摘要：设计优良的叶轮是使风力发电机获得最大经济效益的基础。在风机设计时如何确定叶轮设计参数一直是风机设计研究的重要内容。为此必须在明确设计条件、设计规范的基础上，研究叶片设计参数的影响因素、参数确定方法和取值范围。风轮设计参数包括： 1）风轮叶片数B；2）风轮直径D；3）设计风速V1；4）风轮转速；5）尖速比；6）实度；7）其它：风轮锥角，风轮倾角等。根据风场实际，结合国内外设计资料，运用相关理论，采用对比、归纳、建模计算等方法，给出叶轮设计参数的工程确定方法与实例。 关键词：风力发电， 风机叶轮， 设计参数
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：
To do research for the design parameter of wind rotor in great power wind generator
Qugui Yangyong Wuxiaodan
(Department of Mechatronic Engineering，GuangDong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510635，China)
Abstract:Based on better designed wind turbine, better economic profit can be gained. In the course of designing wind turbine, it is the important part in designing research that how to make the parameter for wind turbines certain. Therefor we need being definitude concerning the condition and criterion, re.search.the influence factor of design parameter.1)The amount of blade B;2) The diameter of wind turbines D;3) designing wind speed V;4）Rotate speed of wind turbine;5)The ratio with blade tineand and wind speed;6)The ratio of acreage;7) the other parameter: cone angle , obliquity of wind turbine and so on. Bases the fact of the wind farm, link the designing datum , application of the concerned theory, the engineering method of designing wind turbine is confirmed with the contrast, epagoge and modeling calculation.
Keywords: wind power generating， wind rotor，design parameter
0 引言
要完成风力发电机的叶轮设计，必须首先确定叶轮设计参数。风轮设计参数包括：
1）风轮叶片数B；2）风轮直径D；3）设计风速V1；4）风轮转速；5）叶尖速比；6）实度比；7）其它：风轮锥角，风轮倾角等。结合国内外设计资料，运用相关理论，采用对比、归纳、建模计算等方法，可以得出叶轮设计参数的工程确定方法。
1 叶片数
叶片数目关系到叶轮风能利用状态和风电机成本，影响叶片数确定的相关因素如下：
1.1叶片数与气动性能的关系
对一个针对某一特定风速设计的风力发电机组，叶片数与叶片弦长和风轮转速之间的关系为[1]：
（1—1）
式中：—叶片数；—风轮转速；—风轮半径；—自由风速；—升力系数；—半径比；—弦长。从式（1-1）知，如果叶片数从3减到2，为保持升力系数不变，就必须增加弦长50%或增加转速22.5%，如果使用同样的叶片，则风轮的风轮利用系数会有较大的下降，如图1所示。
1.2载荷状态
据文献[1]研究， 考虑风轮和机舱所受的载荷，两叶片叶轮所受的主轴弯曲力矩、俯仰力矩、机舱偏航力矩均较三叶片叶轮大。
