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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型 翼型本是来自航空动力学的名词,是机翼剖面的外形,风力机的叶片都是采纳机翼或类似机翼的翼型,与翼型上外表和下外表距离相等的曲线称为中弧线；下面是翼型的几何参数图1前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘,最终点称为翼型的后缘；2弦线、弦长1 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长, 用 c 表示；弦长是很重要的数据,
2、翼型上的全部尺寸数据都是弦长的相对值；3最大弯度、最大弯度位置中弧线在 y 坐标最大值称为最大弯度,用f 表示,简称弯度；最大弯度点的x 坐标称为最大弯度位置,用xf 表示；4最大厚度、最大厚度位置上下翼面在 y 坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度,简称厚度,用 t 表示；最大厚度点的 x 坐标称为最大厚度位置,用 x t 表示；5前缘半径翼型前缘为一圆弧,该圆弧半径称为前缘半径,用 r1 表示；6后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角,用 表示；7中弧线翼型内切圆圆心的连线；对称翼型的中弧线与翼弦重合；8上翼面 凸出的翼型外表；9下翼面 平缓的翼型外表；（2）风轮的几何参数1风力发电机
3、的扫风面积2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积,称为风力机的扫掠面积,以下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图；以下图是一个四叶片的 H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图；3 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 22即可；例如 10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s,全效率按 30%运算所需扫风面积约为 56m 2, 假如工作风速为 13m/s 就所需
4、扫风面积约为 25m 2 即可；按高风速设计的风力机体积小成本相对低些,但必需用在高风速环境,例如把一台设计风速为 10m/s 的风力机放在风速为 6m/s 的环境工作,其功率会下降 80%；按风速 6m/s 设计的风力机风轮会很大,虽在 6m/s 时运行很好,但遇大风易超速损坏电机,为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加；2风轮轴线：风轮旋转运动的轴线3旋转平面：与风轮轴垂直,叶片在旋转时的平面4风轮直径：风轮在旋转平面上的投影圆的直径5风轮中心高：风轮旋转中心到基础平面的垂直距离6风轮锥角：叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜角4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 27
5、 页精选学习资料 - - - - - - - - - 7风轮仰角：风轮的旋转轴线和水平面的夹角8叶片的轴线：叶片纵向轴线,绕其可以转变叶片相对于旋转平面的偏转角安装角9风轮翼型：叶片与半径r 并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面10安装角或浆距角：叶片径向位置叶片翼型弦线与风轮旋转面间的夹角5 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2、流线概念气体质点：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；一般情形下,各流线彼此不
6、会相交；流场中众多流线的集合称为流线簇；如下图；绕过障碍物的流线 : 当流体绕过障碍物时,流线外形会转变,其外形取决于所绕过的障碍物的外形；6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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；通 常空气动力由两部分组成：一部分是由于气流绕物体流淌时,在物体外表处的流淌速度发生 变化,引起气流压力的变化,即物体外表各处气流的速度与压力不同,从而对物体产生合成 的压力；另一部分是由于气流绕物体流淌时,在物体附面层内由于气流粘性作用产生的摩擦 力；将整个物体外表
