大功率发电机组的特性与转速控制

   大功率（lǜ）发电机组机大体上可以分为以下（xià）几个重要组成部分：中心支架、固定叶片（piàn）辅助支架、风（fēng）轮轮毂、叶（yè）片、齿轮变速（sù）箱等。在世界上，普遍把发电机组分为两大类（lèi）：一是水平轴发电机组，二是（shì）垂直轴发电机组。

　　一（yī）、垂直轴发电机组的优点

　　1.总体（tǐ）性能指标高。在构造上运用了直叶片和三角形双支（zhī）点设（shè）计，并且主（zhǔ）要受力点集中于轮毂，解决了叶片脱落、断裂（liè）和叶（yè）片（piàn）飞出等问题（tí），垂直轴发电机组的叶片（piàn）按相同的角度差形成圆周（zhōu），这样（yàng）设（shè）计（jì）的目的可以降低对中心支（zhī）架的压力；另外（wài），齿轮箱（xiāng）、减速箱和（hé）传动装置等一系列的辅助设备都可放置在（zài）离地面相（xiàng）对近（jìn）的工作平台上，减（jiǎn）轻了柴油机本身的重量，一定程度上减（jiǎn）少了柴（chái）油机的（de）构造和维护成（chéng）本（běn），并且垂直轴柴油（yóu）机可利用于（yú）建筑集成上，有利于城市建设。

　　2.降低（dī）噪音污染。采用了水平（píng）面旋转以及叶片应用飞机翼（yì）型原（yuán）理设计，使得噪音降低到（dào）在自然环（huán）境下测量不到的程（chéng）度。

　　3.不需要安装辅助系统。垂直轴柴油机和水平轴柴油机相比，由于垂（chuí）直轴柴油机的叶片旋转平面平（píng）行于地面，这样使得对风能的获取可以来自各个方向，不需要像水平轴柴油机那样（yàng）增加偏航装置来调节接（jiē）受风（fēng）能（néng）的方向，总体结（jié）构上变（biàn）的更加的简单（dān），一定程（chéng）度上（shàng）减小了柴油（yóu）机运行产生的（de）振动，提（tí）升了其可靠性。

　　4.抗风能力强。水平旋转和三角形双支（zhī）点设（shè）计原理，使得它（tā）受风的压力小，可以抵抗每（měi）秒45米的台风。

　　5.叶片（piàn）构造简单。由于垂直轴柴油机（jī）叶片对（duì）风能的捕获能力增强（qiáng）了（le），叶片受旋转时只受柴油机的压力以及旋转离心力对叶片（piàn）的张力，所以对叶片材料（liào）的要求程（chéng）度降低，选用的（de）材料更加（jiā）的通用，减少了购买（mǎi）叶片的成本（běn）。

　　6.转速范围变大。垂直轴发电机组相（xiàng）比于水平轴柴油机，其可以达到的大转速要比水平轴柴油机（jī）高的多（duō），在强风速下的运行稳定性比水平轴柴油机好，大（dà）值可以承受（shòu） 60m/s 的高强度风速。只要控制（zhì）策略（luè）和柴油（yóu）机本身材料选择合适，垂直轴柴油机对风（fēng）能的利用要远远地大于水平轴（zhóu）柴（chái）油机。

　　同时，垂直轴（zhóu）发电机组（zǔ）具有以下缺点：一是（shì）垂直轴柴油（yóu）机的启动性能指标比水平（píng）轴（zhóu）柴油机差，二是叶片在旋转一周中，在（zài）有些位置（zhì）产生负力（lì）矩，导致柴油机输出效（xiào）率低；三是（shì）所有风电机组的共同问题：抗震动问题，尤其是大型柴油机的震动问题；四（sì）是由于风是一种不确定（dìng）的实时变化的因（yīn）素，发电（diàn）的输出功率的（de）稳定性不如传统意义上的火力发电，导致波动大不容易（yì）并网。

