风力机空气动力学基本原理

.,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13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、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(TipSpeedRatio)。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