Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,*,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,风力机空气(kngq)动力学基本原理,第一页，共49页。,空气(kngq)动力学研究对象,空气动力学是流体力学的一个分支，它主要研究空气与物体之间有相对运动时，空气运动的基本规律以及空气,与物体之间作用力的学科(xuk)。,运动的空气就是我们通常所说的风。,第二页，共49页。,太阳辐射造成地球表面大气压力分布不均匀，引起空气的运动就形成了风。风向和风速是描述风特征的两个重要(zhngyo)参数。,风的形成(xngchng)与定义,第三页，共49页。,风力机的组成(z chn),风力机就是将风能转换为电能的装置。通常它由风轮系统、传动系统、电气系统、控制系统和塔架系统等组成，其中(qzhng)风轮是最关键得部件之一。,第四页，共49页。,风力机的组成(z chn),第五页，共49页。,风力机风轮(fn ln)系统的类型,风力机按照风轮(fn ln)结构不同分为两大类：,垂直轴风力机,水平轴风力机,第六页，共49页。,垂直轴风力机,水平(shupng)轴风力机,第七页，共49页。,垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转。其主要优点(yudin)是可以接受来自任何方向的风,因而当风向改变时，无需对风。,对于较大型的风力机,因为受偏转与安全极限应力的限制,采用这种结构形式是比较困难的。垂直轴风力机风能利用系数低于高速垂直轴或水平轴风力机,在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下提供的功率输出较低,因而用作发电缺乏竞争力。,第八页，共49页。,水平(shupng)轴风力机,水平轴风力机按照风轮在气流(qli)中的位置分为：,上风式和下风式,第九页，共49页。,水平(shupng)轴风力机,按照风轮的旋转速度（叶尖速比(s b)），水平轴风力机也可分为:,低速水平轴风力机,高速水平轴风力机,第十页，共49页。,低速风力机的叶片数在12至24片之间不等，叶片几乎覆盖了整个(zhngg)风轮表面，这些多叶片的低速风力机特别适用于低风速环境，其起动扭矩相对较高，主要用于提水等负载扭矩较大的场合；,低速(d s)水平轴风力机,第十一页，共49页。,低速(d s)水平轴风力机,第十二页，共49页。,高速(o s)水平轴风力机,高速风力机叶片数只有1 3片，高速风力机由于速度高，特别(tbi)适用于风力发电，因此大多数发电用的风力机都是由高速风轮所驱动的。,第十三页，共49页。,高速(o s)水平轴风力机,第十四页，共49页。,风轮的组成(z chn)和功能,风轮一般由13 个叶片和轮毂所组成(z chn),其功能是将风能转换为机械能。,第十五页，共49页。,第十六页，共49页。,风轮系统工作(gngzu)原理,风轮叶片在风的作用下产生(chnshng)空气动力使风轮旋转，将风的动能转换成机械能，再将机械能转换成电能。风轮叶片的性能直接影响到能量转换的效率。,第十七页，共49页。,风轮(fn ln)叶片,风轮叶片是风力机最重要的部件之一。它的平面形状与剖面几何形状和风力机空气动力(dngl)特性密切相关,特别是剖面几何形状即翼型气动特性的好坏,将直接影响风力机的捕风效率。,第十八页，共49页。,空气动力(dngl)的产生,物体在空气(kngq)中运动或者空气(kngq)流过物体时,物体将受到空气(kngq)的作用力,称为空气(kngq)动力。,第十九页，共49页。,风轮空气(kngq)动力学的几何定义,1、风轮轴：风轮旋转运动的轴线；,2、旋转平面：与风轮轴垂直，叶片旋转时的平面；,3、风轮直径：风轮扫掠(so l)面的直径；,4、叶片轴：叶片纵向轴，绕此轴可以改变叶片相对于旋转平面的桨矩角；,5、在半径r处的叶片截面（翼型）：叶片与半径为r并以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面；,6、桨矩角：在半径r处翼型的弦线与旋转面的夹角。,第二十页，共49页。,风轮(fn ln)叶片,第二十一页，共49页。,风轮(fn ln)叶片结构,风力机叶片实质(shzh)是从叶根到叶尖径向位置上不同翼型安照不同扭角和弦长分布组成。,第二十二页，共49页。,叶片(ypin)的二维假设,气流绕风轮叶片的流动比较复杂,是一个空间的三元(sn yun)流动。当叶片长度与其翼型弦长之比(展弦比)较大时,可以忽略气流的展向流动，而把气流绕叶片的流动简化为绕许多段叶片元(即叶素)的流动,叶素之间互相没有干涉。,第二十三页，共49页。,翼型结构(jigu)和基本概念,第二十四页，共49页。,翼型的几何(j h)参数,通常翼型几何外形由下列参数决定：,翼型前缘A：翼型的前部A为圆头；,翼型后缘B：翼型的尾部B为尖型；,翼型弦线C：翼型前缘与后缘的连线称为翼型弦线弦线长度就是翼型的弦长C，弦长C是翼型的特征(tzhng)尺寸；,中弧线：翼型内切圆圆心的连线称为翼型的中弧线，对称的翼型中弧线与翼弦重合；,第二十五页，共49页。,翼型的气动(q dn)参数,翼型攻角：在翼型平面上，把来流 V 与弦线 C 之间的夹角(ji jio)定义翼型的攻角，又称为迎角。,第二十六页，共49页。