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目录
1 我国发展风能的优势及趋势 1
2 风机概述 2
2.1风机类型 2
2.2风机的结构和组成 2
3 大功率水平轴风机意义 3
4 国内外风机发展技术的现状 4
4.1国内风机技术现状 4
4.2风机技术现状 4
5 机叶片设计的理论基础 5
5.1考虑因素 5
5.2理论设计方法 5
6 主风向确定 6
7 风轮的计算 8
7.1计算额定风速 8
7.2风轮扫掠面积 8
7.3风轮直径 10
7.4单个叶片的面积 10
7.5风轮转速n的计算及增速比i的确定 10
7.5.1风轮转速n的计算 10
7.5.2增速比i的确定 11
7.5.3风轮叶片具体尺寸的确定 11
7.5.4 ri的取值 12
7.5.5叶片形状参数Cc值的确定 12
7.5.6 升力系数CL的确定 14
7.5.7不同ri处弦长计算 15
7.5.8单个叶片面积 15
8.翼型尺寸的确定 17
8.1单位翼型数据 17
8.2单位翼型参数 17
9.总结 31
9.1翼型弦长数据 31
9.2叶片不同半径处的翼型图 31
致谢 32
参考资料 33

1 我国发展风能的优势及趋势
风力发电是指把风的动能转为电能，相比传统火力发电污染更小，经过多年发展，伴随风电机组大型化及技术进步，带来风电整体造价阶梯式下降，经济效益突出；作为绿色清洁能源，风力发电已成为近年来发展最快的可再生能源之一。
整体看来，风电行业具备以下趋势:
（1）我国风能资源储备丰富，供应和需求呈逆向分布。我国陆地风能资源丰富地区主要集中在东北、华北、西北地区（简称“三北地区”），范围涵盖东北三省、内蒙古大部、华北北部、甘肃西部（酒泉）、新疆北部和东部等。从海上风能资源看，海上风能资源主要分布在我国的东南沿海，其中以中国台湾海峡的风能资源最为丰富。我国风能资源较好的三北地区，电力负荷较小，而用电负荷较大的中东部和南方地区风能资源较为欠缺，造成了供给和需求逆向分布的情况，对我国风电电能调配、电网建设、电力输送提出了较高的要求。
（2）风电装机规模持续增长。我国风电行业始于20世纪50年代后期，自我国第一座并网运行的风电场于1986年在山东荣成建成后，风电场建设经历了探索、快速发展、调整及稳步增长各阶段。伴随着2006年《中华人民共和国可再生能源法》的实施以及《电网企业全额
收购可再生能源电量监管办法》《可再生能源发电全额保障性收购管理办法》等各项配套制度的不断完善，我国风电进入高速发展，到2010年我国风电新增装机容量超过18.9GW，以占全球新增装机48%的份额领跑全球风电市场，风电累计装机容量首次超过美国，跃居世界第一。
（3）“十四五”时期风电装机布局侧重点明显，大基地建设为装机主力。风电装机布局侧重点明显，9大清洁能源基地和5大海上风电基地将成“十四五”时期的装机主力，大型清洁能源基地主要分布于“三北”和西部地区，国家能源局按照统筹规划、突出重点、生态优先、目标导向、保障消纳的原则，明确了第一批约1亿千瓦大型风电光伏基地项目50个。这些项目以风光资源为依托、以区域电网为支撑、以输电通道为牵引、以高效消纳为目标，统筹风光资源禀赋和消纳条件，重点利用沙漠、戈壁、荒漠地区土地资源，通过板上发电、板下种植、治沙改土、资源综合利用等发展模式，实现生态效益、经济效益、减碳效益等多重效益，在促进我国能源绿色低碳转型发展的同时，能够有效带动产业发展、地方经济发展。第二批基地项目工作也在陆续开展中。其次，“十四五”期间实施“千乡万村驭风计划”，分散式风电布局突出。分散式风电项目一般位于负荷中心附近，不以大规模远距离输送电力为目的，所产生的电力可以自用，也可上网且在配电系统平衡调节。伴随着我国低速风机技术进步，中东南部具有消纳优势明显的低风速资源区域已具备开发条件，可实现就地生产就地消纳，可供开发资源潜力在10亿千瓦以上。同时，因国内早期开发的风电项目机组额定风速高、单位千瓦扫风面积较小、风能利用率较低，随着宁夏老旧风场“以大代小”率先试点，未来将在风能资源优质地区有序实施老旧风电场升级改造。

