风力发电技术-空气动力学基础

1、风力发电技术风力发电机的空气动力特性风力发电机的空气动力特性试讲科目：试讲科目：风力发电机组原理与应用风力发电机组原理与应用（姚兴佳、宋俊）第二章（姚兴佳、宋俊）第二章参考资料：参考资料：风力发电原理风力发电原理（吴双群、赵丹平）（吴双群、赵丹平） 主要内容n2.1 风力发电机的概念及结构n2.2 风轮的几何参数n2.3 翼型的几何参数n2.4 翼型的空气动力特性n2.5 叶素上的气动推力和转矩n2.6 风轮上的总气动推力和总转矩2 2.1 .1 风力发电机的概念及结构风力发电机的概念及结构n风力发电就是将风的动能转换为风轮的机械能，风轮再带动发电机发电，将机械能转换为电能。图3-1 水平轴式

2、风力发电机结构简图2.2 2.2 风轮的几何参数风轮的几何参数1 1）风轮的几何定义及参数）风轮的几何定义及参数（1）风轮风轮：风轮就是叶片安装在轮毂上的总成，包括叶片、轮毂和变桨机构。（2）风轮旋转平面风轮旋转平面：风轮转动时所形成的圆面。（3）风轮直径风轮直径D：风轮扫略的圆面对应的直径。（4）风轮的轮毂比风轮的轮毂比：风轮的轮毂直径Dh与风轮直径之比。（5）叶片长度叶片长度H：叶片的有效长度，H=(D-Dh)/2（6）叶片数叶片数：风轮上的叶片数目。2 2）叶片）叶片 风轮叶片主要是为了接受风能，使风轮绕轴转动。其平面形状和剖面几何形状（翼型）与风力机空气动力学特性密切相关，从而影响风能

3、转化为电能的效率。（1）叶片翼型叶片翼型：也叫叶片剖面，它是指垂直于叶片长度方向的叶片截面而得到的形状。3 3）叶叶素理论素理论： 将叶片沿展向划分成很多小的微元段，这些微元段统称为叶素。作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。 叶素理论假设：（1）沿叶片展长方向，各相邻叶素间的流动互不干扰；（2）每个叶素所受的力仅取决于叶素的翼型的空气动力学特性。微元rr1) 中弧线：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。2) 上翼面上翼面：凸出的翼型表面。3) 下翼面下翼面：平缓的翼型表面。4) 前缘：前缘：翼型中弧线的最前点（A点）5) 后后缘：缘：翼

4、型中弧线的最后点（B点）2.3 2.3 翼型的几何参数翼型的几何参数厚度厚度 A Bt t6) 翼弦（弦线）：翼弦（弦线）：连接前缘与后缘的直线，即直线AB。其长度 为几何弦长，通常用C表示。7) 厚度厚度t：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。 厚度分布：沿着翼弦方向的厚度变化。8) 弯度弯度f：翼型中弧线与翼弦间的距离。 弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。2.3 2.3 翼型的几何参数翼型的几何参数厚度厚度 A Bt tn风轮旋转平面：风轮旋转平面：风轮转动所形成的平面，与风速V V垂直。n翼型攻角翼型攻角 在翼型平面上，实际气流来流W W与翼弦之间的夹角定义为翼型攻角，记做 ， 又称迎角。n

5、安装角安装角 风轮旋转平面与翼弦之间的夹角，记做，又叫桨距角、节距角。n入流角入流角n 实际气流入流速度W W与旋转平面的夹角。 = = + + 注：风力发电机叶片运动时所感受到的气流速度是外来风速V V与叶片运动速度u u的合成速度，称为相对风速W W。2 2.4 .4 翼型翼型的空气动力特性的空气动力特性2 2.4 .4 翼型翼型的空气动力特性的空气动力特性n考察二维叶片截面（翼型）的受力情况。根据流体运动的 1、质量守恒定律质量守恒定律，有连续性方程： A1W1 = A2W2 + A3W3 ( A:面积；W :速度) 2、伯努利方程伯努利方程： P0 = P +1/2 * W2=常数 (

6、P0:气体总压力；P :气体静压力) 下翼面处流场横截面面积A3变化较小，流速W3 几乎保持不变，进而静压力P3 P1。上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速增大，V2V1。使得 P2 Ct时，CL将下降,气流变为紊流。n当=0(CDmin 时，CD随的增加而逐渐增大；在= CDmin 时，CD达最小值2 2.5 .5 叶叶素上的气动推力和转矩素上的气动推力和转矩n 叶素微元受到的合力可以分解为平行于旋转平面的分量FQ，和垂直于旋转平面的分量T。n FQ驱动叶片围绕风轮轴旋转，进而产生转矩Q来驱动风力发电机工作。n T产生气动推力，作用在塔架上。r2 2.6 .6 风风轮上的总气动推力和总转矩轮上的总气动推力和总转矩n 叶素理论叶素理论：