,翼型的受力示意图,第二十七页，共49页。,翼型的气动(q dn)参数,当翼型攻角大于零时，因此翼型下表面压力大于上表面压力，气流在翼型上形成合力，合力 F 即为翼型受到的空气动力,其方向垂直于翼型弦线。,合力可分解为两个分力(fnl):一个分力(fnl)FL与气流方向垂直,称为升力;另一个分力(fnl)FD与气流方向相同,称为阻力。,第二十八页，共49页。,升力(shn l)、阻力和力矩系数定义,分别以V，和C表示来流速度，空气密度和翼型弦长，以M表示翼型的力矩，那么翼型的基本空气动力学特性可以由以下(yxi)无量纲系数表示：,升力系数 阻力系数,力矩系数,第二十九页，共49页。,翼型升阻特性(txng)曲线,第三十页，共49页。,风力机叶片(ypin)核心参数,风力机叶片核心参数：设计尖速比、设计风速(fn s)V、每个叶素翼型、风轮直径D、每个叶素的弦长C和安装角。,第三十一页，共49页。,风轮(fn ln)直径,给定输出功率的风力机，风轮直径D为：,P 风力机额定功率；,Cp 风能利用系数(l yn x sh)，一般取之间；,传动装置和发电机总效率，一般取；,空气密度，(15)；,第三十二页，共49页。,翼型的攻角与升阻比,翼型的选取对风轮的效率十分重要，性能优良的翼型应该(ynggi)在某一攻角范围内保持升力系数CL较高，而相应的阻力系数CD较小，即在某一攻角范围内有较高的升阻比。,第三十三页，共49页。,翼型速度(sd)三角形,第三十四页，共49页。,翼型桨距角,=+,：翼型攻角,：叶片(ypin)桨距角,：叶片(ypin)入流角,第三十五页，共49页。,设计(shj)风速,设计风速 V 取决于使用风力机地区的风能资源分布。,设计风速决定了风轮(fn ln)的最佳尖速比。,第三十六页，共49页。,风轮(fn ln)的尖速比,风轮(fn ln)的尖速比是风轮(fn ln)叶片的叶尖速度和设计风速之比(Tip Speed Ratio)。尖速比与风轮(fn ln)效率密切相关，在风力机没有过速的条件下，运转于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮(fn ln)效率。,第三十七页，共49页。,第三十八页，共49页。,翼型的选取(xunq),翼型的选取对风轮的效率十分重要，性能优良的翼型应该在某一攻角范围内保持升力系数CL较高，而相应的阻力(zl)系数CD较小，即在某一攻角范围内有较高的升阻比，另外，还应该具有良好的制造工艺性。,第三十九页，共49页。,叶素理论(lln),第四十页，共49页。,叶片气动外形(wi xn)设计结果以叶片弦长、扭角、厚度沿叶片展长方向的分布形式给出。,叶片(ypin)弦长分布,设计(shj)案例,第四十一页，共49页。,叶片(ypin)扭角分布,设计(shj)案例,第四十二页，共49页。,叶片相对厚度(hud)分布,设计(shj)案例,第四十三页，共49页。,设计(shj)案例,水平轴风力机按照风轮在气流(qli)中的位置分为：,风轮叶片在风的作用下产生(chnshng)空气动力使风轮旋转，将风的动能转换成机械能，再将机械能转换成电能。,第四十六页，共49页。,第二十九页，共49页。,第三十六页，共49页。,垂直轴风力机风能利用系数低于高速垂直轴或水平轴风力机,在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下提供的功率输出较低,因而用作发电缺乏竞争力。,当翼型攻角大于零时，因此翼型下表面压力大于上表面压力，气流在翼型上形成合力，合力 F 即为翼型受到的空气动力,其方向垂直于翼型弦线。,扭矩系数CM 则是表示风轮输出负载扭矩的参数，它决定了齿轮箱的尺寸和发电机的选型；,第四十四页，共49页。,它的平面形状与剖面几何形状和风力机空气动力(dngl)特性密切相关,特别是剖面几何形状即翼型气动特性的好坏,将直接影响风力机的捕风效率。,翼型的选取(xunq),风轮的组成(z chn)和功能,把叶片(ypin)和轮毂组装起来就是风轮了，在风力机整机中风轮还有以下参数：,尖速比与风轮(fn ln)效率密切相关，在风力机没有过速的条件下，运转于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮(fn ln)效率。,Cp 风能利用系数(l yn x sh)，一般取之间；,风轮(fn ln)参数,把叶片(ypin)和轮毂组装起来就是风轮了，在风力机整机中风轮还有以下参数：,叶片(ypin)数：组成风轮的叶片(ypin)个数。,锥角：叶片(ypin)与旋转轴垂直平面的夹角,风轮仰角：风轮旋转轴与水平面的夹角。,第四十四页，共49页。,风轮(fn ln)参数,第四十五页，共49页。,风轮(fn ln)的性能参数,第四十六页，共49页。,通常用上面(shng min)三个无量纲系数用来表示风力机的特征性能指标。,推力系数CT 直接关系到风轮轴向推力的大小，在很大程度上影响了风力机塔架的设计；,风轮(fn ln)的性能参数,第四十七页，共49页。,风轮(fn ln)的性能参数,扭矩系数CM 则是表示风轮输出负载扭矩的参数，它决定了齿轮箱的尺寸和发电机的选型；,风能利用系数CP（也称为功率系数）决定了风力机风轮从风中所能获得的能量的能力，即它是反映(fnyng)风力机的效率的参数。,第四十八页，共49页。,谢谢(xi xie)大家！,第四十九页，共49页。,