2 风机概述

2.1风机类型
目前用于风力发电的风机按风轮结构和在气流中的位置主要分为两种:一种是水平轴风机,一种是垂直轴风机,两种风机相比各有各的特点。
2.2风机的结构和组成
风力发电机组主要由叶轮、传动系统、偏航系统、控制系统、发电机、机舱、塔架与根底组成。
叶轮是由叶片和轮毂组成,其功能是将风能转换为机械能。其中,叶片是风机的关键部件之一,其主要作用是将风能转化为机械能,其良好的设计、 可靠的质量和优越的性能是保证风机正常稳定运行的决定因素。
传动系统一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和制动器等。
偏航系统的功能是跟踪风向变化,驱动机舱围绕塔架中心线旋转,使风轮扫掠面与风向保持垂直。
控制系统是风机在各种自然条件与工况下正常运行的保障,包括调速、调向和安全控制。
发电机是将风轮的机械能转换为电能。机舱由底盘和机舱罩组成,底盘上
安装除了控制器以外的主要部件。
塔架支撑叶轮达到所需要的高度,它除了要承受风机的重力外,还要承受吹向风机和塔架的风压,以与风机运行的动载荷。根底为钢筋混凝土结构,其中心位置与塔架连接在一起,保证风力发电机组牢结实定在根底上。
风力发电机是一种将风的动能转换为电能的设备，其结构和组成包括多个关键部分，具体如下：
叶片。叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶片的设计和材料选择对风力发电机的性能和效率至关重要。
轮毂。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力都通过轮毂传递到传动系统，再传到风机驱动的对象。
塔架。塔架用于支撑风力发电机的其他部分，包括机舱及转子。塔架的高度和结构对风力发电机捕获风能的能力有重要影响。
发电机。发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。发电机的设计和性能直接影响到风力发电机的输出功率和效率。
变速箱。变速箱用于将叶轮的转速提高到发电机额定转速，以提高发电效率。变速箱的设计和性能对风力发电机的整体效率有重要影响。
偏航系统。偏航系统使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。
控制系统。控制系统对机组进行监控和控制，包括风速声测仪、角度传感器、转速传感器、温度传感器等各种传感器，通过数据采集、数据处理等功能，对风力发电机进行远程监控和自动控制。
基础。基础是风力发电机所依托的部分，它的作用是将整个风力发电机拥有更加牢固的支撑架构。
此外，风力发电机还包括变浆系统、刹车装置、冷却系统、风速仪、风向标等部件，这些部件共同协作，确保风力发电机能够高效、安全地运行。
3 大功率水平轴风机意义
大型水平轴风机因其技术特点突出,特别是具有风能利用率高、机构紧凑等方面的优势,已经成为当前风机开展的主要方向。因为传统垂直轴风机自启动性能差、主轴易引起谐振、刹车制动难度大、效率低、并网困难等缺点,相较于垂直轴风机而言,水平轴风机的技术相对成熟,升力型叶片尖速比高，叶片转速快，能直接与电机共轴旋转，可减少动能传输过程中的损失。技术比较成熟，经多年实践考验，其制造、安装、维护等已形成完整配套服务体系。所以,水平轴风机已经形成了大规模商业化生产。大功率水平轴风机的开展意义在于促进可持续发展，减少空气污染，提升全球气候和环境的质量，为提高能源安全和经济效益作出贡献。
大功率水平轴风机的应用和推广，主要基于以下几个方面的考虑：
节能减排：风力发电作为一种可再生、清洁的能源，与传统的化石能源发电相比，几乎不产生二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等大气污染物，不会污染水源和土壤。因此，风力发电的广泛应用可以显著减少空气污染和碳排放，保护生态环境，适应低碳经济的需要，推动全球应对气候变化的行动。
提高能源安全性：由于石油、煤等矿物能源的可持续性受到限制，风力发电可以作为一种利用本地自然资源实现能源多样化和本地化的方法。风力发电的建设、运营和维护需要国内人员、物资和设备的投入，有利于提高国内的能源安全，降低对外能源的依赖。
经济效益：尽管风力发电站的正常运营面临一些问题，但根据国内外的经验和统计数据，风电的投资回报周期普遍较短。越来越多的地方也将之作为开发清洁能源的推动力，努力扩大交通和经济发展的范围。
推动科技创新：风力发电作为新兴产业，涉及到多个学科的知识，例如机械、电子、计算机等，需要多领域的精英集成创新，推动技术的变革，增强技术的成熟度和竞争力，为推动整个清洁能源产业链的发展作出贡献。
综上所述，大功率水平轴风机的开展不仅对环境保护和气候变化应对具有重要意义，同时也对提高能源安全、促进经济发展和推动科技创新有着不可忽视的作用。

