風力發電機葉片什麼是迎風安裝而不是背風安裝？

12-31

看了幾個在大風中毀損的風力發電機，幾乎都是葉片在大風下高速旋轉變形然後塔干涉毀損。這是迎風安裝的一個風險。
葉片如果是背風安裝就沒有這個風險，安裝於塔的背後的葉片在風力作用下是遠離風塔的。而且塔的迎風負荷還可以通過攬繩加固，這隻要讓攬繩保持迎風就可以，在工程上是可以實現的。
但流經葉片的氣流會受到塔的影響而不穩定，是這個因素導致不用這個結構還是由其他原因?

竟然有人點贊，我就再理下句子，補充說點。

1.葉片如果安裝在塔筒後面（風機術語：下風向），葉片運動到塔筒位置的話，由於塔筒後面的湍流區域，單個葉片載荷變化會非常大（葉片位於塔筒前面也會導致載荷變化，叫做塔影效應，如果您做過圓柱的fluent模擬的話就知道，渦的分離很明顯），這樣三個葉片受力差距太大，風機的振動會更加明顯。事實上葉片的振動一直都是風機控制的重點之一。另外循環振幅加大，疲勞也會提高很多。

2.風機採用下風向安裝是存在的，不過我手頭沒有資料，如果有資料將來補充。只有葉片過大導致凈空不能滿足可能才會考慮這種方案，即使是在抗颱風區域，上風向安裝凈空一般是沒問題的。

3.加固纜繩從而降低塔筒載荷的辦法目前也是有的，只是纜繩需要從葉梢位置以下進行綁定，畢竟風的作用是360度的，作用很有限。

4.大風速下高速旋轉這個。風速超過額定風速，變槳系統調整變槳角度，目的就是控制轉速。轉速超過範圍，會導致停機，然後葉片順槳，轉速降低。葉片沒有調整好，估計是變槳系統出故障了，或者極端陣風，風機反應不過來。

4.最後是我個人理解，葉片安裝在主機後面，主軸軸承的承受力的話是不是不太好處理，不過總會有方法的。

最後說個搞笑的，葉片掃略塔筒折斷和塔筒折斷是較為嚴重的兩類事故，不過一般都是在罕見的惡劣天氣下才會發生。所以，每次颱風天過後，我們部門老闆幾乎都會在群里發消息：哪個風場誰家的風機沒能扛過颱風，倒了幾台之類的。。。

機械學的不好，亂答一下。首先背風安裝會影響風能的吸收，風吹過塔筒會產生湍流，簡單的說就是能量低了安全性也低了；

然後背風安裝會導致傳動鏈工況更加惡劣。迎風還能抵消一部分軸承的自重。

另外如果定義「大風」為風機設計正常發電範圍內的風速，那麼葉片打到塔筒就不是葉輪迎風安裝的鍋，現在葉片都做了一定程度的預彎而且也都在設計階段考慮了不同情況下的載荷，正常發電的情況下是不會打倒塔筒的。如果是超出設計運行風速的「大風」，那麼葉輪還在旋轉就是控制系統的鍋了，現在主流風機都採用主動變槳距策略，超出設計運行風速時主動收槳並配合剎車系統停止轉動，我猜題主看的那些視屏應該是以前歐美用的定槳距主動失速控制的風機吧？

由於大家談到的幾個原因，三葉片、上風向（葉片在塔筒前方）、圓錐塔筒已經是兆瓦級風力發電機組的最主流的設計。

塔架凈空（葉尖與塔筒的間隔距離）是上風向機組的最重要的結構設計約束之一。為了保證風電機組運行時，葉片不會打到塔筒，整機結構上有幾處設計點：
1.仰角：整個轉動傳動鏈會向上翹起3-5度；（暫時沒找到合適的圖片源，回頭再補）
2.錐角：三個葉片並非在同一個平面內，而是會以葉根原點（輪轂）為原點，各自向前翹1-4度；

https://www.researchgate.net/profile/Lin_Wang120/publication/267099996/figure/fig2/AS:295728111996934@1447518484573/Fig-2-a-Rotor-cone-angle-b-blade-element-twist-angle.png
3.葉尖預彎：一般人可能不了解，看似巨大的葉片在長度方向上實際是有很大柔性的，在風的推力作用下，葉尖會向下風向變形，（對於上風向機組來說）更靠近塔筒。因此現在的葉片的設計，在整個長度方向上其實不是直的，而是在葉尖部分做了向上風向的預彎。下面這個圖片可以湊合著看看——

http://patentimages.storage.googleapis.com/US8317483B2/US08317483-20121127-D00004.png