1.3成本因素
根据统计资料[2]，采用两叶片后，风轮成本下降21%；传动系统因为转速提高、扭矩下降而成本降低；基础因极限载荷减小而成本下降，与传动系合计成本下降约24%；但轮毂、主轴、机舱底座、偏航驱动装置、塔架因转速增加，疲劳载荷增大而成本提高约23%左右。因此，两项相抵消，风力机设备费用降低仅1%左右。
1.4运行噪声
叶片数减少后，叶尖线速度增加，噪声增大，在有噪声限制的地区，噪声dB值成为限制指标。一般三叶片叶轮在运行中比两叶片叶轮噪声低10—20dB[3]湿厕巾。
综合考虑上述相关因素，在进行大功率风电机叶轮叶片数选择时，可以由表1根据尖速比确
定叶片数。 表1叶尖速比与叶片数表
叶尖速比 | 叶片数目 | 风机类型 |
1 | 6～20 | 低速风机 |
2 | 4～12 |
3 | 3～8 | 中速风机 |
4 | 3～5 |
5～8 | 2～4 | 高速风机 |
8～15 | 1～2 |
| | |
综上所述，1.2MW风力发电机组选用三叶片方案。
2 额定风速
机组是在额定风速点达到额定功率的。为确定合理的额定风速值，需要解决一个涉及多方面因素的优化问题，其中风电机组效率和成本是优先考虑的因素。如果选取的额定风速值过高，风载加大，机组制造成本提高；同时机组在正常运行过程中很少达到额定功率，总
发电量达不到设计值，致使运行成本相对提高。设计中，应重点研究以下因素来确定额定风速。
2.1年平均风速与额定风速的关系
首先要根据当地风场的年平均风速范围，来确定叶轮额定风速。但由于设计产品的批量与地区针对性范围之间的矛盾，目前不能充分实现完全个性化设计制造。所以，只能面向一定区域和地形类型特征进行选择。国外对直径大于60m的机组研究结果[4]表明，在年平均风速6～9m/s的条件下，优化的额定风速与年平均风速的比值约为1.72～1.69，所以对应的最佳额定风速为10.3～15.5m/s。
2.2机组各部件重量与额定风速的关系
经对比分析知，机组中各部件的重量（成本）与额定风速的定性关系如表2所示。表中数据表明，占机组成本71.4%的部件的成本随着额定风速的提高而增加。因此，在可行的范围内，额定风速应该尽量取小值。
表2 风力发电机组各部件重量（成本）与额定风速关系表
重量与额定风速 无关的部件 | 重量与额定风速 呈正比的部件 | 重量与额定风速的平方呈正比的部件 | 重量与额定风速的 立方呈正比的部件 |
部 件 | 成本% | 部 件 | 成本% | 部 件 | 成本%js防水涂膜 | 部 件 | 成本% |
基础 | 3.13 | 叶片 | 13.33 | 刹车 | 1.58 | 发电机 | 16.67 |
电控 | 15.10 | 桨毂 | 9.90 | | | 并网装置 | 9.38 |
装配 | 3.13 | 机舱 | 2.81 | | | | |
运输 | 2.08 | 偏航 | 4.17 | | | | |
其他 | 5.21 | 塔架 | 13.54 | | | | |
合计 | 28.58 | 合计 | 43.77 | 合计 | 1.58 | 合计 | 26.07 |
总计 | 71.42 |
| | | | | | | |
综合上述因素，1.2 MW风电机，按69m中心高度年平均风速≤8.5m/s考虑，取额定风速值为12m/s。
3 叶轮直径
风轮直径选择时从三方面来考虑：
3.1根据额定功率估算公式[4]：
（3—1）
式中：—空气密度，取1.225 kg/ m3；—额定功率，1200kW；—额定风速，12m/s；—风能利用系数，一般取0.35—0.4；—机械效率，一般取0.95；—电气效率，一般取0.96；由式（3—1）可以算得风轮直径D≈62m。
3.2分析知，风轮的重量大致与风轮直径的三次方成正比。风轮吸收的功率与直径的平方成正比，但风轮直径增加后，塔架高度也应相应增加。因此根据“成本模型” [5]，在最小能量成本（费用/kWh/年）下，对应的风轮直径应为54～62m。
3.3调查资料显示，额定功率值/风轮扫掠面积的比值约为：405W/m2，由此也可算得D≈62m。
3.4根据对50种风电机的风轮扫掠面积和额定功率之间的数据统计，可以列出表3。并拟合出线性关系如图2所示。
表3风机额定功率与叶轮扫风面积统计数据表 |
序号 | 风机额定功率（KW） | 叶轮扫风面积（㎡) | 序号 | 风机额定功率（KW） | 叶轮扫风面积（㎡) |
