风力机理论与设计基础

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1、 风力机理论与设计基础风力机理论与设计基础金凤科技股份公司培训教程授课人 崔新维2001年6月目 录1风力机空气动力学基础2水平轴风力机桨叶设计3水平轴风力机机械设计4发电装置5运行与并网发电6风资源概述7风力发电的经济性分析第一章 风力机空气动力学基础 风力发电机工作过程描述 风力发电机（以下简称风力机）是一种将风能转 换为电能的能量转换装置。 风力机的系统图：风 电力 进一步有：风 电力风力发电机传动系 发电机 叶 轮1.1 空气动力学的基本概念 空气动力学主要研究空气流过飞行器外部时的运动规律 。 1.1.1 流线气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微 团。流线：在某一瞬时沿着流场

2、中各气体质点的速度方向 连 成的一条平滑曲线。描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方 向。一般情况下，各流线彼此不会相交。流场中众多流线的集合称为流线簇。如图所示 。 绕过障碍物的流线:当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形 状取决于所绕过的障碍物的形状。不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同。我们考 虑这样几种形状的物体，它们的截面尺寸相同，但 对气流的阻碍作用（用阻力系数度量）各异。1.1.2 阻力与升力 当气流与物体有相对运动时，气体对物体有平行 于气流方向的作用力阻力。 现在来定性地考察一番飞机机翼附近的流线。当 机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上 下面流线簇的疏密程度是不

3、尽相同的。考察二维翼型气体流动的情况。根据流体运动的质量守恒定律，有连续性方程：A1V1 = A2V2 = A3V3 其中A、V分别表示截面积和速度。下标1、2、3分 别代表前方或后方、上表面和下表面处。上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速 增大，V2V1。而由伯努利方程：P = P0 +1/2 * V2必使P2 Ct时，CL将下降。当=0(Recr 紊流 雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力之比。雷诺数的影响考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随 着 雷诺数的增加： 升力曲线斜率，最大升力系数与失速攻角均增加； 最小阻力系数减小； 升阻比增加。 1.2 叶轮空气动力学基础叶轮的作用：

4、将风能转换为机械能。 1.2.1 几何描述叶轮轴线：叶轮旋转的轴线。旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平 面。叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转 平面的偏转角安装角（重要概念）。半径r处的桨叶剖面：距叶轮轴线r处用垂直 于叶片轴线的平面切出的叶片截面。安装角：桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的 夹角，又称桨距角，记为。半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺 旋线的螺距。可以从几个方面来理解：几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角。此处的螺旋升角为该半径处的安装角r。该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。桨距值：H=2r tg r 1.2.2 贝兹理论贝兹理论中的假设叶轮是理想的；气流在整个叶轮扫

5、略面上是均匀的；气流始终沿着叶轮轴线；叶轮处在单元流管模型中，如图。流体连续性条件：S1V1 = SV = S2V22. 应用气流冲量原理叶轮所受的轴向推力：F=m(V1-V2)式中m=SV，为单位时间内的流量质量。叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的 功率为：P=FV= SV2(V1-V2)3. 动能定理的应用基本公式：E=1/2 mV2 （m同上）单位时间内气流所做的功功率：P=1/2 mV2= =1/2 SV V2在 叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量 ：P= 1/2 SV (V21_ V22)此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。因此： SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_

6、 V22)整理得： V=1/2 (V1+V2)即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方 风速的均值。4. 贝兹极限 引入轴向干扰因子进一步讨论。令： V = V1( 1- a ) = V1 U则有：V2 =V1 ( 1- 2a )其中： a轴向干扰因子，又称入流因子 。U=V1a轴向诱导速度。讨论： 当a=1/2时，V2=0，因此aa0。a的范围： a 0 由于叶轮吸收的功率为P=P= 1/2 SV (V21_ V22)= 2 S V13a( 1- a )2 令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子 。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得Pmax =16/27 (1/2 SV13 )注

7、意到1/2 SV13 是远前方单位时间内气流的动能功率，并定义风能利用系数Cp为 ：Cp=P/(1/2 SV13 )于是最大风能利用系数Cpmax为：Cpmax=Pmax/(1/2 SV13 )=16/270.593此乃贝兹极限。1.2.3 叶素理论一、基本思想 将叶片沿展向分成若干微段叶片元素 叶素；视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化； 作用在每个叶素上的力互不干扰； 将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求 得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。 二、叶素模型 端面：桨叶的径向距离r处取微段，展向长度 dr。在旋转平面内的线速度：U=r。翼型剖面：弦长 C，安装角。设V为来流的风速，由于U的

8、影响，气流 相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为W 。定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角， 记为，则有叶片翼型的攻角为：=-。三、叶素上的受力分析在W的作用下，叶素受到一个气动合力dR， 可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的 升力元dL。另一方面，dR还可分解推力元阻力元dF和扭 矩元dT，由几何关系可得：dFdLcos + dDsin dTr(dLsin - dD cos )由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl 分别 求得dD和dL:dL =1/2 CLW 2C drdD=1/2 CD W2C dr故dF和dT可求。将叶素上的力元沿展向积分，得： 作用在叶轮上的推力：F= dF 作用在叶轮上的扭矩：T= dT 叶轮的输出功率：P= dT= T