不難理解，以上的仰角和錐角都會對風輪（葉片旋轉形成的圓盤面）的掃風面積造成影響，導致一定的風能吸收損失。但是這就是工程上隨處可見的trade-off（權衡）。

如果是下風向機組，那麼塔架凈空的處理就很簡單了，不需要這麼多的trade-off。

但如果是下風向設計，塔影效應（每次葉片掃過塔筒）帶來的氣動載荷波動的確會更明顯，但如果改為桁架式塔架，一般認為塔影效應會減少很多。

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雖然說「三葉片、上風向（葉片在塔筒前方）、圓錐塔筒已經是兆瓦級風力發電機組的最主流的設計」，但總是有人弄出一些新奇的方案，有些還可圈可點。比如荷蘭這家2BEnergy公司就開發了兩葉片、下風向、桁架式塔架的機組（已經立了樣機），還有其他很多不尋常之處。

Design Considerations

說到2BE的這個機組，他們自己也說「We do everything in the opposite direction.」因為跟他們談起這台機組時，不光前後容易說反（我們習慣了「機艙尾部」這類說法，他們家得說「機艙頭部」），連風輪旋轉方向都沒法說了——上風向全都是順時針，他們家的從上風向看是逆時針，但如果按觀察上風向機組的習慣，從風輪向機艙看，他們家的還是順時針……（攤手.jpg）

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如果嫌腦洞還不夠大，請移步去看Aerodyn的這個設計——

SCD nezzy technology

感謝邀請！

首先，由於葉片在大風下高速旋轉變形然後塔干涉毀損的現象，原因不是葉片迎風安裝或是背風安裝的問題，而是在運行過程中，因為控制系統問題無法控制變槳導致超速、葉片原因破壞風輪的動平衡、機械部件失效等其他因素造成的，至於為什麼葉片迎風安裝，隨便搜一下風電基礎知識就知道了，下面放上兩張網上不太好找的圖片，可以直觀看出上風向（葉片迎風）風電機組可以更好的利用風能，同時將整機載荷降到最低（不過看了看其他的回答也是挺糟心的）。

塔筒對氣流的影響

機組運行時流場側視圖

從圖中可以看出，氣流經過塔筒後，擾流會導致背風處（投影）能量明顯降低，如果在後部安裝風輪，經塔筒擾流的氣流會使風輪旋轉時受到的不平衡載荷影響更大。

葉片在大風下高速旋轉變形然後塔干涉毀損的現象，國內國外視頻非常多，流傳最早最廣的就是因控制系統超速導致的機組損毀，國內也多次出現因變槳備用電源、驅動器、變槳電機等故障導致的大風超速；隨著裝機數量的不斷增多，國內曾出現搶裝潮，因搶單引起的葉片質量問題、主機裝配問題、塔筒質量問題、基礎施工問題等都在很大程度導致此類事故頻發，各大電力集團都有此類事故發生；除葉片質量外，葉片遭受雷擊、運輸和安裝時損傷、覆冰等情況都在機組運行時帶來極大的危害，雖然有振動監測保護，但還是有事故發生，其中出現振動預警和停機的機組事故不少，人為因素居多，而由於葉片和其他設備突然損毀導致載荷不平衡的，也不是少數；隨著國內裝機容量的提升，風資源較好的地區都已經開發殆盡，國內類似低風速型、高原型、山地型等機組迅速發展，由於技術原因加上搶佔市場還有其他一些中國特色的原因，葉片不斷加長、甚至有業主對翼型進行改動（增功改造）、部分機組載荷無法通過校驗甚至根本沒有計算，葉片質量及質量分布、葉片重心位置、葉片轉動慣量、剛度及剛度分布、葉片的固有頻率（揮舞、擺振和扭轉方向）都不同程度的存在問題，也導致了事故不斷。