4 国内外风机发展技术的现状
4.1国内风机技术现状
2005年之前,国内只能制造600千瓦以下发电设备,零部件配套能力也很差,关键部件依赖进口,750千瓦以上风机全部依赖进口。2005年《可再生能源法》颁布之后,在政策激励和市场拉动的双重作用下,风电设备制造和设计技术加速开展,开始形成自主制造能力,2005年750千瓦的国产风机问世,成为2006年、2007年的主流机型。2006年1.5兆瓦的国产风机问世,2007年开始大批量供给国内市场.
2007年底,2兆瓦的风电设备开始下线调试,2008年开始批量供给市场。目前,我国虽然制造出兆瓦级的风机,但是从根本上来说我们还没有自主设计开发的能力。而自主设计开发对我国风电事业的长期开展是非常重要的,它不仅可以使我们摆脱从国外进口风机的局面,而且可以从根本.上解决我国的风机行业的“瓶颈”问题,促进我国风电行业快速开展。
4.2风机技术现状
国外风电企业起步较早,上世纪末,风电机组主流机型是750千瓦,到2002年主流机型已经达到1.5兆瓦以上。2003年全球安装的风电机组平均单机容量达到1.2兆瓦,美国已经研制成功7兆瓦风机,而英国正在研制10兆瓦
的巨型风机。随着机组大型化的开展,兆瓦级以上的机组技术普遍采用了变桨距和变速恒频的先进技术。欧洲是全世界风力发电开展速度最快、装机容量最多的地区。国外建立了完善的风力发电机组设计、制造和监控体系,在风力发电机组运行、维护和管理方面积累了丰富的经验,大型风力发电机组质量、运行可靠性和效率都处于领先地位。风力发电技术现状体现了人类对自然世界的不懈探索及对创造革新的不断追求，驱动着科学技术的持续发展，为全球经济价值带来巨大增长。风能作为一种清洁可再生能源，在新能源发电中扮演着重要的角色。风力发电技术的进步不仅体现在风力发电机组的电气控制实现上，而且在全球范围内迈入了飞速进步的推广时期。近年来，风力发电机的尺寸和功率都有显著提升，海上风机的单机功率已达到16兆瓦，而陆地上最大的风机单机功率约为10兆瓦。这种技术进步得益于材料科学的发展，如叶片全采用碳纤维材料，使得叶片重量减轻，同时提高了发电效率。
全球最大的风力发电机，如GWH252-16MW，位于中国福建平潭的海域，由中国三峡集团与金风科技联合完成并网。这台发电机组的技术完全由中国自主掌握，材料国产化率达96%。其叶片每转一周可发电34.2度电，年发电量可达6600万度，足够供应一个10万人口小镇的用电需求。这一成就标志着中国在风能领域的全球领先地位，同时也面临着如何平衡发展与生态保护的问题，如对鸟类和海洋生态的影响，以及建造过程中化石燃料消耗的考量。
总的来说，风力发电技术的现状呈现出快速发展的态势，不仅在技术上实现了重大突破，而且在全球能源结构中的占比也在逐步增加。尽管面临生态和环境挑战，但风力发电作为清洁能源的重要来源，对于减少对环境的负面影响和推动可持续发展具有重要意义。

5 机叶片设计的理论基础
5.1考虑因素
风机叶轮的实际功率为

其中：

(λA,z)为实际功率系数。它与设计尖速比λ叶型生阻比ε=CA/CM和叶片数目z相关。图6.25表示功率系数Cp.real与设计叶尖速比λA的关系,叶型其中叶型生阻比ε=CA/CM和叶片数目z作为参数示出。从中可以看出旋转损失、叶型损失和叶尖损失对功率获取的影响。
确定了设计尖速比λA之后,就可以按照Schmitz理论计算叶片弦长t®和迎风角α®。安装叶片角：
Ban=2/3 arctan R/rλA-αA
前面的理论没有给出确定叶片数目Z的原则、z在其中是一个弱参数,只影响叶片损失。叶片数目Z由叶片工艺、强度和振动因素来确定。例如,从功率获取的角度出发,选择2个叶片也可以达到目标,且可节约成本。但2个叶片风机的震动出现问题突出,3个叶片则是更好的选择。另外,考虑到强度要求,沿着叶片展长可选不同的叶型。叶尖部分选用生阻比高的薄叶型,中部选用较厚一些的叶型,在根部则用的更厚的叶型,叶根处的叶型损失较小,但叶根的厚叶型保证了足够的抗弯的截面矩。升力系数CA也不必沿着叶片展长为常数,甚至可以选择沿叶片展长变化,使叶片弦长t®随展长线性变化。

图5-1 不同半径处的叶型截面

5.2理论设计方法

风机作为一种流体机械,用无量纲参数功率系数C、推力系数C、和力矩系数C来表征。要使两种大小不同的风机具有相同的特征参数,风机的气动关系必须相同。借助相似理论,可以采用如下方式达到这一目标:
(1)叶尖速比不变,即风机叶尖切向速度与风速比λ=RΩ/u1不变。
(2)叶型、叶片数目和材料相同。
(3)所有尺寸以相同比变化(半径、叶片弦长、主梁的尺寸)。

