如何选择最佳风轮转速？

风轮的输出功率与其转矩和转速有关。由风轮转矩M=9550P_N/n可知，当额定功率P_N（kW）已选定时，风轮转速n（r/min）与转矩M（N·m）成反比，为降低转矩M，应提高风轮转速，但转速过高对风轮的设计不利。所以应选择一个合适的风轮转速。

1.风轮转速和实度的理想关系

可以推出，当忽略阻力和叶尖损失，且风轮叶片具有最佳性能时，其参数应满足的理想关系为

式中 λ——叶尖速比；

σ_r——叶素实度；

C₁——翼型升力系数；

μ=r/R；

R——风轮半径；

r——叶素到风轮中轴的距离。

因为叶片远离叶根的部分提供大部分功率，局部速比λ_μ较大，以至于可以近似的取式（5-1）的分母（平方根）为λμ，则式（5-1）变成

式中 N——叶片数；

c（μ）——半径r处的叶素弦长。

由式（5-2），有

式中 Ω——风轮旋转角速度，单位为1/s；(www.xing528.com)

v_∞——风速，单位为m/s。

由式（5-3）可见，若N、R不变，通过变桨距使攻角不变，则升力系数C₁为定值，因此，半径r处的叶素弦长与风轮转速Ω的平方成反比。

应该指出，对于变桨距机组，如果在整个工作范围内发电状态最佳，则式（5-3）不适用。在这种情况下，半径r处的叶素弦长近似的反比于转速而不是转速的平方。

2.转速对于叶片质量的影响

假设叶片设计取决于平面外的疲劳弯矩和正比于风速波动、转速与弦长比例因子乘积的力矩波动。按式（5-3）弦长比例因子反比于转速的平方，故力矩波动的变化恰好与转速的变化成反比。

各个半径处的厚度对弦长的比与弦长变化没有关系，所以在给定的半径下对于平面外弯曲的叶片截面系数Z（r）正比于叶片外壳蒙皮厚度ω（r）以及局部弦长平方的乘积。因此，

Z（r）∝ω（r）[c（r）]²∝ω（r）/Ω⁴ （5-4）

为了将疲劳应力变化保持在同一个等级，需要叶片截面系数Z（r）随力矩波动变化，由于力矩波动的变化与转速的变化成反比。因此，Z（r）∝1/Ω所以ω（r）/Ω⁴∝1/Ω并且ω（r）∝Ω³。叶片质量正比于外壳厚度与弦长的乘积，因此它随转速而增加。

3.最佳风轮转速

经过上述分析得出，叶片质量的增加正比于风轮转速。另一方面，根据叶片平面外的疲劳弯矩设计机舱和塔架，而平面外的疲劳弯矩正比于风速波动、转速和弦长的乘积。而弦长和转速的平方成反比，所以转速和弦长的乘积的结果与转速成反比，也就是叶片平面外的疲劳弯矩与转速成反比。因此转速增加导致叶片重量增加、成本增加，同时转速增加导致叶片平面外的疲劳弯矩减小，机舱和塔架成本减少。两者之间的折中方案决定了最佳风轮转速的选择。

4.噪声控制与视觉考虑

风力发电机组产生的气动噪声正比于叶尖速度的5次方。通常将陆基风力发电机组的叶尖速度限制在65m/s左右。近海的海上风力发电机组叶尖速度可大些，例如74m/s。这是为了减小噪声对环境的污染。

另外，多数人认为，风力发电机组风轮转速越快，看起来越不舒服。这也是限制风轮转速的一个理由。