风力机设计理论及方法第3章 风力机的基本设计理论1.ppt

1、第3章 风力机的基本设计理论,3.1、贝兹理论： 第一个关于风轮的完整理论是山哥廷根研究所的A贝茨建立的。 贝兹理论是应用一元定常流动的动量方程来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。贝兹理论的假设条件如下：,风轮流动模型可简化成一个单元流管； 风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘, ； 风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；对通过风轮的气流没有阻力。 风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即P1=P2 ，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的； 作用在风轮上的推力是均匀的。,将动量方程用于图3-1所示的控制体中，可得作用在风轮上的推力为,式中,风轮

2、前方的风速，m/s；,叶片扫掠后的风速，m/s；,单位时间内的质量流量，kg/s。,式中 空气密度，kg/m3； 叶片扫掠的面积，m2； 实际通过风轮的风速，m/s。,根据风轮前后的压力差，作用在风轮上的推力又可写成,式中,风轮前压力，Pa或kPa；,风轮后压力，Pa或kPa。,应用伯努利方程,可得,式中,风经过叶片时的速度，m/s。,令 则 式中 轴向干扰因子， 当 时， ； 时； 对正常风车状态 。,风轮的轴功率可用下式计算 将 代入,得 风轮最大轴功率发生在 时， 求得 或 。,出现最大风轮轴功率 由风能利用系数的定义,这就是著名的贝兹极限。 式中 风能利用系数。,3.2、 经典设计理论

3、： 目前水平轴风力机的气动分析基础理论除了贝兹理论外，还有涡流理论、叶素理论、动量理论等，并且在设计的过程中，是这些理论的一个综合应用。,3.2.1、涡流理论,当轮毂旋转时，每个叶片对轮毂的涡流形成产生一定的作用。此外，为了确定速度场，可将各叶片的作用以一边界涡代替。所以风轮的涡线系统可以如图所示。,图3.2 风轮的涡流系统,对于空间的某一给定点，其风速可认为是由非扰动的风速和涡流系统产生的风速之后，由涡流引起的风速可看成是由下列3个涡流系统叠加的结果。 （1）中心涡，集中在转轴上 （2）每个叶片的边界涡 （3）每个叶片尖部形成的螺旋涡 涡系的存在，引入诱导因子，有风轮旋转平面处气流的轴向速度

4、：,旋转平面内气流相对于叶片的角速度为：,（3-2）,（3-3）,（3-4）,3.2.2、叶素理论,图3.3 叶剖面和气流角的受力关系图,在这里和下面将要提到的动量理论中干扰系数共有2个：（1）轴向干扰系数a；（2）切向干扰系数b。其物理意义表示气流在通过风轮时，气流的轴向速度与切向速度都有发生变化。而这个变化就是以a、b为系数时对气流速度所打的折扣，可从叶素气动力三角形中看得很清楚。,（3-5）,（3-6）,3.2.3、动量理论,动量理论是William Rankime 于1865年提出的。假设作用于叶素上的力仅与通过叶素扫过圆环的气体动量变化有关，并假定通过临近圆环的气流之间不发生径向互相

5、作用。在风轮扫掠面内半径r处取一个圆环微元体，如图所示，应用动量定理，作用在风轮（R,R+dR）环形域上的推力为：,（3-7）,（3-8）,（3-9）,动量理论说明了作用于风轮上的力和来流速度间的关系，能够解答风轮转换机械能和基本效率问题。,3.2.4、动量-叶素理论,动量-叶素理论结合了动量和叶素理论，计算出风轮旋转面中的轴向干扰系数a和轴向干扰系数b。 由动量理论可得作用在风轮扫掠面内半径r处取一个圆环微元体上的推力和转矩分别为：,3.2.5、叶片梢部损失和根部损失修正,3.2.6、塔影效果,式中，D为塔架直径；x和y表示轴向和侧向相对于塔架中心的坐标；括号中的第二项为气流减少量，把塔影效

6、果引起的流速减少量化到风速诱导因子中去，即U(1-a)，然后应用叶素-动量理论。,3.2.7、偏斜气流修正,最初的动量理论设计依据是轴向气流，而风力机经常运行在偏斜气流情况下，这样风轮后尾涡产生偏斜，为此须对动量理论做修正。,3.3、 风力机叶片的空气动力特性： 不论风力机的形式如何，叶片都是至关重要的部件，为了很好的理解叶片的功能，必须懂得有关翼型的基本空气动力学知识。,3.3.1、翼型的几何定义,图3.5 翼的概念及翼的受力分析,3.3.2 翼型介绍,（1）NACA XYZZ X表示翼型最大相对弯度的百倍数值；Y表示最大弯度相对位置的10倍数值；ZZ表示最大相对厚度的百倍数值。 NACA

7、2412表示翼型的相对弯度为2%，最大弯度在弦长的0.4位置处，相对厚度为12%,（2）NACA XYWZZ X表示翼型弯度，这个数乘以3/2就是设计升力系数的10倍；Y表示最大弯度相对位置的20倍；W表示中弧线后段的类型：直线取1，其他取0；ZZ表示最大相对厚度的百倍数值。 NACA 23012表示设计升力系数为2 (3/20)=0.3 ,最大弯度在30/20=1.5，中弧线后段为直线，相对厚度为12%,（4） NACA 653-218 6表示六系列；5表示厚度分布使零升力下的最小压力位置的0.5位置处；3表示有利升力系数范围为0.3；2表示设计升力系数为0.2；18表示相对厚度为18%。,

8、（3）NACA XXXX-YY或NACA XXXXX-YY X为未修改的NACA四、五位数字翼型的表达式；第一个Y表示前缘半径的大小，第二个Y表示最大厚度相对位置的10倍数值。,这种翼型具有较高的升阻比和较大的升力系数，其失速时对翼型表面的粗糙度敏感也较低。对于直径为10-30m风轮的叶片设计了SERI S805 A翼型，应用该翼型系列时主要用于年平均风速在10m高度处为4.5-6.2之间的风场。,该翼型由美国国家可再生能源实验室所研制，主要应用与大中型叶片，有3个薄翼型族和3个厚翼型族。这些翼型能有效减小由于昆虫残骸和灰尘积累使桨叶表面粗糙度增加而造成的风轮性能下降，并且能增加能量最大输出和改