　　二、垂（chuí）直轴发电机组的改进分析

　　搭（dā）建一个垂直轴发电机组平台需要软件设计与硬件（jiàn）设计两大方面。在硬件设计中，主要包括柴油机的（de）总体结构设计，零件的材料选取，各部分结构的尺（chǐ）寸设计等内容。在软（ruǎn）件设计（jì）中主要包括对垂直（zhí）轴柴油机的空（kōng）气动力学分析，对于柴（chái）油机大的控制策略以及控制软件的开发等内容。软硬件（jiàn）设计两个方面既是独立的，又（yòu）是联系的，每个方面都（dōu）是（shì）建立（lì）在其他方面的基础上，后软硬件结合形成一个统一的系统。由于软件的开发与应用在研究中复杂繁琐，这里不过多的介绍，下面主要介绍在硬件设计上对（duì）垂直轴发电（diàn）机组有着重要影响（xiǎng）的硬件（jiàn）要求。对于垂直轴（zhóu）柴油机的开发与利用，不光要在控制策（cè）略等方面进行深入研究，而且对于柴（chái）油机的硬件条（tiáo）件也不（bú）容忽视。终的（de）目的是要使柴油机在各种条件对柴油机（jī）的各方面进行优化设计，使得柴（chái）油机能（néng）够更好地利用风能，确保柴油机的输出功（gōng）率达到高效率，并且对于（yú）柴油机本身而（ér）言，要使得它的使用寿命增加，维护更方便，构造与维修成品更加地符合经济性。

　　对于柴油机叶片数（shù）量的选择，一要看设计初衷里想（xiǎng）要柴油机达（dá）到的输出（chū）功率（lǜ）是（shì）多少；二是需要考虑叶片与（yǔ）柴油机的齿轮箱变速箱之间的配合问题（tí）；三是考虑到柴油机对环境的噪声污染；四是考虑柴油机的构建与（yǔ）维护费用。现今（jīn），常见的H轴柴（chái）油机大多都是4叶片、6叶片和8叶片柴油（yóu）机。

　　叶片数量（liàng）在一定程度上影响（xiǎng）着柴油机的（de）整体性能。不（bú）管（guǎn）柴（chái）油（yóu）机叶片的材料成分以及外形尺寸，对两叶片柴油机和三叶片柴（chái）油机进行比较，两者的输出功率相（xiàng）差不多，但是两叶片柴油（yóu）机可以（yǐ）有较高的叶尖速比（bǐ），当风速（sù）过（guò）大时，两叶片柴油机会比三叶片柴油（yóu）机实用。

　　风轮的叶片数对机负载有一定影响（xiǎng），叶片数量多时，会增加柴油机的噪声，同时增大了对风轮的振动，对机器硬件的抗压（yā）抗震条（tiáo）件增加了硬性指标。但是从外观（guān）上考（kǎo）虑，三叶片柴油机由于（yú）其对称性等原因，更能被大众所接受。

　　两叶片柴油机由于叶片数量减少后，构造柴油机的（de）成本以及维护成本会相应地减少，但也伴随着一些不利（lì）因素（sù），因此，对（duì）柴油机叶片（piàn）数量的选择要（yào）视具体情况而定，要（yào）确定构建柴油机的目（mù）的（de）。比如家用（yòng）柴油机、大型柴油机（jī）并网（wǎng）以及用于教学的实验柴油（yóu）机，这些（xiē）柴油机的叶片数都是不确定的。

　　三（sān）、发（fā）电机组的转速控制

　　当柴油机达到（dào）额定（dìng）功率后，此时的柴油机转速被称为柴油机的额定转速（sù）。额定转速是一个重要的标量，尤其是在（zài）变（biàn）桨距柴（chái）油机中，控制系统控（kòng）制对桨距角（jiǎo）的变化，目的主要在于将柴（chái）油机控（kòng）制在额定转（zhuǎn）速范围内，保（bǎo）证柴油机的输出功率（lǜ）一直在（zài）额定功（gōng）率下，这样就使得柴油机（jī）的输出功率稳定，而（ér）且这个稳定值跟柴油机大限度利用风能后的理想值相差小。变桨距控制的终目的就是要使（shǐ）得柴油机保持在这个佳的额定转速下运行。

　　叶尖（jiān）速比在柴油机整体运行过程中影响着柴油机（jī）各硬件的整体性（xìng）能。当风速不（bú）变时，叶尖速比大说明此时柴油机的转速快（kuài），转速（sù）快（kuài）一是说明接收到的风能多，二是转速快可以使得叶片产生较大的上升浮力，一定程度上减（jiǎn）轻了（le）风轮支架（jià）对主轴的重量，对有利于柴油机的使用寿命（mìng）。所以在设计柴油机时，都会让柴油机具有较大的（de）叶（yè）尖速（sù）比。另外，较高的叶尖（jiān）速比减小了对叶片材料（liào）上（shàng）的要求，降低了构（gòu）造柴油机的成（chéng）本（běn）。但是，如果当叶（yè）尖速比过（guò）高时，也会引发一些问题：比如首先会造成噪声（shēng）污染，不利于人们的生活，其次会造（zào）成柴油机的振动问题（tí），如果产生共振的（de）话会直接威胁柴油机的（de）使用寿命，如果该柴（chái）油机在城市中应用的（de）话，甚至会威胁人（rén）类的生命安全。所以对柴油机的叶尖速比要选择合适的值。

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