7、这些力合成起来便得到一个合力,这个合力即为空气动力；风轮叶片是 风力机最重要的部件之一；它的平面外形与剖面几何外形和风力机空气动力特性亲密相关,特殊是剖面几何外形即翼型气动特性的好坏,将直接影响风力机的风能利用系数；气流绕风 轮叶片的流淌比较复杂,是一个空间的三元流淌；当叶片长度与其翼型弦长之比展弦比较大 时,可以忽视气流的展向流淌,而把气流绕叶片的流淌简化为绕很多段叶片元 即叶素的流 动,叶素之间相互没有干预；当每个叶素的展向长度趋向无穷小时,叶素就成了翼型,空气 绕叶素的流淌就成了绕翼型的流淌,也就成了二元流淌或平面流淌；3、升力与阻力7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页
8、,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 风就是流淌的空气, 一块薄平板放在流淌的空气中会受到气流对它的作用力,我们把这个力分解为阻力与升力；图中F 是平板受到的作用力,D为阻力, L 为升力；阻力与气流方向平行,升力与气流方向垂直；我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情形,此时平板受到的阻力最大,升力为零；当平板静止时, 阻力虽大但并未对平板做功；当平板在阻力作用下运动,气流才对平板做功；假如平板运动速度方向与气流相同,气流相对平板速度为零,就阻力为零,气流也没有对平板做功；一般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的20%至 50%时能获得较大的功率；名师归纳总结 -
9、- - - - - -第 8 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 当平板与气流方向平行时,平板受到的作用力为零阻力与升力都为零；当平板与气 流方向有夹角时,在平板的向风面会受到气流的压力,在平板的下风面会形成低压区,平板 两面的压差就产生了侧向作用力 F,该力可分解为阻力 D与升力 L；当夹角较小时,平板受到的阻力 D较小；此时平板受到的作用力主要是升力 L；截面为流线型的飞机翼片阻力很小,即使与气流方向平行也会有升力,由于翼片上外表 弯曲,下外表平直,翼片上方气流速度比下方快,跟据流体力学的伯努利原理丹尼尔 伯努利在 1726 年第一提出时的内容就是：在水流或气
10、流里,假如速度小,压强就大,假如速度大,压强就小；,上方气体压强比下方小,翼片就受到向上的升力作用；9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 当翼片与气流方向有夹角该角称攻角或迎角时,随攻角增加升力会增大,阻力也会增大,平稳这一利弊,一般说来攻角为8 至 15 度较好；超过 15 度后翼片上方气流会发生别离,产生涡流,升力会快速下降,阻力会急剧上升,这一现象称为失速；风力发电用风力机有阻力型与升力型两种,水平轴风力机基本都是升力型,垂直轴风力 机有多种阻力型结构,也有是升力型结构；3、压力中心正常工作的翼片受到下方的气
11、流压力与上方气流的吸力,这些力可用一个合力来表示,该力与弦线翼片前缘与后缘的连线的交点即为翼片的压力中心；对称翼型在不失速状态下运行时,压力中心在离叶片前缘1/4 叶片弦长位置；运行在不失速状态下的非对称翼型,在较大攻角时压力中心在离叶片前缘 1/4 叶片弦长位置,在小攻角时压力中心会沿叶片弦长向后移；10 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4、雷诺数雷诺数是衡量作用于流体上的惯性力与粘性力相对大小的一个无量纲参数,雷诺数用 Re表示, Re= v l / 式中 流体密度；v流场中的特点速度；l 特点长度； 流体
12、的粘度,流体的粘度主要随温度变化,空气的粘度随气温上升加大；而液体就相反,温度上升粘度减小；定义 为流体的运动粘度,= / 于是 Re= l /在讨论翼型的气动特性时,雷诺数；v 取翼型的运动速度, l 取翼型的弦长, 得到的就是该翼型的雷诺数对翼型气动特性影响较大,一般翼型的失速迎角随雷诺数的增大而增大、最大升 力系数也随失速攻角的增大而增大；11 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5、失速当翼片运行较小迎角时,翼片处在正常升力状态,翼片上方与下方的气流都是平顺的附着翼型外表流过, 见以下图中的 A图,此时有较
