风力机空气动力学培训教材 40页15737字2013.3.7.docVIP

风力机空气动力学(培训教材) 目录 目录……………………………………………………………………………………1 1.概述 3 2.基本理论 3 2.1动量理论 4 2.2叶素理论 4 2.3动量——叶素理论 8 3风力机空气动力设计 9 3.1风力机几何参数 9 3.1.1 叶片几何参数 9 3.1.2 风轮几何参数 9 3.2 风力机空气动力设计参数 9 3.2.1 叶片数 9 3.2.2风轮直径 10 3.2.3 额定风速 10 3.2.4 叶尖速比 10 3.2.5 风轮转速 10 3.2.6 塔架高度 10 3.3 风力机翼型 10 3.3.1 风力机翼型 10 3.3.2 翼型几何参数 11 3.3.3翼型空气动力特性 11 3.3.3.1升力特性 11 3.3.3.2阻力特性 12 3.3.3.3翼型表面粗糙度对升力特性的影响 13 3.3.3.4雷诺数对翼型空气空力特性影响 14 3.4风力机叶片气动外形设计 14 3.4.1设计参数 14 3.4.2翼型选择 14 3.4.3设计方法 14 4.风力机性能 15 4.1性能计算方法 15 4.2风轮功率特性 16 4.2.1 风轮实度影响 16 4.2.2风轮偏航角影响 16 4.2.3叶片桨距角（安装角）影响 17 4.3风轮转矩特性 18 4.4风轮轴向力（推力）特性 19 4.5风力机功率特性 21 4.5.1 失速型风力发电机组的功率特性 21 4.5.2 变速恒频型风电力发电机组的功率特性 21 4.5.3主动失速型风力发电机组的功率特性 21 5.风力机载荷 23 5.1风力机载荷情况 23 5.1.1 载荷分类 23 5.1.2 载荷情况 23 5.1.3安全系数 25 5.2风力机载荷计算 25 5.2.1风力机载荷特性 25 5.2.1.1叶片上的载荷 25 5.2.1.2轮毂上的载荷 26 5.2.1.3主轴上的载荷 29 5.2.1.4 机舱上的载荷 30 5.2.1.5 偏航系统上的载荷 30 5.2.1.6塔架上的载荷 30 5.2.2风力机载荷计算实例 30 5.2.2.1结构型式主要技术设计参数 30 风轮在不同风速、不同尖速比运行状态下的功率、转矩和推力变化数据 31 5.2.2.2风轮叶片的载荷计算 33 5.2.2.2.1叶片轴的载荷、应力及强度校核 33 5.2.2.2.2实例计算结果 36 6.风力机气动弹性 38 6.1 风力机的振动 38 6.1.1叶片的振动 38 6.1.2风力机有害振动的成因 39 6.1.3消除风力机有害振动的几项技术措施 40 1.概述 风能工程是踪合性很强的技术科学，涉及到气象学、空气动力学、结构动力学、机械学、计算机技术、控制技术、材料工程、机电工程和环境科等学多学科和多专业，其中空气动力性则是关键的学科这之一。风力机是风能利用工程中的核心装备，风吹过风轮产生空气动力使风轮旋转，将空气动力转换成机械能，再通过传动系统和电气系统将机械能转换成电能。其中风轮是能量转换的关键部件。一个空气动力性能好的风力机应具有较高的功率系数，以获得更高的经济效益，而且在使用安全可靠方面，以及降低环境噪声等方面都有良好的技术效益和社会效益。因此，风力机的空气动力学主要是研究和解决风轮叶片的空气动力问题。 风力机空气动力学的研究内容主要包括：风力机空气动力模型、风力机翼型空气动力特性、风力机叶片空气动力设计、风力机风轮性能计算、风力机空气动力载荷计算、风力机气动弹性稳定性和动力响应、风力机空气动力噪声和风力机在风电场中的布置等。 风力机空气动力学问题的研究方法有：理论计算、风洞试验、风场测试。 2.基本理论 风力机空气动力学问题的描述、解析和求解的理论有：动量理论、叶素理论、动量—叶素理论和涡流理论。其中动量—叶素理论是风力机风轮叶片气动设计的理论基础。 2.1动量理论 动量理论用来描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系，计算出风轮能从风的动能中转换成多少机械能。 2.2叶素理论 叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的流动互相之间没有干扰，即叶素可以看成是二维翼型。可以由一个直角坐标系来描述气流流经叶素时产生的作用力。如图2.1所示，无穷远处的风速V∞ 吹向翼型将产生两个分力：即垂直于来流速度的升力L和平行于来流速度的阻力D，此翼型用于飞行器时，比值L/D越大越好。升力是用来克服重力的力，因此升力越大能提起离开地面的质量越大，而阻力则是越小越好。为了进一步解析这个物理现象，需要引入两个系数，即升力系数和阻力系数，其定义为： 图2-1 叶素上的气流速度三角形 和空气动力分量 此处ρ是空气密度，C是翼型