厚的側(cè)面外形。在靠近葉片尖部的地方，其負(fù)載減小并具有更高的線速度和對(duì)氣動(dòng)特性更為苛刻的要求，為滿足這些葉片，這里的截面形狀也逐漸變薄。很顯然，在考慮到氣流速度和結(jié)構(gòu)負(fù)載時(shí)，葉片不同區(qū)域?qū)ζ湟硇偷囊笠彩遣煌模ㄒ姳?-6）。一NACA開發(fā)了一系列的翼型，稱為NACA翼型，并通過NACA”后跟4～6位數(shù)字的方式為其命名。每位數(shù)字有其特定的含義。譯者注14風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)14表1-6葉片區(qū)域?qū)σ硇偷囊髤?shù)葉片位置（見圖1-2）葉根葉中部葉尖厚度與弦長比（）（d/c]，12）>2727～2121～15結(jié)構(gòu)負(fù)載要求高中低幾何協(xié)調(diào)性中中中最大升力對(duì)前緣粗糙度的不敏感性高設(shè)計(jì)升力與最大升力偏差低中最大CL和過失速狀況低高低翼型噪聲高在設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片的過程中一種被稱為失速的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象應(yīng)被謹(jǐn)慎對(duì)待。失速出現(xiàn)的典型狀況是，在翼型的設(shè)計(jì)中有大角度的攻角。邊界層在葉尖處分離，而不是沿著翼面進(jìn)一步向下，這導(dǎo)致尾流溢出上表面，從而大大降低了升力，增加了阻力[6]。在飛行中出現(xiàn)失速的情況是很危險(xiǎn)的，并且通常要避免這種情況的發(fā)生。然而對(duì)于風(fēng)力機(jī)，可利用失速來限制最大功率輸出以防止發(fā)電機(jī)過載。也可以在極端風(fēng)速下或偶然出現(xiàn)大風(fēng)時(shí)避免風(fēng)力機(jī)葉片承受過大的力。因此，最好不要產(chǎn)生猝發(fā)性的失速狀況，因?yàn)檫@樣會(huì)使風(fēng)力機(jī)葉片的翼面產(chǎn)生過多的動(dòng)力和振動(dòng)[1]。葉片對(duì)污物的敏感度非設(shè)計(jì)工況（包括失速和結(jié)構(gòu)上的厚截面）是特定風(fēng)力機(jī)翼型發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力[1，26]。使用具有優(yōu)秀力學(xué)特性的現(xiàn)代材料，或許可以使葉片葉根部分有更薄的截面結(jié)構(gòu)，并能增加升阻比。更薄的截面也使我們有機(jī)會(huì)通過減小阻力來提升效率更薄翼型截面的更高的升力系數(shù)反過來可使弦長縮短材料使用減少見式（1-3）]。155 扭轉(zhuǎn)角翼面截面所產(chǎn)生的升力，是一個(gè)有關(guān)翼面與流入氣流所形成攻角的函數(shù)（見1.5.4節(jié)）。氣流的流入角取決于風(fēng)輪特定半徑下的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速。所需的扭轉(zhuǎn)角依賴于葉尖速度比和期望的翼面攻角。通常在風(fēng)輪輪轂外的翼面部分與風(fēng)成一定的角度，這是由于風(fēng)速與葉片徑向速度之比較大。與此相反，葉尖可能與風(fēng)幾乎垂直。葉片上的總的扭轉(zhuǎn)角或許減少了，這就簡化了葉片的形狀，降低了制造成本。然而，這可能迫使翼面工作在低于最佳攻角的情況下，這樣升阻比就減小了。這種簡化應(yīng)在考慮到風(fēng)力機(jī)性能的總體損失后進(jìn)行適宜的調(diào)整。156 非設(shè)計(jì)工況和功率調(diào)節(jié)早期風(fēng)力機(jī)中的發(fā)電機(jī)及齒輪箱技術(shù)要求葉片以固定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。因此，除了在額定的風(fēng)力條件下，運(yùn)行于任何非設(shè)計(jì)的葉尖速度比的情況下都會(huì)使效率下降[1]。對(duì)于大15第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)15型的現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)這已不再適用，有人提出了未來的風(fēng)力機(jī)中也許不會(huì)再有齒輪箱[27]。今天，固定速度風(fēng)力機(jī)的使用被限制在更小的設(shè)計(jì)中，因此相應(yīng)的由非設(shè)計(jì)工況產(chǎn)生的困難可被忽略。設(shè)計(jì)風(fēng)速被用于風(fēng)力機(jī)葉片的最佳尺寸的制定，而它又依賴于對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的測(cè)量。然而，任何一個(gè)地方的風(fēng)況都是多變的。所以風(fēng)力機(jī)就必須工作在非設(shè)計(jì)工況中，這也包括風(fēng)速大于額定值的情況。因此必須實(shí)施一種限制轉(zhuǎn)速的方法，以避免葉片、輪轂、齒輪箱和發(fā)電機(jī)超負(fù)荷。在較低的額定風(fēng)速下，也要求風(fēng)力機(jī)能保持一個(gè)合理的高效能。由于相向而來的風(fēng)速直接影響著在葉片之上合成氣流的入射角度，葉片的槳距角必須相應(yīng)改變。這就是所謂的變槳距，它保持了翼面上的升力。通常在葉片的整個(gè)長度上，會(huì)通過輪轂的機(jī)械扭轉(zhuǎn)來改變?nèi)~片的角度。在風(fēng)速小于設(shè)計(jì)工況的時(shí)候這種方法對(duì)增加升力是非常有效的。這種方法也用于避免風(fēng)輪的超速。而風(fēng)輪的超速會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的超負(fù)荷，或者在葉片承受過多負(fù)擔(dān)時(shí)帶來災(zāi)難性的后果[1]。有兩種變槳距的方法被用于減少升力，并因此而減少風(fēng)速過大時(shí)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度。第一種，通過減少槳距角來減少攻角，最終使產(chǎn)生的升力降低。這種方法就是所謂的順槳。另一種可選擇的方法是通過增加槳距角來增加攻角，到達(dá)一個(gè)臨界極限引起失速并降低升力。順槳要求葉片在變槳距中進(jìn)行最大幅度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。然而，當(dāng)失速可以引起過多的動(dòng)力載荷時(shí)，它仍然是可以接受的。這種負(fù)載是由被葉片分開的氣流所帶來的不可預(yù)知的結(jié)果，它也可能帶來不受歡迎的振動(dòng)[1]。在設(shè)計(jì)中，可通過風(fēng)輪葉片上所謂的被動(dòng)失速控制，來利用失速狀態(tài)限制速度[1]。增大的風(fēng)速和風(fēng)輪速度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)引發(fā)失速的角度，從而自動(dòng)限制了風(fēng)輪的速度。在實(shí)踐中精準(zhǔn)的確保失速的發(fā)生是很困難的，通常會(huì)有一個(gè)安全余量。對(duì)安全余量的使用表明常規(guī)運(yùn)行是在最佳條件性能下進(jìn)行的，因此這種方法僅被用于小型風(fēng)力機(jī)中[28]。在輪轂上的全葉片順槳變槳距，被今天大部分的風(fēng)力機(jī)市場領(lǐng)導(dǎo)者所采用（見表14）。順槳變槳距可對(duì)完全變槳距至停車配置狀態(tài)的葉片提供更好的性能和靈活性。據(jù)報(bào)道生產(chǎn)廠商采用了統(tǒng)一變槳距[29]，在這里所有的葉片通過變槳距調(diào)至相同的角度。然而，可發(fā)現(xiàn)通過獨(dú)立變槳距能進(jìn)一步減小負(fù)載[30]。這要求在大多數(shù)的設(shè)計(jì)中不能有過多的裝置，并希望其能被廣泛采用[29，30。157 智能葉片設(shè)計(jì)在葉片的設(shè)計(jì)中當(dāng)前有種研究趨勢(shì)被稱為智能葉片”這種葉片能根據(jù)風(fēng)況改變它們的形狀。在葉片設(shè)計(jì)的這個(gè)范疇內(nèi)有很多的方法既關(guān)乎氣動(dòng)操控面，又涉及智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的材料。Barlas對(duì)這個(gè)主題進(jìn)行了大量的討論[31]。在這種研究后出現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)器會(huì)限制最終（極限）負(fù)載和疲勞負(fù)載或減小動(dòng)能獲取這項(xiàng)研究主要開始于類似直升機(jī)控制的概念并且很多的風(fēng)能研究機(jī)構(gòu)也對(duì)它進(jìn)行了研究UpwindEuropean”框架計(jì)劃里的工作項(xiàng)目中智能風(fēng)輪葉片和風(fēng)輪控制”、大型海上風(fēng)力機(jī)的智能氣動(dòng)控制項(xiàng)目和丹麥項(xiàng)目ADAPWING”都涉及智能風(fēng)輪控制的主題。在國際能源署的框16風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)16架下，分別由Delft大學(xué)和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室舉辦了兩場“大型風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用”的專家會(huì)議。會(huì)議過程中出現(xiàn)了各種主題、方法和解決方案，這反映了當(dāng)前正在進(jìn)行的研究[32，33]。1-

在氣動(dòng)控制方面的應(yīng)用包括副翼式襟翼、彎度控制、主動(dòng)扭轉(zhuǎn)和邊界層控制。圖和圖1-7顯示了基于概念的各種氣動(dòng)控制面的氣動(dòng)性能（升力控制能力）對(duì)比圖。圖1-6智能結(jié)構(gòu)概念的原理圖圖1-7在升力控制能力方面氣動(dòng)裝置概念的比較[31]智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)材料包括傳統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能材料執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓電式和形狀記憶合金。傳統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能無法滿足這種概念的最小要求。此外，氣動(dòng)控制面的概念的提出（沿葉片跨度分布）要求快速動(dòng)作，不能有復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)和大的能量重量比。為了這17第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)17個(gè)目的，一個(gè)較有前景的解決方案是使用智能材料執(zhí)行系統(tǒng)。按照定義，智能材料是一種具有感知和驅(qū)動(dòng)能力的材料，這種材料在一種控制方式中能對(duì)可變環(huán)境的激勵(lì)做出響應(yīng)。通常所知的智能材料是鐵電型材料（壓電式、電致伸縮式、磁致伸縮式）、可變的流變學(xué)材料（電流變、磁流變）和形狀記憶合金。壓電式材料和形狀記憶合金通常是在各種應(yīng)用中用于執(zhí)行器上的最有名的智能材料。其技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到了非常高的水平，并且商業(yè)解決方案可廣泛應(yīng)用[31]。58 葉片形狀綜述一個(gè)高效的葉片是由若干種翼型輪廓構(gòu)成。在一個(gè)環(huán)形凸緣扭轉(zhuǎn)成的角度上混合為一體（見圖1-8）[4，34]。為減小損耗，它可能包含尖部幾何形狀。為易于生產(chǎn)，可能需要進(jìn)行一些簡化：減少扭轉(zhuǎn)角；弦寬的線性化；減少不同翼型輪廓的數(shù)量。圖1-8典型的現(xiàn)代水平軸風(fēng)力機(jī)葉片具有多個(gè)翼型，扭轉(zhuǎn)角和線性的弦長增加所有制造的簡化都不利于提高風(fēng)輪的效率，并且這種簡化也應(yīng)當(dāng)是合理的。新的成型技術(shù)和材料的引入，使得形狀越來越復(fù)雜的葉片的制造成為可能。然而，生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性加上設(shè)計(jì)分析的困難性仍然決定了其最終的幾何形狀。領(lǐng)先的風(fēng)力機(jī)供應(yīng)商，其產(chǎn)品囊括了最優(yōu)化的特性，比如扭轉(zhuǎn)角、可變弦長和多重翼型幾何形狀。116 葉片負(fù)載多重翼型截面和弦長、22種指定的隨機(jī)負(fù)載情況和一個(gè)具有多種葉片槳距角的扭轉(zhuǎn)角導(dǎo)致了一種復(fù)雜的工程解決方案。因此，像有關(guān)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和有限元18風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)18（FEA）這樣的計(jì)算機(jī)分析軟件的使用在風(fēng)力機(jī)行業(yè)中已經(jīng)變得司空見慣[35]。這類軟件中，有些專用的商業(yè)軟件可購買到，如LOADS、YawDyn、MOSTAB、GHBladed、SE-ACC和AERODYN等，它們被用于執(zhí)行基于葉片幾何結(jié)構(gòu)、葉尖速度和位置條件的計(jì)算[15]。為簡化計(jì)算，有人建議考慮一種最壞情況下的負(fù)載狀況，在這樣的情況下其他所有的負(fù)載是可被接受的[4]。最壞情況負(fù)載方案，依賴于葉片尺寸和控制方法。對(duì)于小型風(fēng)力機(jī)沒有葉片變槳距，應(yīng)把50年一遇的風(fēng)暴情況作為極限情況。對(duì)于更大的風(fēng)力機(jī)（直徑>70m），來源于葉片重量的負(fù)載變得更加重要，并且應(yīng)當(dāng)對(duì)其考慮[4]。在實(shí)踐中，考慮了幾種負(fù)載情況，這些情況中，利用公布的方法對(duì)每種IEC負(fù)載情況的數(shù)學(xué)分析進(jìn)行了詳細(xì)的說明[6]。對(duì)于現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)葉片，單一負(fù)載情況下的分析對(duì)于認(rèn)證是不夠的。因此，人們對(duì)多重負(fù)載情況進(jìn)行了分析。最重要的一種負(fù)載情況依賴于個(gè)別設(shè)計(jì)。下面給出的典型負(fù)載情況是應(yīng)優(yōu)先考慮的：緊急停車時(shí)的應(yīng)對(duì)方案[36；工作時(shí)的極端負(fù)載[6；在暴風(fēng)環(huán)境下停放50年[34。在這些操作方案下，葉片負(fù)載的主要來源如下[6]：氣動(dòng)性的；重力的；離心力的；陀螺效應(yīng)的；運(yùn)行中的。負(fù)載的大小將取決于以下分析的操作方案。在更詳細(xì)的考慮下，如果最優(yōu)的風(fēng)輪形狀被保持，那么氣動(dòng)負(fù)載將不可避免，并且對(duì)風(fēng)力機(jī)的性能至關(guān)重要（見1.6.1節(jié)）。據(jù)說，當(dāng)風(fēng)力機(jī)的尺寸增加時(shí)，其葉片的重量會(huì)隨著它以3次方速度增長。重力和離心力會(huì)因葉片重量的增加變得至關(guān)重要，同時(shí)情況也會(huì)變得復(fù)雜（見1.6.2節(jié)）。陀螺效應(yīng)的負(fù)載來自于運(yùn)行時(shí)的偏航。它們是系統(tǒng)依賴的，并且通常沒有重力負(fù)載的效果強(qiáng)。運(yùn)行中的負(fù)載也是系統(tǒng)依賴的，它來源于變槳距、偏航、分?jǐn)嗪桶l(fā)電機(jī)的連接。同時(shí)在緊急停車時(shí)或電網(wǎng)損耗的情況下這種負(fù)載會(huì)被加大。陀螺效應(yīng)的負(fù)載和運(yùn)行中的負(fù)載可通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)來減小。能承受氣性負(fù)載、重力負(fù)載和離心力負(fù)載的葉片，通常也具有承受這些減小了的負(fù)載的能力。因此，陀螺負(fù)載和運(yùn)行中的負(fù)載在它們工作時(shí)不被考慮。161 氣動(dòng)負(fù)載氣動(dòng)負(fù)載是由葉片翼型截面的升力和阻力產(chǎn)生的（見圖19）。它也依賴于風(fēng)速（VW）、葉片速度（U）、表面處理、攻角（α）和偏航。攻角是依賴于葉片扭轉(zhuǎn)和槳距。產(chǎn)生的氣動(dòng)升力和氣動(dòng)阻力被分解為推動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的力（T）和反作用力（R）。可19第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)19以看到，反作用力是使平面發(fā)生彎曲的本質(zhì)作用以及葉片應(yīng)能承受一個(gè)極限的形變。對(duì)于葉片空氣動(dòng)力的計(jì)算，應(yīng)用了廣泛宣傳的葉素動(dòng)量（BEM）理論[4，6，37]。計(jì)算沿葉片半徑劃分出小的元素（dr），可通過計(jì)算氣動(dòng)力的總和得到整個(gè)葉片的反作用力和推力負(fù)載（見圖1-9）。圖1-9在葉素上產(chǎn)生的氣動(dòng)力162 重力和離心力負(fù)載重力和離心力都與重量有關(guān)，它們一般會(huì)隨風(fēng)力機(jī)直徑的增加而按3次方速度增加[38。因此，直徑在10m以下的風(fēng)力機(jī)可以忽略慣性負(fù)載，直徑在20m以上的風(fēng)力機(jī)的慣性負(fù)載也是微乎其微的，而對(duì)于直徑達(dá)到70m以上的風(fēng)力機(jī)這種負(fù)載則變得不容忽視[4。重力具有簡單的定義，它是重量與萬有引力常量的乘積。然而，它的方向始終指向地心，這引起了一種交替循環(huán)載荷的情況。離心力是旋轉(zhuǎn)速度2次方和重量的乘積，且總是作用于徑向外側(cè)，因此它增加了葉尖速度的負(fù)載需求。離心力負(fù)載和重力負(fù)載疊加在一起，產(chǎn)生一個(gè)正向位移可替換條件，其具有一個(gè)等于單個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)一周的波長。163 結(jié)構(gòu)負(fù)載分析現(xiàn)代的風(fēng)力機(jī)葉片負(fù)載分析，通常是利用有限元方法對(duì)三維CAD模型進(jìn)行分析[39]。認(rèn)證機(jī)構(gòu)支持這種方法并且得出結(jié)論認(rèn)為有一系列的商業(yè)軟件可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果[40]。這些標(biāo)準(zhǔn)也允許我們使用經(jīng)典的應(yīng)力分析方法對(duì)葉片應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行保守建模。傳統(tǒng)上，葉片會(huì)被建模為一個(gè)具有等效點(diǎn)或負(fù)載均勻分布的簡單懸臂梁，以用于計(jì)算葉片揮舞和擺振方向的彎矩。葉片根部和螺栓插入件的直接應(yīng)力也將被計(jì)算。在以下的簡單分析中（見1.6.4～1.6.6節(jié)），提供了對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片整體結(jié)構(gòu)的基本了解。在實(shí)踐中，將完成更詳細(xì)的計(jì)算分析。它包括對(duì)個(gè)別特性、結(jié)合物和材料層的局部分析。20風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)20164 揮舞彎曲揮舞方向的彎矩是氣動(dòng)負(fù)載的結(jié)果（見圖19）。可利用BEM理論（見161節(jié)）對(duì)它進(jìn)行計(jì)算。在50年一遇風(fēng)暴和極端的運(yùn)行條件下，氣動(dòng)負(fù)載被認(rèn)為是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)負(fù)載[6。一旦計(jì)算，負(fù)載情況顯然可被建模為具有均勻分布負(fù)載的懸臂梁（見圖110）[4。該分析顯示了翼弦軸如何發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生葉片截面的壓縮和拉伸應(yīng)力（見圖111）。為了計(jì)算這些應(yīng)力，必須計(jì)算負(fù)載承受材料區(qū)域上的第二個(gè)力矩見式（1-6）]。使用經(jīng)典梁彎曲分析，可以沿著葉片的任何部分計(jì)算彎矩[41]。然后可以使用梁彎曲方程在梁的任何點(diǎn)計(jì)算局部偏轉(zhuǎn)和材料應(yīng)力[見式（1-7）]。圖1-10葉片被建模為具有均勻分布的氣動(dòng)負(fù)載的懸臂梁圖1-11軸xx的揮舞彎曲21第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)21M=-1 w（L-r） （1-6）IM=-1 w（L-r） （1-6）yIRσ=M=EyIR

（1-7）式中，L為葉片總長度，M為彎矩，w為UDL，r為距離輪轂的半徑長度，σ為應(yīng)力，y為到中軸的距離，I為斷面二次矩，E為彈性模數(shù)，R為曲率半徑。當(dāng)計(jì)算斷面二次矩時(shí)見式（15）]，很顯然，增加中心軸彎曲的距離會(huì)引起它以3次方的速度增加。當(dāng)代入梁彎曲方程時(shí)見式（17）]，可以看出，通過簡單地將承載材料從中心彎曲平面移動(dòng)，可以獲得材料應(yīng)力以2次方速度減小。因此，當(dāng)葉片處于中心彎曲平面（x）的極限位置時(shí)，將負(fù)載材料放置于葉片的翼梁帽區(qū)效能是較高的（見圖1-11）。這意味著為什么較厚的翼型在結(jié)構(gòu)上是首選的，盡管它有空氣動(dòng)力方面的不足。這種結(jié)構(gòu)效率的提高，可使結(jié)構(gòu)材料的用量最小化，并且能夠顯著地減輕重量[42]。因此，具有較高空氣動(dòng)力效能的細(xì)長翼型和具有較強(qiáng)結(jié)構(gòu)完整性的厚翼型間的矛盾是很明顯的。可以看到彎矩[見式（1-6）]和因此產(chǎn)生的應(yīng)力[見式（1-7）]向風(fēng)輪輪轂方向增加。這就是翼型部分傾向于朝向輪轂增加厚度以維持結(jié)構(gòu)完整性的原因。165 擺振彎曲擺振彎矩是葉片重量和重力的結(jié)果。因此，對(duì)于較小的可以忽略其重量的葉片，這種負(fù)載情況也可以忽略不計(jì)[4]。簡單的比例法則決定了隨著風(fēng)力機(jī)尺寸的增加，葉片的重量會(huì)以3次方速度增加。因此，為了增加風(fēng)力機(jī)的尺寸，使其超過70m的直徑，這種負(fù)載的情況被認(rèn)為會(huì)越發(fā)的關(guān)鍵[4]。當(dāng)葉片到達(dá)水平位置時(shí)，彎矩最大。在這種情況下，葉片可能再次被建模為懸臂梁（見112113）?，F(xiàn)在在這個(gè)梁上有一個(gè)分布負(fù)載，當(dāng)葉片和材料的厚度增加時(shí)，這個(gè)負(fù)載會(huì)向輪轂方向急劇增長。斷面二次矩、彎矩、材料應(yīng)力和撓度的實(shí)際值可以用類似計(jì)算揮舞彎矩的方法來計(jì)算（見164節(jié)）。應(yīng)該注意的是，在邊緣負(fù)載條件下，中心彎曲的平面現(xiàn)在與弦線正交。將承受負(fù)載的材料集中在翼梁帽區(qū)中翼型輪廓的極限位置，遠(yuǎn)離彎曲的揮舞平面（xx）。對(duì)于揮舞彎曲這樣做是有利的。當(dāng)梁

圖1-12重力負(fù)載建模為懸臂梁22風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)22帽區(qū)的中心越來越接近彎曲的中心平面時(shí)（yy），這種定位對(duì)于擺振彎曲是無效的。因此，對(duì)于揮舞彎曲和擺振彎曲的情況，應(yīng)仔細(xì)考慮結(jié)構(gòu)材料位置的有效性[42]。166 疲勞負(fù)載

圖1-13關(guān)于yy的擺振彎曲葉片承受的主要負(fù)載情況不是靜態(tài)的。當(dāng)材料經(jīng)受反復(fù)的非連續(xù)負(fù)載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生疲勞負(fù)載。這會(huì)導(dǎo)致材料承受的負(fù)載超出其疲勞極限。生產(chǎn)一種風(fēng)力機(jī)葉片讓它運(yùn)行在其材料的疲勞極限之內(nèi)是有可能的。然而，這樣的設(shè)計(jì)將需要過多的結(jié)構(gòu)材料。這會(huì)使最終制造出的葉片笨重、巨大、昂貴和低效。因此，在有效的風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)中，疲勞負(fù)載情況是不可避免的。疲勞負(fù)載是重力循環(huán)負(fù)載的結(jié)果（見1.6.5節(jié)），它等于風(fēng)力機(jī)整個(gè)壽命期間的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，而風(fēng)力機(jī)的壽命通常為20年。此外，在風(fēng)力機(jī)壽命期間，通過陣風(fēng)提供的1×109循環(huán)負(fù)載會(huì)產(chǎn)生更小的隨機(jī)負(fù)載[43]。因此，許多風(fēng)力機(jī)的組件的設(shè)計(jì)可能是由疲勞負(fù)載而不是極限負(fù)載所決定[6]。IEC（國際電工委員會(huì)）[44]和DNV（挪威船級(jí)社）[40]都需要有疲勞分析和測(cè)試認(rèn)證[45]。67 葉片結(jié)構(gòu)區(qū)域現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片可通過空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)功能分類而被劃分為三個(gè)主要區(qū)域（見圖114）：23第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)23圖1-14三個(gè)葉片區(qū)域葉根：圓形支架和第一個(gè)翼型輪廓間的過渡這個(gè)部分承受著最大的負(fù)載。這個(gè)部分的相對(duì)風(fēng)速較低，是因?yàn)檫@里的風(fēng)輪半徑相對(duì)較小。低風(fēng)速導(dǎo)致了氣動(dòng)升力的減小，這又導(dǎo)致了較大的弦長。因此，在風(fēng)輪輪轂處的葉片輪廓變得非常大。由于需要使用過厚的翼型部分來改善負(fù)載密集區(qū)域的結(jié)構(gòu)完整性，這使得低風(fēng)速的問題復(fù)雜化。因此，葉片的葉根部區(qū)域通常由具有低氣動(dòng)效率的厚翼型所構(gòu)成。葉中部：空氣動(dòng)力學(xué)意義重大升阻比將達(dá)到最大。因此，這里可能使用最薄的翼型，從結(jié)構(gòu)上考慮也是允許的。葉尖：空氣動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵部分升阻比將達(dá)到最大。因此，使用纖細(xì)的翼型和專門設(shè)計(jì)的葉尖幾何形狀來減小噪聲的損耗。這樣的葉尖幾何形狀在該領(lǐng)域尚未得到驗(yàn)證[1，但其仍被一些制造商所采用。117 總結(jié)由于效率、控制、噪聲和美學(xué)方面的原因，現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)市場被具有三葉片設(shè)計(jì)的水平軸風(fēng)力機(jī)所統(tǒng)治。這些風(fēng)力機(jī)采用了偏航和變槳距，以便能夠適應(yīng)并運(yùn)行于變化的風(fēng)況下。國際供應(yīng)鏈圍繞著這種設(shè)計(jì)而發(fā)展，現(xiàn)在它是行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，可以預(yù)見在未來仍將是這樣。這種設(shè)計(jì)的演變過程中，人們探索了很多其他的備選方案，但這些方案未受到最終的認(rèn)可。尋求更高成本效益的制造商不斷提高設(shè)計(jì)大型風(fēng)力機(jī)的能力，最新型號(hào)的大型風(fēng)力機(jī)其直徑可達(dá)164m。這樣的規(guī)模使得新的挑戰(zhàn)者想要投資開發(fā)出與其尺寸相近的可替代設(shè)計(jì)，幾乎是不可能的。對(duì)葉片設(shè)計(jì)的全面考察表明，一種高效的葉片形狀是通過空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算后所決定的。而這種計(jì)算是基于所選擇的翼型的參數(shù)和性能。美學(xué)在設(shè)計(jì)中扮演了較次要的角色。最佳的高效葉片形狀是復(fù)雜的。這包括加大寬度、厚度和向輪轂方向扭轉(zhuǎn)角的翼型截面。這種通常的形狀受物理規(guī)律制約，一般不太可能改變。然而，翼型的升力和阻力性能將決定最佳的扭轉(zhuǎn)角度和弦長，以獲得最佳的氣動(dòng)性能?；镜呢?fù)載分析表明，葉片可以建模為一個(gè)支撐在輪轂端的簡單懸梁。均勻分布的負(fù)載可被用于代表運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)升力。向支撐物增加的彎矩表明，結(jié)構(gòu)上的要求也將決24風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)24定葉片的形狀，特別是輪轂周圍的區(qū)域，需要增加其厚度。目前，制造商正在通過增加風(fēng)力機(jī)尺寸來尋求更高的成本效益，而不是通過改善葉片效率來使此效益得到小幅的提高。這種情況可能會(huì)發(fā)生改變。因?yàn)殡S著建設(shè)、交通和裝配問題的出現(xiàn)，更大的模型可能會(huì)有問題。所以，很有可能將保持通常的形狀不改變，并不斷地增加風(fēng)力機(jī)的尺寸直到達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)的水平。隨著制造商采用新的翼型、葉尖設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)材料，葉片的形狀可能會(huì)發(fā)生微小的改變。細(xì)長翼型氣動(dòng)性能的提高與較厚翼型良好的結(jié)構(gòu)性能間的沖突也很明顯。參考文獻(xiàn)25第1章風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)2526風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)26第第2章使用聚風(fēng)環(huán)技術(shù)的高功率輸出風(fēng)力機(jī)YujiOhya，TakashiKarasudani221 簡介未來，化石燃料的局限性是很明顯的。為了能在未來有效地利用能源，化石燃料可替代品的安全性成為了一個(gè)重要課題。此外，由于對(duì)環(huán)境問題的關(guān)注，如全球變暖等，人們強(qiáng)烈期望可再生和清潔新能源的開發(fā)和應(yīng)用。其中風(fēng)能技術(shù)發(fā)展迅速，即將在新能源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。然而，與整體能源需求相比，風(fēng)能利用規(guī)模較小，特別是日本的發(fā)展水平極低。有各種可想而知的原因?qū)е铝诉@樣的結(jié)果。例如，日本適合建立風(fēng)電場的地區(qū)很有限，與歐洲或北美地區(qū)相比，其地形復(fù)雜以及有湍流性的地方風(fēng)況等。因此，人們非常期望引進(jìn)一種新的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，即使在較低風(fēng)速和復(fù)雜風(fēng)況的地區(qū)，也能產(chǎn)生更高的功率輸出。風(fēng)力發(fā)電量與風(fēng)速的3次方成正比。因此，若進(jìn)入風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速稍微增加，風(fēng)力機(jī)所產(chǎn)生的電能就會(huì)大幅增加。如果我們可以通過利用風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)或地形周圍的流體動(dòng)力學(xué)特性來提高風(fēng)速，即如果我們能夠局部集中風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)的功率輸出可以大大增加。雖然迄今為止有一些關(guān)于風(fēng)力機(jī)收集風(fēng)能的研究[1-7]，但通常這不是一個(gè)具有吸引力的課題。Gilbert等人[2]，Gilbert和Foreman[3]，Igra[4]及其他一些人在1980年左右開展了一項(xiàng)獨(dú)特的研究，這項(xiàng)研究是關(guān)于擴(kuò)散放大器型風(fēng)力機(jī)（DAWT）的。在這些研究中，其內(nèi)容專注于將風(fēng)能集中于具有大開放角的擴(kuò)散器中。這種擴(kuò)散器采用了多個(gè)流動(dòng)槽控制的邊界層來實(shí)現(xiàn)氣流沿?cái)U(kuò)散器的內(nèi)表面流動(dòng)。因此，邊界層控制法通過流動(dòng)分離防止了壓力損失，并增加了擴(kuò)散器內(nèi)部的質(zhì)量流?；谶@種理念，位于新西蘭的一個(gè)團(tuán)隊(duì)[5，6]開發(fā)了Vortec7擴(kuò)散放大器型風(fēng)力機(jī)。他們使用一種多溝槽擴(kuò)散器防止氣流在擴(kuò)散器內(nèi)部分離。Bet和Grassmann[7]開發(fā)了一種帶護(hù)罩的風(fēng)力機(jī)，這種護(hù)罩帶有翼型環(huán)形結(jié)構(gòu)。據(jù)報(bào)道，與葉片裸露的風(fēng)力機(jī)相比，他們的擴(kuò)散放大器型風(fēng)力機(jī)的葉片翼型系統(tǒng)的輸出功率增加了2倍。雖然到目前也還報(bào)道了一些其他的想法，但它們中的大多數(shù)還沒達(dá)到商業(yè)化的程度。近期，關(guān)于高輸出風(fēng)能系統(tǒng)開發(fā)的研究，旨在確定如何有效地收集風(fēng)能，以及什么樣的風(fēng)力機(jī)能從風(fēng)中高效地產(chǎn)出能量。這顯示出人們有希望以更有效的方式來利用風(fēng)28風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)28能。在目前的研究中，一種加速風(fēng)的概念被稱為聚風(fēng)環(huán)技術(shù)。為此，發(fā)展出了一種擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)，它可以收集并加速在它周圍的風(fēng)。換句話說，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種擴(kuò)散器護(hù)罩。這個(gè)護(hù)罩具有一個(gè)巨大的邊緣，它能夠?qū)⒏浇L(fēng)的風(fēng)速大幅度地增加。這是由于它利用了多種流體特性，例如利用渦流的形成產(chǎn)生低壓區(qū)，通過渦流的流體卷吸等。具有這種邊沿的擴(kuò)散器可以影響它外側(cè)或內(nèi)部的氣流。雖然它所采用的擴(kuò)散器形狀結(jié)構(gòu)與其他風(fēng)力機(jī)相似[1-7]圍繞于風(fēng)力機(jī)周圍，但它區(qū)別于其他結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在其擴(kuò)散器護(hù)罩的出口處有一個(gè)巨大的邊緣。此外，我們將風(fēng)力機(jī)放置在裝配有邊緣的擴(kuò)散器護(hù)罩內(nèi)部，并且評(píng)估其產(chǎn)生的能量輸出。其結(jié)果是，在給定了風(fēng)力機(jī)直徑和風(fēng)速等重要的條件下，裝有邊緣擴(kuò)散器護(hù)罩并被其所覆蓋的風(fēng)力機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)的微型風(fēng)力機(jī)相比，其功率增加了約4～5倍。22 風(fēng)力收集加速裝置的開發(fā)（具有邊緣的擴(kuò)散器護(hù)罩，被稱為“聚風(fēng)環(huán)”）另外，對(duì)于中小型風(fēng)力機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，我們一直在開發(fā)一種緊湊型的帶邊緣的擴(kuò)散器。擴(kuò)散器護(hù)罩和這種邊緣結(jié)構(gòu)的組合很大程度上是由一個(gè)長擴(kuò)散器和一個(gè)大的邊緣結(jié)構(gòu)改進(jìn)而成。與其他風(fēng)輪裸露的風(fēng)力機(jī)相比，這種緊湊的聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)”其功率增22 風(fēng)力收集加速裝置的開發(fā)（具有邊緣的擴(kuò)散器護(hù)罩，被稱為“聚風(fēng)環(huán)”）2.1選擇擴(kuò)散器型結(jié)構(gòu)作為基本形式日本九州大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所的大型邊界層風(fēng)洞在研究中被應(yīng)用。它具有15m長×6m寬2m高的測(cè)量部分，其最大風(fēng)速為30m/s。在這里測(cè)試了兩種中空結(jié)構(gòu)模型，一種是噴嘴類型，另一種是擴(kuò)散器類型（見圖21）。中空結(jié)構(gòu)模型中沿中軸線的風(fēng)速U和靜態(tài)壓力P的分布是利用Ⅰ型熱絲法和靜壓管測(cè)量的。在使用大型中空結(jié)構(gòu)模型的情況下，應(yīng)注意風(fēng)洞中的堵塞效應(yīng)，我們?cè)跍y(cè)量部分的中心拆除了天花板和6m長的兩側(cè)壁。也就是說，我們使用了風(fēng)洞的開放式試驗(yàn)段，以避免堵塞效應(yīng)。使用了煙線技術(shù)來對(duì)氣流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行顯示。圖2-1兩種類型的中空結(jié)構(gòu)一原書此處為“WindLens”?！癢indlens”常見到的有兩種譯法：“聚風(fēng)環(huán)”和“風(fēng)透鏡”。譯者認(rèn)為前者更加形象。———譯者注29第2章使用聚風(fēng)環(huán)技術(shù)的高功率輸出風(fēng)力機(jī)29實(shí)驗(yàn)表明擴(kuò)散器形狀的結(jié)構(gòu)可以在它的入口處對(duì)風(fēng)進(jìn)行加速如圖22所示[810。其原因可通過流動(dòng)顯示來說明，23所示。23顯示了在噴嘴和擴(kuò)散器模型內(nèi)部和外部的氣流氣流方向是從左向右顯然23a中風(fēng)趨向于避開噴嘴型模型，而當(dāng)風(fēng)流過擴(kuò)散器型模型時(shí)，它是被吸入的，如同在圖23b中所看到的那樣。圖2-2中空結(jié)構(gòu)中軸的風(fēng)速分布，L/D=7.7。噴嘴和擴(kuò)散器這兩種空心結(jié)構(gòu)模型的面積比（出口面積/入口面積）分別是1/4和4圖2-3噴嘴型和擴(kuò)散器型模型周圍的氣流。L/D=7.7。煙霧流從左向右2.2.2 形成渦流的環(huán)形板（被稱為邊緣”）的思想如果我們使用長擴(kuò)散器，進(jìn)入其中的風(fēng)會(huì)被進(jìn)一步加速，會(huì)比擴(kuò)散器入口處的風(fēng)速更高。然而，在實(shí)際意義上，較長的笨重結(jié)構(gòu)是不可取的。那么，我們就在短擴(kuò)散器的30風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)30出口外圍增加一個(gè)稱為“邊緣”的環(huán)形板。在環(huán)形板的后方會(huì)形成渦流并且會(huì)在擴(kuò)散器的后面生成一個(gè)低壓區(qū)，如圖2-4所示。因此，風(fēng)流入一個(gè)低壓區(qū)，風(fēng)速會(huì)比在擴(kuò)散器入口附近進(jìn)一步增加。圖2-5說明了氣流流動(dòng)的原理。這種風(fēng)力機(jī)被裝有邊緣的擴(kuò)散器所籠罩。我們稱其為“聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)”。接下來，我們?yōu)槿肟谔幪砑右粋€(gè)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，使擴(kuò)散器的入口具有一個(gè)邊緣。我們稱它為護(hù)罩入口。護(hù)罩入口使風(fēng)可以容易地進(jìn)入擴(kuò)散器。從整體上看，這種采集風(fēng)的加速裝置是由帶邊緣的文氏管結(jié)構(gòu)組合而成[8-10]。圖2-4具有邊緣的圓形擴(kuò)散器模型圍繞的氣流。煙霧從左向右流動(dòng)。L/D=1.5。圓形擴(kuò)散器的面積比μ（出口面積/入口面積）為1.44。馮卡門旋渦在邊緣的后面形成至于其他參數(shù)，我們研究了開度角、輪轂比和中心體長度[1012。之后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)擴(kuò)散器邊緣的最佳形狀[10。此外，我們現(xiàn)在正在研究風(fēng)力機(jī)的葉片形狀，以便能獲得更高的功率輸出。正如圖26所闡釋的那樣當(dāng)具有邊緣的擴(kuò)散器被應(yīng)用時(shí)（也可參見圖27），其輸出功率的功率因數(shù)（CwP/5ρAU3，P為輸出功率，A為風(fēng)力機(jī)葉片掃掠面積）顯著增加?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)在使用了這種裝置后，其輸出功率因數(shù)的增幅接近4～5倍。Inoue等人給出了目前這種聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)的簡單理論[13]。其

圖2-5具有邊緣擴(kuò)散器（聚風(fēng)環(huán)）的風(fēng)力機(jī)周圍的氣流輸出性能由兩個(gè)因素所決定，即擴(kuò)散器護(hù)罩的壓力系數(shù)和其后的基本壓力系數(shù)。31第2章使用聚風(fēng)環(huán)技術(shù)的高功率輸出風(fēng)力機(jī)31圖2-6使用聚風(fēng)環(huán)的500W風(fēng)力機(jī)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)2.3 一種具有邊緣擴(kuò)散器護(hù)罩的風(fēng)力機(jī)的特性圖2-7所示為配備有邊緣擴(kuò)散器護(hù)罩的風(fēng)力機(jī)原型（額定功率為500W，風(fēng)輪直徑為0.7m）。該模型擴(kuò)散器的長度是其喉部直徑D的1.47倍（Lt=1.47D，關(guān)于Lt見圖2-8）。邊緣寬度是h=0.5D。對(duì)于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，一些數(shù)據(jù)明顯大于“風(fēng)洞曲線”；這是因?yàn)楝F(xiàn)場風(fēng)速（方差分量）的波動(dòng)要比在有著恒定風(fēng)速的風(fēng)洞中的波動(dòng)量要大。這種裝備了邊緣擴(kuò)散器護(hù)罩的風(fēng)力機(jī)具有以下重要特征。由于利用聚風(fēng)環(huán)技術(shù)”集中了風(fēng)能，這種風(fēng)力機(jī)的輸出功率比傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)要增加4～5倍。邊緣結(jié)構(gòu)基于偏航控制。這種位于擴(kuò)散器出口的邊緣結(jié)構(gòu)使得裝有邊緣擴(kuò)散器的風(fēng)力機(jī)，像風(fēng)向標(biāo)一樣可以隨風(fēng)向的改變而轉(zhuǎn)向。最終，使得風(fēng)力機(jī)可以自動(dòng)面向風(fēng)。風(fēng)力機(jī)噪聲顯著減小?；旧?，在低葉尖速度比時(shí)，所選擇的風(fēng)力機(jī)葉片的翼型截面能提供最佳性

圖2-7500W聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)（風(fēng)輪直徑為0.7m）32風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)32能。由于受到擴(kuò)散器護(hù)罩內(nèi)部邊界層的干擾，在葉尖產(chǎn)生的渦流被極大地抑制，所以氣動(dòng)噪聲大大地降低了[14]。在改進(jìn)的安全性方面，風(fēng)力機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，被一個(gè)結(jié)構(gòu)所覆蓋，并且能防止風(fēng)力機(jī)被破碎的葉片所損壞。至于缺點(diǎn)，那就是風(fēng)力機(jī)的風(fēng)載荷和它的結(jié)構(gòu)重量增加了。223 覆蓋風(fēng)力機(jī)具有邊緣的緊湊型擴(kuò)散器的開發(fā)對(duì)于小型和中型風(fēng)力機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，我們已經(jīng)開發(fā)出了一種緊湊型的邊緣擴(kuò)散器。對(duì)于500W的聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)，邊緣擴(kuò)散器的長度Lt是147D，并且作為風(fēng)的收集的加速結(jié)構(gòu)相對(duì)來說它是較長的（關(guān)于Lt，見圖28）。如果我們將這種邊緣擴(kuò)散器應(yīng)用于更大型的風(fēng)力機(jī)中，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷和這種結(jié)構(gòu)的重量將變成非常嚴(yán)重的問題。因此，為克服上面所提到的問題，我們提出了一種非常緊湊的風(fēng)力收集與加速結(jié)構(gòu)（緊湊型邊緣擴(kuò)散器），長度LtD相比較短，Lt04D。我們?cè)谝粋€(gè)相對(duì)較短的范圍內(nèi)制造了一對(duì)邊緣擴(kuò)散器，其長度為Lt01～04D。我們對(duì)具有緊湊型邊緣擴(kuò)散器的聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)在風(fēng)洞試驗(yàn)中測(cè)試了其性能，并且對(duì)500kW原型機(jī)模型實(shí)施了現(xiàn)場測(cè)試。圖2-8聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)的原理圖33第2章使用聚風(fēng)環(huán)技術(shù)的高功率輸出風(fēng)力機(jī)332.3.1 緊湊型聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)輸出性能測(cè)試的試驗(yàn)方法對(duì)于現(xiàn)在這個(gè)試驗(yàn)中的擴(kuò)散器尺寸，其喉部直徑D是1020mm，風(fēng)輪直徑為1000mm。圖2-8所示為緊湊型聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)的示意圖。我們制造了4種類型的擴(kuò)散器，稱之為A型、B型、C型和S型，它們各有不同的截面形狀，如圖2-9所示。表2-1顯示了長度比例Lt/D和每個(gè)擴(kuò)散器模型的出口面積/喉部面積的面積比μ。所有的擴(kuò)散器模型顯示出Lt/D幾乎相同，但是μ各有不同。對(duì)于S型擴(kuò)散器，它如同500W原型機(jī)具有一個(gè)直線的截面形狀。其他的類型A～C，采用了曲線型的截面。這里，輪轂比Dh/D是13%，并且葉尖間隙是10mm。圖29聚風(fēng)環(huán)的截面形狀21聚風(fēng)環(huán)形狀的參數(shù)擴(kuò)散器 原型 Aii Bii Cii SiiLt/D 1.470 0.225 0.221 0.221 0.225μ 2.345 1.1173 1.288 1.294 1.119至于實(shí)驗(yàn)方法，是將轉(zhuǎn)矩傳感器（額定值是10N·m）連接到風(fēng)力機(jī)及其后部，并且設(shè)置了交流轉(zhuǎn)矩電機(jī)制動(dòng)器。在風(fēng)力機(jī)的負(fù)載從零開始逐漸增加的情況下，我們測(cè)量了風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩Q（N·m）和轉(zhuǎn)速n（Hz）。對(duì)功率輸出P（W）=2πnQ的計(jì)算是通過性能曲線來表現(xiàn)的。由緊湊型邊緣擴(kuò)散器所覆蓋的風(fēng)力機(jī)模型被測(cè)試臺(tái)上長的直桿支撐。這個(gè)測(cè)試臺(tái)放置于風(fēng)向下方，并且由轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和交流轉(zhuǎn)矩電機(jī)制動(dòng)器組成，如圖2-10所示。接近風(fēng)速Uo為8m/s。2.3.2 作為聚風(fēng)環(huán)的緊湊型邊緣擴(kuò)散器形狀的選擇211所示為使用了Aii、Bii、Cii和Sii四種緊湊型號(hào)擴(kuò)散器護(hù)罩的風(fēng)力機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。邊緣結(jié)構(gòu)的高度是10，也就是說，h01D。橫軸表示葉尖速度比λωr/Uo，這里的ω是角頻率，ω2πn，r是風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑（r058m）?？v軸表示功率系數(shù)Cw∞（P/（05ρU3A），A是風(fēng)輪掃掠面積，為πr2）。具有特殊翼型設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)采用三葉片設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致最佳葉尖速度比約為40。如圖211所示，當(dāng)應(yīng)用了緊湊型邊緣擴(kuò)散∞34風(fēng)力機(jī)技術(shù)及其設(shè)計(jì)34圖2-10風(fēng)洞中聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)輸出性能的測(cè)試器，我們成功地讓輸出功率系數(shù)大幅度提高。其功率系數(shù)約達(dá)到葉片裸露風(fēng)力機(jī)的9～24倍。也就是說，對(duì)于葉片裸露的風(fēng)力機(jī)，Cw037，另一方面，對(duì)于具有緊湊型邊緣擴(kuò)散器的風(fēng)力機(jī)，Cw07～088。211中顯示的試驗(yàn)結(jié)果，是在風(fēng)力機(jī)具有相同的風(fēng)速和掃掠面積的情況下得到的。圖2-11不同聚風(fēng)環(huán)風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)Cw與葉尖速度比λ=ωr/Uo的關(guān)系。邊緣高度為10%，也就是h=0.1D35第2章使用聚風(fēng)環(huán)技術(shù)的高功率輸出風(fēng)力機(jī)35首先，我們比較圖2-11中的Aii型和Sii型。這兩種類型都具有相同的掃掠面積比μ。Aii的Cw要比Sii的更大。這意味著，曲線形截面要比直線形的更好。此外，注意到Bii和Cii型比Aii型顯示出更高的Cw。這意味著如果邊界層氣流沿?cái)U(kuò)散器曲線型的內(nèi)壁流動(dòng)就不能顯示出大的分離。