風(fēng)力發(fā)電技術(shù)空氣動力學(xué)基礎(chǔ)

1、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機的空氣動力特性風(fēng)力發(fā)電機的空氣動力特性試講科目：試講科目：風(fēng)力發(fā)電機組原理與應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機組原理與應(yīng)用（姚興佳、宋俊）第二章（姚興佳、宋俊）第二章參考資料：參考資料：風(fēng)力發(fā)電原理風(fēng)力發(fā)電原理（吳雙群、趙丹平）（吳雙群、趙丹平） 主要內(nèi)容n2.1 風(fēng)力發(fā)電機的概念及結(jié)構(gòu)n2.2 風(fēng)輪的幾何參數(shù)n2.3 翼型的幾何參數(shù)n2.4 翼型的空氣動力特性n2.5 葉素上的氣動推力和轉(zhuǎn)矩n2.6 風(fēng)輪上的總氣動推力和總轉(zhuǎn)矩2 2.1 .1 風(fēng)力發(fā)電機的概念及結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機的概念及結(jié)構(gòu)n風(fēng)力發(fā)電就是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為風(fēng)輪的機械能，風(fēng)輪再帶動發(fā)電機發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。圖3-1 水平軸式

2、風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡圖2.2 2.2 風(fēng)輪的幾何參數(shù)風(fēng)輪的幾何參數(shù)1 1）風(fēng)輪的幾何定義及參數(shù)）風(fēng)輪的幾何定義及參數(shù)（1）風(fēng)輪風(fēng)輪：風(fēng)輪就是葉片安裝在輪轂上的總成，包括葉片、輪轂和變槳機構(gòu)。（2）風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面：風(fēng)輪轉(zhuǎn)動時所形成的圓面。（3）風(fēng)輪直徑風(fēng)輪直徑D：風(fēng)輪掃略的圓面對應(yīng)的直徑。（4）風(fēng)輪的輪轂比風(fēng)輪的輪轂比：風(fēng)輪的輪轂直徑Dh與風(fēng)輪直徑之比。（5）葉片長度葉片長度H：葉片的有效長度，H=(D-Dh)/2（6）葉片數(shù)葉片數(shù)：風(fēng)輪上的葉片數(shù)目。2 2）葉片）葉片 風(fēng)輪葉片主要是為了接受風(fēng)能，使風(fēng)輪繞軸轉(zhuǎn)動。其平面形狀和剖面幾何形狀（翼型）與風(fēng)力機空氣動力學(xué)特性密切相關(guān)，從而影響風(fēng)能

3、轉(zhuǎn)化為電能的效率。（1）葉片翼型葉片翼型：也叫葉片剖面，它是指垂直于葉片長度方向的葉片截面而得到的形狀。3 3）葉葉素理論素理論： 將葉片沿展向劃分成很多小的微元段，這些微元段統(tǒng)稱為葉素。作用在每個葉素上的力和力矩沿展向積分，就可以求得作用在風(fēng)輪上的力和力矩。 葉素理論假設(shè)：（1）沿葉片展長方向，各相鄰葉素間的流動互不干擾；（2）每個葉素所受的力僅取決于葉素的翼型的空氣動力學(xué)特性。微元rr1) 中弧線：中弧線：翼型內(nèi)切圓圓心的連線。對稱翼型的中弧線與翼弦重合。2) 上翼面上翼面：凸出的翼型表面。3) 下翼面下翼面：平緩的翼型表面。4) 前緣：前緣：翼型中弧線的最前點（A點）5) 后后緣：緣：翼

4、型中弧線的最后點（B點）2.3 2.3 翼型的幾何參數(shù)翼型的幾何參數(shù)厚度厚度 A Bt t6) 翼弦（弦線）：翼弦（弦線）：連接前緣與后緣的直線，即直線AB。其長度 為幾何弦長，通常用C表示。7) 厚度厚度t：翼弦垂直方向上上下翼面間的距離。 厚度分布：沿著翼弦方向的厚度變化。8) 彎度彎度f：翼型中弧線與翼弦間的距離。 彎度分布：沿著翼弦方向的彎度變化。2.3 2.3 翼型的幾何參數(shù)翼型的幾何參數(shù)厚度厚度 A Bt tn風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面：風(fēng)輪轉(zhuǎn)動所形成的平面，與風(fēng)速V V垂直。n翼型攻角翼型攻角 在翼型平面上，實際氣流來流W W與翼弦之間的夾角定義為翼型攻角，記做 ， 又稱迎角。n

5、安裝角安裝角 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與翼弦之間的夾角，記做，又叫槳距角、節(jié)距角。n入流角入流角n 實際氣流入流速度W W與旋轉(zhuǎn)平面的夾角。 = = + + 注：風(fēng)力發(fā)電機葉片運動時所感受到的氣流速度是外來風(fēng)速V V與葉片運動速度u u的合成速度，稱為相對風(fēng)速W W。2 2.4 .4 翼型翼型的空氣動力特性的空氣動力特性2 2.4 .4 翼型翼型的空氣動力特性的空氣動力特性n考察二維葉片截面（翼型）的受力情況。根據(jù)流體運動的 1、質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律，有連續(xù)性方程： A1W1 = A2W2 + A3W3 ( A:面積；W :速度) 2、伯努利方程伯努利方程： P0 = P +1/2 * W2=常數(shù) (

6、P0:氣體總壓力；P :氣體靜壓力) 下翼面處流場橫截面面積A3變化較小，流速W3 幾乎保持不變，進而靜壓力P3 P1。上翼面突出，流場橫截面面積減小，空氣流速增大，V2V1。使得 P2 Ct時，CL將下降,氣流變?yōu)槲闪?。n當(dāng)=0(CDmin 時，CD隨的增加而逐漸增大；在= CDmin 時，CD達(dá)最小值2 2.5 .5 葉葉素上的氣動推力和轉(zhuǎn)矩素上的氣動推力和轉(zhuǎn)矩n 葉素微元受到的合力可以分解為平行于旋轉(zhuǎn)平面的分量FQ，和垂直于旋轉(zhuǎn)平面的分量T。n FQ驅(qū)動葉片圍繞風(fēng)輪軸旋轉(zhuǎn)，進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩Q來驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機工作。n T產(chǎn)生氣動推力，作用在塔架上。r2 2.6 .6 風(fēng)風(fēng)輪上的總氣動推力和總轉(zhuǎn)矩輪上的總氣動推力和總轉(zhuǎn)矩n 葉素理論葉素理論：