6 主风向确定
根据任务书测风数据如下表所示。
表6-1测风数据表据表

据测风数据对风向频率、平均风速、和风能频率进行统计,列入下表:
表6-2风向频率、平均风速、和风能频率统计表

根据上述数据绘制风向频率玫瑰图、平均风速玫瑰图、风能玫瑰图如下所示:
根据表6-1中的频率列,可绘制出风向频率玫瑰图。

图6-1风向频率玫瑰图
根据表6-1平均风速列,可绘制出平均风速玫瑰图。

图6-2平均风速玫瑰图
根据表6-1风能频率列,可绘制出风能玫瑰图。

图6-3风能玫瑰图
由上述三种风玫瑰图可知当地风速分布以及风向分布频率,可见,南风为该地主风向。

7 风轮的计算
7.1计算额定风速

风机的有效功率N(W)可由下式求得
N=KCaCtS V³η
式中
K单位换算系数
C一空气高度密度换算系数,它是指不同海拔高度空气密度的修正值
Ct一空气湿度密度修正系数,温度不同时空气密度也不同
S一风轮叶片扫掠面积m/s
η一风机全效率。风机的全效率一般取
η=25%_{50%。低速风机取小值,1}3叶片高速风机取大值;一般设计时
高速风机取30%~50%
把风速数据代入到风速平均值的计算公式中,可得:

=(8.16+9.8+5.66+5.08+5.08+5.47+6.34+7.72+6.58+3.11+2.46+1.82+3.6+5.66+4.76

+4.95+6.89+5.15+2.57+3.19+3+3.33+6+5+4)÷25
=5.0136(m/s)
V=1.5Vm=1.5×5.0136=7.5024(m/s)
7.2风轮扫掠面积

风轮扫掠的面积为:

其中Ne-风机有效功率 Ne: 为原始材料可知
Ne=700(W)

k单位换算系数,根据表7-1选择本设计功率采用瓦(W)风速单位采用m/s
K取值为0.6127
Ca,Ct空气高度密度换算系数和空气湿度密度换算系数;
根据表7-2取值根据本设计的原始材料,海拔高度3000m, 由表7-2

可得Ca=0.691
当地常年平均温度为5℃

查表7-2可得Ct=1.038
V–年平均风速7.5024(m/s)
η一一风力发电机的全效率由原始材料可知(η=15%)
表7-1功率换算系数

表7-2空气密度修正系数Ca、Ct值

表7-3设计风力发电机初估全效率取值表

将上述数据代入风轮扫掠面积计算公式,可得:

7.3风轮直径
根据已计算出的风轮的扫掠面积计算出风轮直径:

叶尖速比简称叶速比,叶尖速比与风速比成正比,低俗风轮,λ取最小值;高速风轮,λ取最高值。已知原始材料,此风机尖速比取值6.
7.4单个叶片的面积
风机接受风能的效率,与叶片翼型、尖速比等因素有关,同时还与密实比有关。所谓密实比就是叶片本身的面积KS,与叶片扫掠面积S之比。
sy=Ks/k
式中 k-风轮叶片数取值

图7-1叶片密实度K与尖速比入关系曲线
K-密实比,如图7-1所示

sy=KS/k=25.15×0.05/3=0.42(m²)
7.5风轮转速n的计算及增速比i的确定
7.5.1风轮转速n的计算
风速转速n主要取决于风机的用途,主要取决于尖速比λ。尖速比λ越大则风轮机转速越高。风力发电机风轮叶片的尖速比常取5~7

式中 R—风轮半径 m
风轮转速:

7.5.2增速比i的确定
风轮接受风能转动,不可能通过风轮轴直接驱动发电机,因为目前发电机 多数为4、6、8级,它们同步转速为1500、1000、750 r/min, 与风轮转速相差太多所以采用增速器将低转速的风轮与高转速的发电机转速达到一致,相互配合。现在的交流或直流发电机转速越低其效率越低,但为了减小增速比,又往往选择转速低的发电机,以减少转速的传动比,减少齿轮,降低生产成本,增强可靠性。
增速比i由下式给出
i=nD/n=1500÷151.92=9.87
式中:
nD发电机转速,r/min
n风轮转速,r/min
7.5.3风轮叶片具体尺寸的确定
当叶片的长度确定后,风轮叶片的尺寸由翼型的种类、弦长的长短和扭脚的大小来确定。所以、确定叶片的尺寸,主要是如何计算出叶片在不同半径处的弦长及相应的扭角。
弦长的计算公式如下: