水平轴风轮的结构发展历程.docx

水平轴风轮的结构发展历程1．引言风轮是将风能转换为机械功的动力机械，又称风力机广义地说，它是一种 以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机许多世纪以来，它同水力 机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用近代 机电动力的广泛应用以及 20 世纪 50 年代中东油田的发现,使风力机的发展缓慢 下来70 年代初期,由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常 规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世 界的一个重要课题风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重 视2．水平轴风轮的结构水平轴风轮是指轴线的安装位置与水平面平行的风轮，多用于水平轴风力发 电机上，是现代水平轴风力发电机的重要组成部件，起着将风能转化为机械能的 作用风轮机主要组成部件有：叶轮，将风能转化为机械能；传动系统，将叶轮 的转速提升到发电机额定的转速；发电机，将叶轮获得的机械能在转化为电能； 偏航系统，使叶轮可靠的迎风转动并解缆；其它部件，如塔架，机舱等水平轴风轮按风轮位置可分上风向和下风向风轮上风向风轮安装在塔架前 面，有利于避免塔架背后塔影效应的影响。

上风向风轮需要有调向装置以便使风 平行流过旋转轴方向下风向风轮安装在塔架的后面，其最大的缺点是叶片通过 它应会造成风力波动，引起更大的疲劳载荷理论上，下风向风轮可以不安装调 向装置，风轮和机舱将被动的随着风向变化而变化然而这会引起陀螺载荷，且 当风轮在一个方向上偏航很长时间时，会妨碍电缆的解缆而造成绞缆而根据风轮的变速方式可讲风轮分为定桨风力机，变桨风力机定桨型风力 机主要是为了解决风力机并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网 技术、偏航与自动解缆技术等变桨距风力机具有可良好的启动和启动刹车性能， 并网后可将功率极限限制在额定的范围内主动失速型风力机是针对变桨风力机 的发展，通过变桨控制让叶片主动进入失速攻角，使风轮随着风速增大而效率下 降，从而使风轮保持在一定的额定转速下在不同时期水平轴风力机的结构上发展多是在如上结构上的增减或改进， 使用材料上的变化，逐步形成了现代风力机的结构样式3．水平轴风轮的发展风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，用于研磨谷物，后又发明了 水平轴风车13 世纪左右，风车由西亚传入欧洲风车传入欧洲后，15 世纪在 欧洲已得到广泛应用在荷兰，风车先用于莱茵河三角洲湖地汲水，以后用于榨 油和锯木。

荷兰人发明了水平轴风车荷兰风车有着不同的设计，从原先的杆形风车到后期只有顶端旋转并保持叶 片与风向垂直的风车，也就是早起的水平轴风车这种可以泵抽大量水的大型机 械直径达25m，几乎全用木头制造，甚至螺旋桨、阿基米德螺钉也是用木头制作 的，在空气动力学方面叶片也是非常精细的依靠一根系在木梁顶端的绳子，绞 车能够将风车的顶部从地面旋转上来，所以转子能与风向垂直1759 年，英国人 John Smeaton 在著名的荷兰风力磨坊上把效率提高到C=0.28这种风力磨坊一般有四只转动的叶片，有些风力磨坊设计选用五只、 p六只或八只叶片叶片用衡量和板条制成，上面绷紧一块帆布，帆布能够根据风 力大小或多或少的展开帆布随风力的大小伸展，改变了对能量转换起决定作用 的受风面积的大小，并且有效的保护了设备，避免了过高的功率消耗在 18 世纪中期，为了更好地进行功率限制，人们认识到了旋转叶片的重要 性，发明了“合页”式叶片叶轮合叶式叶片的运动部件像百叶窗，在弹簧的作 用下，“合页”停留在有效的动力学位置上，直到风压达到或超过一定值，“合页” 推开，起作用的风轮表面积明显减少在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱。

18到19世纪的欧洲， 有数十万台风力机在运行，主要用于谷物磨坊和提水灌溉当时在美国，成百万 的多页片式风力机用于泵水，风轮直径为3-6m,功率为500-1000W,其中的150000 台至今仍可见到由于叶片数量较多（根据直径大小，每个风轮可达到或超过 30 片叶片），多叶片风轮的转速相对较低，能产生较大的转矩，可以直接驱动活 塞泵进行泵水风轮后安装了尾翼，在尾翼的对风作用下，风轮的旋转平面可以 保持与风向垂直，使风轮正对风向后来随着煤炭、石油、天然气的大规模开采 和较低成本电力的获得，各种曾被广泛使用的风力机械，由于成本高、效率低、 使用不方便等因素，无法与内燃机、蒸汽机相竞争，逐渐被淘汰18 世纪末期以来，随着工业技术的发展，风车的结构和性能都有了很大提 高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速风力机用于发电的设想始于1890 年丹麦的一项风力发电计划而在美国， 由 Chasrles F.Brush ，风力发电技术研究的先驱者之一，1887-1888 年间，在俄 亥俄州克利夫兰市安装了被现代人认为是 第一台自动运行的且用于发电的风力 机这台风力机的功率为12KW,叶轮直径为17m,有144个由雪松木制成的叶片， 运行了约20年，发出的电充到他家地窖里的蓄电池中。

Chasrles F.Brush是美 国电力工业的奠基人之一丹麦的 Poul la Cour 于 1891 年制造了用来发电的风力机 Poul la Cour 是一名气象学家，同时也是现代风力发电机的先驱，他建立了第一个用于风力发 电试验的风洞，并发现叶片数少，转动较快的风力机在发电时比转速低的风力机 效率高得多他发明了 2 台实验风力机被安装在丹麦一所中学1920年至1930年，丹麦约有120个地方公用事业拥有风力发电机，单机容 量一般为20-35KW，总装机容量月3MW这些风电容量当时占丹麦电力消耗量的 3%丹麦对风力发电的重视度在随后的若干年逐渐减退，直到第二次世界大战期 间再次出现用电危机第一次世界大战后，制造飞机螺旋桨的先进技术和近代气体动力学理论，为 风轮叶片的设计创造了条件，于是出现了现代高速风力机在20世纪出的德国 产生了理论阵营引起的风力发电机发展的浪潮基于民用和军用螺旋桨的设计经 验，在航空机翼空气动力学的背景下，物理学家Albert Betz对风力机的物理和 气动性能做了严格的计算，并得出在理想条件下风力机最大的风能转化效率为 59.3%而关于风力机叶片的气动性能理论，直到现在都依然被证明是正确的。

1926年他把动量和能量定理与叶形升力理论相结合，建立了叶片最优设计理论 在稍作改进后，今天仍然以 Betz 理论作为叶片设计的基础德国人在1931年在USSR建立了第一个第一个大型的WIMED-30风力机，采 用三叶片风轮，桁架式塔身，风轮直径为30m，额定功率为100KW，额定风速为 10.5m/s，额定转速为30r/min，叶尖速比为4.5，叶片为变桨距控制，通过在一 个圆形轨道上移动机舱来进行偏航1940-1950年，在二次世界大战期间，丹麦工程公司F.L.Smidth安装了一 批两叶片和三叶片的风机丹麦风机制造商已经造出了两叶片的风机，所有这些 风机发的是直流电其中三叶片F.L.Smidth风机于1942年安装在Bobo岛，他 们看起来很像所谓的“丹麦概念式”风机，是风-柴系统中的一部份，给小岛供 电Johannes Juul 工程师是 Poul la Cour 1904年开办的“风电工程”培训班 的一名学生1950年，在丹麦的VesterEgesborg，他开发了世界上第一台交流 风力发电机在随后的很多年，这台风力发电机一直是世界上最大的交流风力发 电机这是一台三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步发电机时速调节型风 力机。

这种设计概念是现代风力发电机设计的先驱 JohannesJuul 发明了紧急 气动叶尖刹车，在风机过速时通过离心力释放1941年，美国建造了一台双叶片、风轮直径达53.3米的风力发电机，风力 机的速度和功率输出控制采用叶片液压系统实现，当风速为13.4米/秒时输出功 率达1250千瓦而由于叶片材料是钢材使得叶片较重，在运行期间一个叶片折 断，最后因缺少维修资金而被拆除英国在50年代建造了三台功率为100千瓦的风力发电机其中一台结构颇 为独特，它由一个26米高的空心塔和一个直径24.4米的翼尖开孔的风轮组成， 风轮的叶片是空心的空心叶片旋转时，离心力使叶片内的空气从轮毂流向叶尖 轮毂处于低压状态，将空气从塔身吸入，驱动装在塔身中的汽轮机和发电机主 要特点为：双活动连接空心叶片、自调向风轮、装有灵敏的功率控制系统，利用 液压伺服电动机的自动变桨距控制机构，可变锥角20世纪50年代，德国设计制造了在技术上领先于那个时代的风力机，并在 以后的20年里保持领先地位在转子上的叶片由玻璃纤维制成，所以质量很轻， 而且安装在一个带有桨距控制和圆锥的可转动轮毂上这也是现代风机的基本构 型20 世纪后期，小型风机得到了充分发展。

80 年代，一个名为 Christian Riisager的木匠，在自家的后院安装了一台小型的22KW风力发电机，以Gesder 风力计为设计基础，尽可能的采用便宜的标准部件（比如用一台电动机作为发电 机，把汽车的部件用做齿轮箱和机械刹车）Riisager的风力机在丹麦许多私人 家庭中成为成功的典范，也为丹麦的风力发电机制造商提供了设计灵感而后来， 欧洲的风力发电机的设计概念出现了多元化格局小型风带你设备制造商致力于 设备的系列化，通过风电机组按比例放大制造，保持着技术上的优势，而设计上 多采用三叶片的设计方案大型风机研究较晚，相对于中小型风机来说，制造中 加入了新的变形现代的风力机具有增强的抗风暴能力；风轮叶片广泛采用轻质材料；运用近 代航空气体动力学成就，使风能利用系数提高到0.45 左右；用微处理机控制， 使风力机保持在最佳运行状态：发展了风力机阵列系统；风轮结构形式多样化 具体以来说，各部件具有以下特点：机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机维护人员可以 通过风电机塔进入机舱机舱前端是风电机转子，即转子叶片和轴转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心在 600 千瓦级别的风电机上， 每个转子叶片的测量长度大约为 20 米；而在5 兆瓦级别的风电机上，叶片长度 可以达到近 60 米。

叶片的设计很类似飞机的机翼，制造材料却大不相同，多采 用纤维而不是轻型合金大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP）制造采 用碳纤维或芳族聚酰胺作为强化材料是另外一种选择，但这种叶片对大型风电机 是不经济的木材、环氧木材、或环氧木纤维合成物目前还没有在转子叶片市场 出现，尽管目前在这一领域已经有了发展钢及铝合金分别存在重量及金属疲劳 等问题，目前只用在小型风电机上实际上，转子叶片设计师通常将叶片最远端 的部分的横切面设计得类似于正统飞机的机翼但是叶片内端的厚轮廓，通常是 专门为风电机设计的为转子叶片选择轮廓涉及很多折衷的方面，诸如可靠的运 转与延时特性叶片的轮廓设计，即使在表面有污垢时，叶片也可以运转良好轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与变速齿轮箱连接在一起在一般的风 电机上，转子转速相当慢，大约为 19 至 30转每分钟轴中有用于液压系统的导 管，来激发空气动力闸的运行齿轮箱：齿轮箱连接低速轴和高速轴的变速装置，它可以将高速轴的转速提 高至低速轴的 50倍高速轴及其机械闸：高速轴以超过 1500 转/分钟运转，并驱动发电机它装 备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。

发电机：风电机发电机将机械能转化为电能风电机上的发电机与普通电网 上的发电设备相比，有所不同：风电机发电机需要在波动的机械能条件下运转 通常使用的风电机发电机是感应电机或异步发电机，最新的风电机已经开始使用 永磁同步发电机。