风力涡轮机计算。方案、说明

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风力发电机的主要部件是风轮。通过它，风的动能转化为机械能。

回想一下，风力涡轮机分为两组——具有水平旋转轴和垂直旋转轴。我们将考虑具有水平旋转轴的风力涡轮机。它可以具有一个或多个叶片，这些叶片安装成与旋转平面成一定角度。

风轮可快可慢。根据叶片直径和数量的不同，相同风速下风轮的转速也会不同。该指标称为风轮转速，由叶片端部圆周速度与风速之比确定：

Z = L * W / 60 / V，

式中：W——风力机转速（rpm）； V——风速（米/秒）； L——周长（米）。

但最初我们不知道风力涡轮机的速度，这取决于它的性能。当空气通过叶片时，会留下“扰动”痕迹，从而减慢风轮的旋转速度。因此，叶片越多，速度就越慢。为了粗略计算风轮的速度，我们以速度（Z）为基础。针对具有不同叶片数量的风力涡轮机以实用的方式建立：

1 - 叶片风轮 Z = 9,0；
2 - 叶片风轮 Z = 7,0；
3 - 叶片风轮 Z = 5,0；
6叶风轮Z = 3,0；
12叶风轮Z=1,2。

使用下面的公式，我们计算风轮的速度：

W=V/L*Z*60。

整个结构的性能和电站的安全运行取决于风力涡轮机的设计。

多叶片设计是低速的，因此离心力和陀螺力比高速叶片小得多。考虑到业余条件下的风力涡轮机制造技术还有很多不足之处，建议使用至少有五个叶片的多叶片风力涡轮机 - 此类设计对平衡误差不是那么关键，对叶片轮廓的空气动力学设计要求不高，凹形刀片也能成功使用。

刀片安装

如果胶合板与迎面而来的气流成一定角度放置，则相同风速下的最大升力将在安装角度为 45° 时。随着角度减小或增大，升力也会减小，并且流动阻力将分别减小或增大。因此，我们以45°角为起点。但为了使风轮最有效地利用风能并且不具有制动区，风轮必须具有弯曲形状：叶片元件距旋转轴线越远，所需的安装角度越小

螺距

计算叶片的指标之一是螺杆的螺距——一圈空气团移动的距离，如果我们把这团空气想象成一个直径为2R的螺母，而螺旋桨的角度螺纹等于截取截面的弦与螺钉旋转平面之间的角度。螺杆螺距由以下公式确定：

H = 2πR*tgα,

其中： H = 所选部分的步长 (m.)； R=截面半径（米）； α = 截面的安装角度（度）。

风电机组叶片截面安装角度由变换后的公式确定：

α (安装角度) = Arctg (H/2πR)。

叶片扭曲计算示例

叶片间距 = 1 米，风轮直径 = 3 米。

通过这些设置，理想情况下，在不考虑风轮阻力的情况下，风速为 3 m/s 时，风轮应每秒转 3 转，即 3 * 60 = 180 rpm。

但这是理想的。事实上，风轮的旋转速度受到来自前一个叶片的气流湍流、叶片本身产生的摩擦、取决于所施加的电力负载的发电机响应的影响。而在现实中，风轮的速度会趋于计算指标，但实际上会低得多。

风流功率

风轮计算中的下一个指标是通过风轮扫掠区域的风流的功率。按照公认的方法计算得相当准确：

P \u0,5d XNUMX * Q * S * V³,

式中，P——功率（W）； Q——空气密度（1,23 kg/m3）； S——转子扫掠面积（m：）； V——风速（米/秒）。

由于将一种能量百分百转换为另一种能量是不可能的，因此我们将开始减去损失。风轮具有一定的风能利用（转化）系数。理想的高速桨式风力发电机理论利用风能的最大值为0,593。对于具有空气动力学轮廓的高速风轮的最佳样本，该数字范围为 0,42 至 0,46。对于多叶片低速风力涡轮机，该指标范围为 0,27 至 0,35，具体取决于工艺质量，并在计算中用符号 Ср 表示。为了匹配低速风轮和发电机的速度，需要使用升压齿轮箱，其效率范围为0,7至0,9，具体取决于传动比和设计。

当机械能转化为电能时，我们也会产生损失。因此，我们将它们反映在发电机效率 Ng 中，从 0,6（对于具有励磁绕组的自牵引发电机）到 0,8（对于具有永磁体励磁的发电机）。

P \u0,5d 3 * Q * S * VXNUMX * Cp * Ng * Nb，

式中，P——功率（W）； Q——空气密度（1,23 kg/m3）； S为转子扫掠面积（m2）； V——风速，（米/秒）； CP——风能利用系数（0,35是一个好的设计）； Ng——发电机效率（汽车为0,6，永磁体为0,8）； Nb——增速齿轮箱的效率（0,7-0,9）。

我们将数据代入 6 叶片 3 米风力发电机，看看配备永磁发电机和效率系数为 0.9 的齿轮箱的风力发电机在平均速度 5 m/s 时可以获得多少功率：

P \u0,5d 1,23 * 3,14 * (1,5 * (1,5 * 5)) * (5 * 5 * 0,35) * 0,8 * 0,9 * 136 \uXNUMXd XNUMX 瓦。

在这种情况下，风轮的转数将是。

W = V / L * Z * 60 = 5 / 9,42 * 3 * 60 = 95,5 rpm。

仍然需要根据发电机的速度来选择变速箱的传动比。

作者：叶夫根尼·博伊科

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