风力机理论基础

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,风力发电机,空气动力学,基础,空气动力学的基本概念,流线,阻力与升力,翼型的几何描述,翼型的气动特性,叶轮空气动力学基础,几何描述,贝兹理论,叶素理论,1,序言,风力发电机工作过程描述,风力发电机（以下简称,风力机,）是一种将风能转换为电能的,能量转换装置,。,2,风力机的系统图：,风 电力,进一步有：,风 电力,风力发电机,传动系,发电机,叶 轮,3,1 空气动力学的基本概念,空气动力学主要研究空气流过物体外部时的运动规律,。,1. 1 流线,气体质点：,体积无限小的具有质量和速度的流体微团。,流线：,在某一瞬时沿着,流场,中各气体质点的速度方向连,成的一条平滑曲线。,描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方向。,一般情况下，各流线彼此不会相交。,流场中众多流线的集合称为,流线簇,。如图所示。,4,绕过障碍物的流线:,当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。,不同形状的物体对气流的阻碍效果也各不相同。考虑这样几种的物体，它们的截面尺寸相同，但对气流的阻碍作用（用阻力系数度量）各异。,5,1. 2 阻力与升力,当气流与物体有相对运动时，气体对物体有平行于气流方向的作用力,阻力,。,定性考察飞机机翼附近的流线。,当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的。,考察二维翼型气体流动的情况。根据流体运动的,1、,质量守恒定律,，有连续性方程：,A,1,V,1,= A,2,V,2,+ A,3,V,3,其中A、V分别表示截面积和速度。下标1、2、3分别代表远前方或后方、上表面和下表面处。,2、,伯努利方程,：,P,0,= P +1/2 *, V,2,=常数,其中：,P,0,气体总压力；,P 气体静压力。,6,1 2 1,1 3 1,下翼面处流场横截面面积A,3,变化较小，流速V,3,几乎保持不变，进而静压力P,3,P,1,。,上翼面突出,，流场横截面面积减小，空气流速增大，V,2,V,1,。,使得 P,2,Ct,时，C,L,将下降。,当=,0,(0)时， C,L,=0，表明无升力。,0,称为零升力角，对应零升力线。,13,三、翼剖面的阻力特性,用阻力特性曲线来描述。,C,D,C,Dmin,CDmin,两个特征参数：最小阻力系数C,Dmin,及对应攻角,CDmin 。,14,四、极曲线,在风力机的设计中往往更关心升力和阻力的比值 升阻比L/D以及最佳升阻比。通过极曲线（又称艾菲尔曲线）来讨论。,C,Lmax,C,L,CT,有利,CDmin,C,D,C,Dmin,C,D0,0,15,说明：,极曲线上的每一点对应一种升阻比及相应的攻角状态，如,0,、,CDmin,、,CT,等。,为了得到最佳,升阻比，可从原点作极曲线的切线，由于 此时的夹角,最大，故切点处的,升阻比C,L,/C,D,=tg,最大，对应的攻角为最有利攻角,有利,。,五、压力中心,压力中心：气动合力的作用点，为合力作用线与翼,弦的交点。,作用在压力中心上的只有升力与阻力，而无力矩。,压力中心的位置通常用距前缘的距离表示。,16,六、雷诺数对翼型气动力特性的影响,关于雷诺数,层流与紊流：两种性质不同的流动状态。,雷诺数是用来界定两种状态的判据。,雷诺数的表达形式： Re=VC/,临界,雷诺数Recr： ReRecr 紊流,雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力之比。,雷诺数的影响,考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着,雷诺数的增加：,升力曲线斜率，最大升力系数与失速攻角均增加；,最小阻力系数减小；,升阻比增加。,17,1.2 叶轮空气动力学基础,叶轮的作用,：,将风能转换为机械能。,1.2.1 几何描述,叶轮轴线：叶轮旋转的轴线。,旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。,叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角安装角（重要概念）。,半径r处的桨叶剖面：距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面。,安装角：桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角，又称桨距角，记为,。,18,19,半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺旋线的螺距。,可以从几个方面来理解：,几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角,。,此处的螺旋升角为该半径处的安装角,r,。,该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。,桨距值：H=2r tg ,r,20,1.2.2 贝兹理论,贝兹理论中的假设,叶轮是理想的；,气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；,气流始终沿着叶轮轴线；,叶轮处在单元流管模型中，如图。,21,流体连续性条件：S,1,V,1,= SV = S,2,V,2,2. 应用气流冲量原理,叶轮所受的轴向推力：,F=m(V,1,-V,2,),式中m=,SV，为单位时间内的流量质量。,叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为：P=FV=,SV,2,(V,1,-V,2,),22,3. 动能定理的应用,基本公式：E=1/2 mV,2,（m同上）,单位时间内气流所做的功功率：,P=1/2 mV,2=,=1/2,SV,V,2,在,叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：,P=,1/2,SV,(V,2,1,_,V,2,2,),此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。,因此：,SV,2,(V,1,-V,2,)= 1/2,SV,(V,2,1,_,V,2,2,),整理得： V=1/2 (V,1,+V,2,),即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。,23,4. 贝兹极限,引入轴向干扰因子进一步讨论。,令： V = V,1,( 1- a ) = V,1, U,则有：V,2,=V,1,( 1- 2a ),其中： a轴向干扰因子，又称入流因子。,U=V,1,a轴向诱导速度。,讨论：,当a=1/2时，V,2,=0，因此a1/2。,又Va0。,a的范围： a 0,24,由于叶轮吸收的功率为,P=,P=,1/2,SV,(V,2,1,_,V,2,2,),= 2 S,V,1,3,a,( 1- a ),2,令,d,P/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子。,解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得,P,max,=16/27 (1/2,SV,1,3,),注意到,1/2,SV,1,3,是远前方单位时间内气流的动能功率，并定义风能利用系数Cp为：,Cp=P/(,1/2,SV,1,3,),于是最大风能利用系数Cpmax为：,Cpmax=Pmax/(,1/2,SV,1,3,)=16/270.593,此乃贝兹极限。,25,1.2.3 叶素理论,一、基本思想,将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶素；,视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；,作用在每个叶素上的力互不干扰；,将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。,二、叶素模型,端面：,桨叶的径向距离,r,处取微段，展向长度,dr,。,在旋转平面内的线速度：,U=r,。,26,翼型剖面,：,弦长,C，,安装角,。,设,V,为来流的风速，由于,U,的影响，气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为,W。,27,定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角，记为,，则有叶片翼型的攻角为：=-。,三、叶素上的受力分析,在W的作用下，叶素受到一个气动合力dR，可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。,另一方面，dR还可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT，由几何关系可得：,dFdLcos,+,dDsin,dTr(dLsin,-,dD cos,),28,由于可利用阻力系数C,D,和升力系数C,l,分别求得dD和dL:,dL,=1/2,C,L,W,2,C dr,dD=1/2,C,D,W,2,C dr,故dF和dT可求。,将叶素上的力元沿展向积分，得：,作用在叶轮上的推力：F=,dF,作用在叶轮上的扭矩：T=,dT,叶轮的输出功率：P=,dT,= ,T,29,