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1、风力机空气动力学基本原理,主讲人：韩璐,2009年10月21日,*,空气动力学研究对象,空气动力学是流体力学的一个分支，它主要研究空气与物体之间有相对运动时，空气运动的基本规律以及空气 与物体之间作用力的学科。运动的空气就是我们通常所说的风。,太阳辐射造成地球表面大气压力分布不均匀，引起空气的运动就形成了风。风向和风速是描述风特征的两个重要参数。,风的形成与定义,风力机的组成,风力机就是将风能转换为电能的装置。通常它由风轮系统、传动系统、电气系统、控制系统和塔架系统等组成，其中风轮是最关键得部件之一。,风力机的组成,风力机风轮系统的类型,风力机按照风轮结构不同分为两大类：垂直轴风力机 水平轴风
2、力机,垂直轴风力机,水平轴风力机,垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转。其主要优点是可以接受来自任何方向的风,因而当风向改变时，无需对风。对于较大型的风力机,因为受偏转与安全极限应力的限制,采用这种结构形式是比较困难的。垂直轴风力机风能利用系数低于高速垂直轴或水平轴风力机,在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下提供的功率输出较低,因而用作发电缺乏竞争力。,水平轴风力机,水平轴风力机按照风轮在气流中的位置分为：上风式和下风式,水平轴风力机,按照风轮的旋转速度（叶尖速比），水平轴风力机也可分为:低速水平轴风力机 高速水平轴风力机,低速风力机的叶片数在12至24片之间不等，叶片几乎覆盖了整个风轮表面，这
3、些多叶片的低速风力机特别适用于低风速环境，其起动扭矩相对较高，主要用于提水等负载扭矩较大的场合；,低速水平轴风力机,低速水平轴风力机,高速水平轴风力机,高速风力机叶片数只有1 3片，高速风力机由于速度高，特别适用于风力发电，因此大多数发电用的风力机都是由高速风轮所驱动的。,高速水平轴风力机,风轮的组成和功能,风轮一般由13 个叶片和轮毂所组成,其功能是将风能转换为机械能。,风轮系统工作原理,风轮叶片在风的作用下产生空气动力使风轮旋转，将风的动能转换成机械能，再将机械能转换成电能。风轮叶片的性能直接影响到能量转换的效率。,风轮叶片,风轮叶片是风力机最重要的部件之一。它的平面形状与剖面几何形状和风
4、力机空气动力特性密切相关,特别是剖面几何形状即翼型气动特性的好坏,将直接影响风力机的捕风效率。,空气动力的产生,物体在空气中运动或者空气流过物体时,物体将受到空气的作用力,称为空气动力。,风轮空气动力学的几何定义,1、风轮轴：风轮旋转运动的轴线；2、旋转平面：与风轮轴垂直，叶片旋转时的平面；3、风轮直径：风轮扫掠面的直径；4、叶片轴：叶片纵向轴，绕此轴可以改变叶片相对于旋转平面的桨矩角；5、在半径r处的叶片截面（翼型）：叶片与半径为r并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面；6、桨矩角：在半径r处翼型的弦线与旋转面的夹角。,风轮叶片,风轮叶片结构,风力机叶片实质是从叶根到叶尖径向位置上不同翼型安照不同
5、扭角和弦长分布组成。,叶片的二维假设,气流绕风轮叶片的流动比较复杂,是一个空间的三元流动。当叶片长度与其翼型弦长之比(展弦比)较大时,可以忽略气流的展向流动，而把气流绕叶片的流动简化为绕许多段叶片元(即叶素)的流动,叶素之间互相没有干涉。,翼型结构和基本概念,翼型的几何参数,通常翼型几何外形由下列参数决定：翼型前缘A：翼型的前部A为圆头；翼型后缘B：翼型的尾部B为尖型；翼型弦线C：翼型前缘与后缘的连线称为翼型弦线弦线长度就是翼型的弦长C，弦长C是翼型的特征尺寸；中弧线：翼型内切圆圆心的连线称为翼型的中弧线，对称的翼型中弧线与翼弦重合；,翼型的气动参数,翼型攻角：在翼型平面上，把来流 V 与弦线
6、 C 之间的夹角定义翼型的攻角，又称为迎角。,翼型的受力示意图,翼型的气动参数,当翼型攻角大于零时，因此翼型下表面压力大于上表面压力，气流在翼型上形成合力，合力 F 即为翼型受到的空气动力,其方向垂直于翼型弦线。合力可分解为两个分力:一个分力FL与气流方向垂直,称为升力;另一个分力FD与气流方向相同,称为阻力。,升力、阻力和力矩系数定义,分别以V，和C表示来流速度，空气密度和翼型弦长，以M表示翼型的力矩，那么翼型的基本空气动力学特性可以由以下无量纲系数表示：升力系数 阻力系数 力矩系数,翼型升阻特性曲线,风力机叶片核心参数,风力机叶片核心参数：设计尖速比、设计风速V、每个叶素翼型、风轮直径D、
7、每个叶素的弦长C和安装角。,风轮直径,给定输出功率的风力机，风轮直径D为：P 风力机额定功率；Cp 风能利用系数，一般取0.40.5之间；传动装置和发电机总效率，一般取0.40.65；空气密度，(15)；,翼型的攻角与升阻比,翼型的选取对风轮的效率十分重要，性能优良的翼型应该在某一攻角范围内保持升力系数CL较高，而相应的阻力系数CD较小，即在某一攻角范围内有较高的升阻比。,翼型速度三角形,翼型桨距角,=+：翼型攻角：叶片桨距角：叶片入流角,设计风速,设计风速 V 取决于使用风力机地区的风能资源分布。设计风速决定了风轮的最佳尖速比。,风轮的尖速比,风轮的尖速比是风轮叶片的叶尖速度和设计风速之比(
8、Tip Speed Ratio)。尖速比与风轮效率密切相关，在风力机没有过速的条件下，运转于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮效率。,翼型的选取,翼型的选取对风轮的效率十分重要，性能优良的翼型应该在某一攻角范围内保持升力系数CL较高，而相应的阻力系数CD较小，即在某一攻角范围内有较高的升阻比，另外，还应该具有良好的制造工艺性。,叶素理论,叶片气动外形设计结果以叶片弦长、扭角、厚度沿叶片展长方向的分布形式给出。,叶片弦长分布,设计案例,叶片扭角分布,设计案例,叶片相对厚度分布,设计案例,风轮参数,把叶片和轮毂组装起来就是风轮了，在风力机整机中风轮还有以下参数：叶片数：组成风轮的叶片个数。锥角：叶片与旋转轴垂直平面的夹角风轮仰角：风轮旋转轴与水平面的夹角。,风轮参数,风轮的性能参数,通常用上面三个无量纲系数用来表示风力机的特征性能指标。推力系数CT 直接关系到风轮轴向推力的大小，在很大程度上影响了风力机塔架的设计；,风轮的性能参数,风轮的性能参数,扭矩系数CM 则是表示风轮输出负载扭矩的参数，它决定了齿轮箱的尺寸和发电机的选型；风能利用系数CP（也称为功率系数）决定了风力机风轮从风中所能获得的能量的能力，即它是反映风力机的效率的参数。,谢谢大家！,