1 | 150 | 300 | 26 | 蛇板500 | 1300 |
2 | 200 | 680 | 27 | 500 | 1450 |
3 | 220 | 600 | 28 | 500 | 1500 |
4 | 220 | 650 | 29 | 575 | 1250 |
5 | 220 | 700 | 30 | 600 | 1300 |
6 | 250 | 540 | 31 | 600 | 1350 |
7 | 250 | 620 | 32 | 600 | 1400 |
8 | 250 | 640 | 33数字调节器 | 600 | 1510 |
9 | 250 | 660 | 34 | 600 | 1700 |
10 | 250 | 700 | 35 | 600 | 1800 |
11 | 260 | 760 | 36 | 750 | 1480 |
12 | 300 | 700 | windows下刷bios37 | 750 | 1520 |
13 | 300 | 750 | 38 | 750 | 1700 |
14 | 300 | 800 | 39 | 750 | 2000 |
15 | 300 | 810 | 40 | 800 | 2150 |
16 | 320 | 800 | 41 | 1000 | 2150 |
17 | 350 | 820 | 42 | 1000 | 2200 |
18 | 400 | 750 | 43 | 1000 | 2260 |
19 | 425 | 1200 | 44 | 1000 | 2350 |
20 | 500 | 1000 | 45 | 1000 | 2550 |
21 | 500 | 1050 | 46 | 1200 | 2860 |
22 | 500 | 1100 | 47 | 1500 | 2600 |
23 | 500 | 1200 | 48 | 1500 | 3150 |
24 | 500 | 1250 | 49 | 1500 | 3300 |
25 | 500 | 1260 | 50 | 1500 | 3400 |
| | | | | 船用靠球 |
经对表3数据进行线性相关性检验，得知其具有显著的线性相关关系，因此对数据进行线性拟合，得出经验线性方程为：
其中x为扫略面积（m2），y为额定功率（KW）。因此：
（m） （3—2）
可据此式估算叶轮直径。
综合上述因素，并参照国外同类机型，1.2MW风力发电机组风轮直径取D=62m是适宜的。
4 风轮转速
额定功率下的风轮扭矩对传动系统的成本起主要作用，而扭矩与转速成反比，因此从降低机组成本的角度考虑，风轮的转速越高越经济，但增加转速对风轮及叶片设计有不利影响，要综合考虑以下因素：
4.1尺寸控制：叶片弦长与转速成正比。
4.2重量控制：叶片的重量与叶片弦长与叶片结构铺层厚度之乘积成正比，叶片的重量和成本随风轮转速增大成比例增加。但叶片挥舞方向的疲劳载荷与风轮转速成反比，而叶片挥舞方向的疲劳载荷又决定了机舱结构和塔架的设计，因此风轮转速增加后，虽然叶片成本增加，但传动系统、机舱和塔架的费用降低。
4.3噪声限制：风轮叶片所产生的气动噪音与叶尖线速度的五次方成正比[5]，通常限制叶尖线速度小于65m/s，当风轮直径为62m时，对应风轮转速约为20rpm。
因此，风轮的转速上限取20 rpm。在确定风轮转速的下限时，主要考虑最佳尖速比。初选最佳尖速比λopt = 8，按照62m的风轮直径，取4m/s的启动风速，可以算出风轮转速下限约为10rpm。
5尖速比
设计尖速比是风轮的叶尖速度与设计风速之比。一般尖速比应依据风机类型、叶片尺寸大小及发电机转速等参数来确定。尖速比不同风轮实度不同。由图2和表3尖速比在6～8范围取值有最大风能利用系数。尖速比取值较大，有利于降低叶轮实度，减小叶轮重量和成本，但启动风速要求较高。大功率风电机叶轮设计中宜取上限值：。叶素尖速比指叶素周向速度与设计风速之比。
6实度
叶轮实度，其中为叶片在旋转平面的投影面积；为叶轮扫风面积，。对计算得到的弦长数值：。如果弦长被修正为截面半径r的函数，则。实度决定了风轮起动力矩、重量及成本。常用实度值为：5～20%。风轮的起动风速小，则要求实度大。由于大功率风机尖速比较高，要求有较高的转速和起动风速，因此，可取较小的实度。
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