13、大的升力且阻力很小；假如将翼片迎角变大,当超过某个临界角度时,翼片上外表气流会发生别离,不再附着翼型外表流过,翼型上方会产生涡流,导致阻力急剧上升而升力下降,这种情形称为失速；见以下图中的 B图；12 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 发生转变的临界角度称之为临界迎角或失速迎角,对于不同的翼型失速迎角也不同,普通翼型多在 10 度至 15 度,一般薄翼型失速迎角稍小,厚翼型失速迎角要大一些；对于同一个翼型影响失速迎角的是翼片运行时的雷诺数与翼片的光滑度；6、相对风速风力机叶片运动时所感受到的风速是外来风速与叶片运
14、动速度的合成速度,称为相对风速；以下图是一个风力机的叶片截面,当叶片运动时,叶片感受到的相对风速为 w,它是叶片的线速度矢量u与风进叶轮前的速度矢量v的合成矢量w=u+v相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角13 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.1.2 风力机基本理论1、贝兹极限风能就是空气运动的动能,风在通过风轮时推动风轮旋转,把它的动能转变为风轮旋转的能量,但经过风轮做功后的风速不会为零,仅仅是减小,故风只能把一部分能量转交给风轮；那么风能把多大的能量转交给风轮呢,从理论上讲最大值为 59.3%,这
15、也是风力发电机组的风能利用系数的最大值,称为贝兹极限；目前高性能的风力发电机组风能利用系数约为40%；4.1.3 风力机性能参数1、风能利用系数 Cp 风功率是速度为 v 的空气经过平面 S后速度减为 0 所产生的功率, 这是抱负的情形, 事实上空气经过平面 S后并没有消逝仍得流走,速度不行能为 0,所以说风只可能把一部分能量传给平面 S；14 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在风力机中风通过风轮扫掠面积时把一部分动能传给风力机,把风轮接受的风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的动能的比值称为风能利用系数 ,依据
16、贝茨理论,风力机的最大风能利用系数是 59%,风能利用系数是衡量风力机性能的主要指标；而实际的风力机是达不到这个抱负数据的,各种形式的风轮接受风力的风能利用系数是不同的,阻力型风力机的风能利用系数较低,升力型风力机的风能利用系数较高；风力发电机组除了风轮的风能利用系数外,仍有机械传动系统效率、发电机效率等,这些效率的乘积就是风力发电机的全效率；在下表中列出了各种形式的风力发电机的全效率：2、叶尖速比风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比；15 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 以下图是一个风力机的叶轮,u 是旋
17、转的风力机风轮外径切线速度,v 是风进叶轮前的速度,叶尖速比=u/v 0.3 至 0.6 ,升力型风力机叶尖速比一般为3 至 8；阻力型风力机叶尖速比一般为在升力型风力机中,叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角,即直接关系 到叶片的攻角,是分析风力机性能的重要参数；3、实度比风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积风轮扫掠面积之比称为实度比容积比,是风力机的一个参考数据；左图为水平轴风力机叶轮,S为每个叶片对风的投影面积,B为叶片个数, R为风轮半径, 为实度比,2 =BS/ R16 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - -
18、- - - 右图为升力型垂直轴风力机叶轮,C为叶片弦长, B为叶片个数, R为风轮半径, L 为叶片长度, 为实度比；垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径与叶片长度的乘积, =BCL/2RL= BC/2R 多叶片的风力机有高实度比,适合低风速、低转速大力矩的风力机,其效率较低；风力发电机多采纳少叶片与窄叶片的低实度比风力机,可以较高效率高转速运行；4、切入风速风力机对额定负载开头有功率输出时的最小风速；设计与制造部门给出的使机组到达规定输出功率的最低风速；5、额定风速由于调剂器作用,使风力机对额定负载停止功率输出时的风速6、切出风速掌握系统使风力机风轮停止转动的最小风速；7、停车风速风力机在人工或