總的來說，因為葉片出現損壞或潛在損傷以及因故無法及時調整槳距角造成的事故偏多。葉片是風電機組最關鍵的構件之一，對發電效率、運行安全等方面都有至關重要的作用。葉片必須承受機組實際運行環境因素的影響，具有足夠的強度和剛度。保證葉片在規定的使用環境條件下，在其使用壽命期內不發生損壞。另外，要求葉片的重量儘可能輕，並考慮葉片間相互平衡措施（動平衡），一般出廠時會進行分析和選擇，因此每台機組的葉片都是成套的。葉片強度通常由靜強度分析和疲勞分析來驗證，強度分析既可用應變驗證又可用應力驗證。此外，葉片型式試驗非常重要，比如此時該類型葉片的固有頻率，明確共振區；氣動彈性穩定性測試，使葉片不產生有害振動等，證明葉片能滿足各種設計使用情況下的靜強度和疲勞強度及氣動彈性穩定性要求。

本人柏林工大讀研，新能源方向。

這個問題恰好是我風機課的一道習題，答案列舉如下：

首先，Lee式風機（葉片在塔後）相對於Luv式風機（葉片在塔前）的主要好處是，風機可以「自動的」轉向迎風向。

Luv式風機在機組功率較大，且所處風場方向變化頻率較大的情況下，則需搭載Azimut系統或效果較差的風輪系統。

前者造成一筆不菲的支出，並且會加重機艙或風塔，對材料強度有更高的要求。後者則調節效果較差。

接下來是重點，既然如此為什麼我們如今還是更多的選擇Luv風機為主要形式，主要原因有三點：

1.塔前風堵（Turmvorstau）帶來的影響（Luv式）小於塔陰（Turmschatten）處（Lee式）；

2.快速的自動轉向帶來了較大且不可控的「科里奧利」力；

3.自動轉向會使風塔內電纜扭絞。

附一張上世紀八十年代主要風機對比（藍色箭頭為風向）

可以看出，當時還是luv式和lee式各領風騷的年代，隨著機組額定功率不斷增大與技術的逐漸成熟，如今Lee式被Luv式三葉片機組逐漸取代。

聲明：答案中的圖片取自TU-Berlin的課件，請不要隨意轉載，有版權的（吐槽一下，因為這個問題好像下個學期開始課件都要花錢買了，奸商啊!!!

從作者的問題，基本看出水平，各位樓主的專業性回答，估計也是基本看不懂的，不過樓主們回答的還可以，專業性很強，不過感覺還是有點片面話，不夠深入，沒能結合實際。現在有兩葉片下風向已經做的很完善了，為啥非要三葉片的也下風向呢?

另外，作者提到的一些風機葉片打到塔筒的事故，其發生原因其實很簡單，也不用從什麼機械原理分析，原因就是主機廠家為了提高葉輪吸收風能的效率，盲目的、無知的擴大了葉輪直徑。這有點掛滑稽，但卻是事實。

@lolee的回答很有道理。

一般而言位於塔架後方是處於塔架的尾跡區，葉片通過該區域時載荷會明顯變化，這就導致了周期性應力的產生，加速葉跟處（應力最大）的疲勞破壞進程。

同時這種周期性的非對稱受力對軸承也會造成衝擊。

瀉藥，沒有數據，我也不是搞機械的，但是葉片放在背風面，塔筒和機艙不會擋住風么？就算擋不了多少，造成湍流也夠受的了。

用纜繩加固？大哥，風不是固定一個風向的，葉輪換個方向轉怎麼辦，是要給纜繩加個輪子么？一起旋轉？加纜繩的我只見過草原上牧民家裡的小風機上用過，70米高的風機怎麼加纜繩，還真不知道。

以現今的技術，做好風機基礎工作，定期檢修，巡視，定期維護，視頻里那些飛車的現象是極其罕見的，而且有多種措施避免這樣的情況發生，沒有必要為了避免發生而更改設計。

以上。