风力发电技术空气动力学基础课件.ppt

风力发电技术,风力发电机的空气动力特性,试讲科目：风力发电机组原理与应用（姚兴佳、宋俊）第二章参考资料：风力发电原理（吴双群、赵丹平）,主要内容,2.1 风力发电机的概念及结构2.2 风轮的几何参数2.3 翼型的几何参数2.4 翼型的空气动力特性2.5 叶素上的气动推力和转矩2.6 风轮上的总气动推力和总转矩,2.1 风力发电机的概念及结构,风力发电就是将风的动能转换为风轮的机械能，风轮再带动发电机发电，将机械能转换为电能。,图3-1 水平轴式风力发电机结构简图,2.2 风轮的几何参数,1）风轮的几何定义及参数（1）风轮：风轮就是叶片安装在轮毂上的总成，包括叶片、轮毂和变桨机构。（2）风轮旋转平面：风轮转动时所形成的圆面。（3）风轮直径D：风轮扫略的圆面对应的直径。（4）风轮的轮毂比：风轮的轮毂直径Dh与风轮直径之比。（5）叶片长度H：叶片的有效长度，H=(D-Dh)/2（6）叶片数：风轮上的叶片数目。2）叶片 风轮叶片主要是为了接受风能，使风轮绕轴转动。其平面形状和剖面几何形状（翼型）与风力机空气动力学特性密切相关，从而影响风能转化为电能的效率。（1）叶片翼型：也叫叶片剖面，它是指垂直于叶片长度方向的叶片截面而得到的形状。,3）叶素理论：将叶片沿展向划分成很多小的微元段，这些微元段统称为叶素。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。叶素理论假设：（1）沿叶片展长方向，各相邻叶素间的流动互不干扰；（2）每个叶素所受的力仅取决于叶素的翼型的空气动力学特性。,1)中弧线：翼型内切圆圆心的连线。对称翼型的中弧线与翼弦重合。2)上翼面：凸出的翼型表面。3)下翼面：平缓的翼型表面。4)前缘：翼型中弧线的最前点（A点）5)后缘：翼型中弧线的最后点（B点）,2.3 翼型的几何参数,6)翼弦（弦线）：连接前缘与后缘的直线，即直线AB。其长度 为几何弦长，通常用C表示。7)厚度t：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。厚度分布：沿着翼弦方向的厚度变化。8)弯度f：翼型中弧线与翼弦间的距离。弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。,2.3 翼型的几何参数,风轮旋转平面：风轮转动所形成的平面，与风速V垂直。翼型攻角 在翼型平面上，实际气流来流W与翼弦之间的夹角定义为翼型攻角，记做，又称迎角。安装角 风轮旋转平面与翼弦之间的夹角，记做，又叫桨距角、节距角。入流角 实际气流入流速度W与旋转平面的夹角。=+,2.4 翼型的空气动力特性,2.4 翼型的空气动力特性,考察二维叶片截面（翼型）的受力情况。根据流体运动的 1、质量守恒定律，有连续性方程：A1W1=A2W2+A3W3(A:面积；W:速度)2、伯努利方程：P0=P+1/2*W2=常数(P0:气体总压力；P:气体静压力)下翼面处流场横截面面积A3变化较小，流速W3 几乎保持不变，进而静压力P3 P1。上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速增大，V2V1。使得 P2 P1，即压力减小。由于翼型上下表面所受的压力差，使得翼型受到向上的作用力升力。再由于气流和翼型有相对运动，翼型受到平行于气流方向的阻力。,二维叶片截面的气体流动特性,2.4 翼型的空气动力特性,设风的气流速度为W(如下图所示），风吹过叶片时，叶素微元受到垂直气流方向的升力，记为FL和平行于气流方向的阻力，记为FD。,2.4 翼型的空气动力特性,式中，Cr-空气动力系数。由于升力和阻力是相互垂直的,故,实际上叶素微元受到的是合力F，F可用下式表示。,2.4 翼型的空气动力特性,翼剖面的升力特性 翼型的升力特性用升力系数CL随攻角的变化曲线（升力特性曲线）来描述。如图。CL CLmax 0 CT,当=0 时，CL0，气流为层流。在0CT之间，CL与呈近似的线性关系，即随着的增加，升力FL逐渐加大。当=CT时，CL达到最大值CLmax。CT称为临界攻角或失速攻角。当Ct时，CL将下降,气流变为紊流。当=0(0)时，CL=0，表明无升力。0称为零升力角，对应零升力线。,翼剖面的阻力特性,用阻力系数CD随攻角变化的曲线（阻力特性曲线）来描述。CD CDmin CDmin 两个特征参数：最小阻力系数CDmin及对应攻角CDmin。当CDmin 时，CD随的增加而逐渐增大；在=CDmin 时，CD达最小值,2.5 叶素上的气动推力和转矩,叶素微元受到的合力可以分解为平行于旋转平面的分量FQ，和垂直于旋转平面的分量T。FQ驱动叶片围绕风轮轴旋转，进而产生转矩Q来驱动风力发电机工作。T产生气动推力，作用在塔架上。,r,2.6 风轮上的总气动推力和总转矩,2.6 风轮上的总推力和总转矩,