19、自动爱护时不致破坏的最大答应风速；8、安全风速空气在标准状态下,对应于机组额定风速时的风轮转速；9、额定转速17 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 10、额定功率 空气在标准状态下,对应于机组额定风速时的输出功率值；11、平均风速 相应于有限时段,通常指二分钟或非常钟的平均情形；12、年平均风速 依据年平均的定义确定的平均风速；通常以年平均风速来衡量所在地区的风能大小；13、风能密度 不考虑风力机械的利用系数,单位面积获得的风功率称为风能密度,并以此表征某地风能潜力的大小 v3W/m 2 1 推动风力机械运转的风
20、能功率是面积、速度、气流淌压的乘积；Pm= v 2= v3F W 2 式中： 空气质量密度kg/m 3； v风速 m/s ； F风力机械叶轮扫掠的面积 m 2 由于实际上风力机械不行能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能,因而风轮的实际功率应为 v 3FCP W 3 式中： CP风能利用系数,即风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积 F 全部风的动能比值；18 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 以水平轴风力机械为例,理论上最大风能利用系数为0.593 左右,但再考虑到风速变化和桨叶空气动力缺失等因素,风能利用系数能
21、到达 0.4 就相当高了；风能密度有直接运算和概率运算两种方法；近年来各国的风能运算中,大多采纳概率运算中的韦泊尔 Weibull 分布来拟合风速频率分布方法运算风能密度；14、有效风速和有效风能密度风力机械要依据当地的风况确定一个风速来设计的,该风速称为 “ 设计风速”或“ 额定风速” ,它与“ 额定功率” 相对应；由于风的随机性的不稳固,风力机械不行能始终在额定风速下运行； 因此风力机械就有一个工作风速范畴,即从切入风速到切出速度,称为工作风速,即有效风速； 依此运算的风能密度称为有效风能密度；依据国标 GB8974-88风力机名词术语的定义：起动风速风力机风轮由静止开头转动并能连续运转的
22、最小风速；切入风速风力机对额定负载开头有功率输出时的最小风速；切出风速由于调剂器的作用使风力机对额定负载停止功率输出的风速；工作风速风力机对额定负载有功率输出的风速范畴,一般为 320ms；从定义上可以看出,低于起动风速,风力机不能运行,而高于切出风速,风力机如连续在高风速下运行, 将会严峻损坏风力机, 甚至造成人身事故, 这特殊要引起人们的重视；15、风能与风功率一团质量为 m的空气以速度 v 运动,它所具有的动能19 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 设一个垂直于风向的平面,面积为 S,单位时间通过该平面的空
23、气质量 m为 是空气密度标准状态下 3,考虑到气温等因素本处运算取3 ,代入 1式得到风功率 P：可见同样面积下风功率的增加是按风速增加的三次方倍增加；空气在 1 秒时间里通过单位面积的动能也称为“ 风能密度” ,在此风能密度20 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - “ 风压” 就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力,风压以单位面积上的风的动压来表示：可见风压的增加是按风速增加的二次方倍增加；在运算风力机载荷时需要参考；依据国家标准,把风力发电机组的分为 5 级,按年平均风速 10 m/s、 8.5 m/s、7.
24、5 m/s、6 m/s 四种风速和特殊设计风速一个本处设为 13 m/s ,我们再增加停机风速 20 m/s 和起动风速 3 m/s 共七个风速来运算单位面积每平方米的风功率与风压,运算所得数据填于下表：年平均风速的测量方法 年平均风速就是全年逐小时风速的平均值,测量方法为观测高度距离地面 10m,采纳自动记录风速仪,每秒采样一次,连续测量 10min 运算出平均值；以正点前 10 min 测量的风速平均值代表这一个小时的平均风速,年平均风速是全年逐小时风速的平均值；对于风电场测量可按风力机轮毂高度来测量平均风速,例如距离地面 50m、60m等；一般来说年平均风速大于常用叶片的翼型6m/s 的
