风力机空气动力学知识 64帧.pptVIP

风力机空气动力学知识 主要内容： 1.概述： 2.基本理论 ： 动量理论 ； 叶素理论 ； 动量——叶素理论 。 3.风力机空气动力设计 ： 几何参数 ； 空气动力设计参数 ； 翼型 ； 叶片气动外形设计。 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。 一个空气动力性能好的风力机不但具有较高的功率系数，较好的经济效益，使用安全可靠方面以及减少环境噪声各方面都有良好的技术效果和社会效益。 风力机是风能工程中的核心装备，其中风轮是关键部件。 在风的作用下形成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。 因此，风能工程中的空气动力问题主要是风轮叶片的空气 动力问题。 风力机空气动力学涉及的主要内容包括：空气动力模型、翼型空气动力特性、叶片空气动力设计、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。研究风能工程中的空气动力问题方法有：理论计算、风洞试验、风场测试。 理论计算是将空气动力性的基本理论用于建立风力机的空气动力模型，研究风力机的空气动力特性。由于风力机的空气动力学问题比较复杂，目前理论计算还有一定的局限性，还需通过风洞试验和风场测试的方法来补充和完善。 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。 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，将作用在每个叶素 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。 对每个叶素来说，其速度 可以分解为垂直于风轮旋转 平面的分量Vx0和平行于风 轮旋转平面的分量Vy0，速 度三角形和空气动力分量如 图2-1所示。 图中：φ角为入流角，α 为迎角，θ为叶片在叶素处 的几何扭角。 合成气流速度V0引起的作用在长度为dr叶素上的空气动力 dFa可以分解为法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分别表 示为： 式中 ：V0——合成气流速度； ρ——空气密度； c——叶素剖面弦长 Cn、Ct——分别表示法向力系数和切向力系数 这时，作用在风轮平面dr圆环上的轴向力（推力）可表示为 式中B——叶片数。 作用在风轮平面dr圆环上的转矩为 2.3动量——叶素理论 动量叶素理论主要通过动量理论和经典翼型理论以及一些 必要合理的假设，得到叶素（小的叶片段）位置的诱导速度。 通过迭代方法求的轴向诱导因子a和周向诱导因子b，迭代步 骤如下： （1）假设a和b的初值，一般可取0； （2）计算入流角 （3）计算迎角 （4）根据翼型空气动力特性得到叶素的升力系数Cl和阻力系数Cd； （5）计算法向力系数Cn和切向力系数Ct （6）计算新的a和b值 （7）比较计算的a和b值与上一次的a和b值，如果误差小于 设定的误差值（一般可取0.0001），则迭代终止；否则，再 回到（2）继续迭代。需要指出的是：当风轮进入涡环状态 时，还要用经验公式对动量—叶素理论进行修正。 迭代求的a和b值后，根据叶素理论可以积分求得风轮主轴 与力与力矩，进而求得风能利用系数等参数。 3.风力机空气动力设计 3.1风力机几何参数 1.叶片几何参数 1）叶片长度：叶片展向的最大长度，用L表示。 2）叶片弦长：叶片各剖面处翼型的弦长，用c表示。叶片 弦长沿展向变化，叶片根部剖面的翼弦称翼根弦，用cr表 示，叶片梢部剖面的翼弦称翼稍弦，用ct表示。 3）叶片面积：是叶片无扭角时在风轮旋转平面上的投影 面积，用Ab表示。 4）叶片平均几何弦长：是叶片面积Ab与叶片长度的比 值，用C表示，C=Ab/L 5）叶片扭角：用θ表示，它是叶尖桨距角为零的情况下， 叶片各剖面的翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。 6）叶片转轴(机械回