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风力机空气动力学知识 1.概述 1.1研究背景 一个空气动力性能好的风力机不但可获得高的功率系数，进而得到好的经济效益，而且在使用安全可靠方面，以及减少环境噪声方面都有良好的技术效益和社会效益。 1.2研究内容 风力机是风能工程中的核心，其中风轮是关键部件。风轮叶片在风的作用下产生空气动力使风轮旋转，将动能转换成机械能，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。 1.3研究方法 理论计算、风洞试验、风场测试 2.基本理论 在风力机的工程实践中，通过三个方法解决风力机的空气动力学问题描述、解析和求解风轮的空气动力学问题。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，就可以求的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。 图2-1 叶素上的气流速度三角形和空气动力分量 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 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 2.2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（小的也片段）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得到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 叶片弦长是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，用表示，=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 7）叶片桨距角：叶片尖部剖面翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。 2.风轮几何参数 1）风轮叶片数：组成风轮的叶片的个数，用B表示。 2）风轮直径：风轮旋转时风轮外圆直径，用D表示。 3）风轮面积：通常指风轮扫掠面积，用A表示。A=πD2/4 4）风轮锥角：叶片与旋转轴垂直的平面的夹角，用χ表示。锥角的作用是在风轮运行状态下，减少离心力引起的叶片弯曲应力或防止叶片梢部与塔架碰撞。 5）风轮仰角：风轮旋转轴与水平面的夹角，用η表示。仰角的作用是防止叶片梢部与塔架碰撞。 6）风轮偏航角：来流速度矢在水平面上的分量与通过风轮旋转轴的铅垂面的夹角，用β表示。 7）风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，用σ表示，σ=BAb/A。 8）风轮高度：风轮轮毂中心的离地高度，用Hh表示。 3.2风力机空气动力设计参数 1.叶片数 水平轴风力发电机组的风轮叶片一般是2片或3片，其中3片占多数。 当风轮直径和风轮旋转速度相同时，对刚性轮毂来说，作用在两叶片风轮的脉动载荷要大于三叶片风轮。另外，实际运行时，两叶片风轮的旋转速度要大于三叶片风轮，因此，在相同风轮直径时，由于作用在风轮上的脉动载荷引起的风轮轴向力（推力）的周期变化要大一些。