25、地区建风电场才可获得良好的经济效益；名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 下面是一幅常见翼型的几何参数图,该翼型的中弧线是一条向上弯曲的弧线,称这种翼型为不对称翼型或带弯度翼型；当弯度等于 0 时,中弧线与弦线重合, 称这种翼型为对称翼型, 以下图为一个对称翼型；以下图是一个性能较好的低阻翼型,是带弯度翼型,在水平轴风力机中应用较多；22 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1、带弯度翼型的升力与失速下面为一个低阻翼型的气流淌力图,翼型弦
26、线与气流方向的夹角攻角为 ,正常运 行时气流附着翼型外表流过,靠近翼型上方的气流速度比下面的气流速度快,依据流体力学的伯努利原理,翼型受到一个上升的力Fl ,当然翼型也会受到气流的阻力Fd；这是正常的工作状态,有较大的升力且阻力很小；但翼型并不是在任何情形下都能产生 大的升力；假如攻角 大到肯定程度,气体将不再附着翼型外表流过,在翼型上方气流会发 生别离,翼型前缘后方会产生涡流,导致阻力急剧上升升力下降,这种情形称为失速；见下 列图23 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 翼型什么时候开头失速,下面是这种翼型的升力
27、系数与阻力系数随攻角的变化曲线参考图,图中绿色的是升力曲线、棕色的是阻力曲线；在曲线中可看出,攻角 在 11 度以下时升力随 增大而增大,当攻角 大于11 度时进入失速状态,升力突然下降,阻力大幅上升,在 等于 45 度时升力与阻力基本相等；翼型开头失速的攻角 的值称为失速角；24 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 大多数有弯度的薄翼型与该曲线所示特性相近；在曲线图中看出翼型在攻角为 0 时依旧有升力,这是由于即使攻角为 0,翼型上方气流速度仍比下方快,故有升力,当攻角为一负值时,升力才为 0,此时的攻角称为零升
28、攻角或肯定零攻角；翼型在失速前阻力是很小的,在近似运算中可忽视不计；当攻角为 0 时,有弯度的翼型的压力中心在翼型的中部,随着攻角的增加不大于失速角压力中心向前移动到 1/4 弦长位置；2、对称翼型的升力与失速对称翼型的升力与阻力等气动特性与有弯度翼型类似,但对称翼型在攻角为零时升力为零,由于此时翼型上面与下面气流速度相同；下面是对称翼型的升力系数与阻力系数随攻角的变化曲线参考图,图中绿色的是升力曲线、棕色的是阻力曲线；在升力型垂直轴风力机中较多使用对称翼型；对称翼型的压力中心在不失速时在1/4 弦长位置,不随攻角变化而移动；名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页,共 27 页精
29、选学习资料 - - - - - - - - - 比较有弯度的薄翼与对称翼型两个曲线图,两曲线相像,可近似认为在对称翼型中升力曲线经过 0 点,随着翼型弯度增加升力曲线向左方移动；同时也近似认为在翼型失速前升力曲线的斜率是个常数,其值为 0.1/ 度或 5.73/ 弧度；以上这些曲线都是在抱负状态下的曲线,也就是翼型的雷诺数较大时的曲线；雷诺数小时最大升力系数会减小、失速攻角会减小、阻力系数也会增大；3、叶片升力的运算例如知道一个叶片的升力曲线, 知道气体的流速与叶片的攻角就可以算出该叶片受到的升力,依据空气动力学,翼型在不失速状态下的升力运算公式如下：Fl=0.5* *Cl*v*v*c*l 式
30、中 Fl 是升力,单位是 N牛顿 是空气密度,Cl 是升力系数v 是气体的流速,单位是 m/s 8m,宽度弦长为1m,空气流淌速度是c 是翼型弦长,单位是 m l 是叶片长度,单位是 m 运算例如 1： 有一个低阻型叶片,长度为20m/s,攻角为 8 度,求其升力：26 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 依据低阻型叶片曲线当攻角为 8 度时 Cl 为 1.2 ,Fl=0.5* *Cl*v*v*c*l 运算出升力为 2361.6 牛顿运算例如 2： 有一个叶片为对称翼型,长度为8m,宽度弦长为1m,空气流淌速度是 25m/s,攻角为 10 度,求其升力：对于对称翼型可依据攻角直接算出升力系数Fl=0.5* *Cl*v*v*c*l Fl=0.5*1.23*1.0*25*25*1*8=3075 运算出升力为 3075 牛顿27 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页,共 27 页