偏航理论简介..docxVIP

偏航气动理论及偏航结构风力发电机偏航状态的空气动力学基础由于风向的不断变化，风轮不能时刻保持其轴向与风向平行，这种状态称之为偏航状态。偏航状态的风力发电机运行效率低于非偏航状态。为了提高风力发电机的发电效率，水平轴风力发电机都配有偏航装置，用以改变风轮的方向，时刻保持风轮轴向与风向平行，使风力发电机达到最佳的工作状态。传统的叶素-动量理论只考虑了风向与风轮平行使的情况，并不适用于偏航状态，因此需要对其修正以达到准确效果。偏航时的动量定理动量定理通常用来研究风速与风作用在叶片上的力之间的关系，用以表现风轮对风能的转换效率问题，为了便于该问题的研究，现做出以下假设1 风轮为一平面圆盘，不考虑倾斜角。2 空气无摩擦、无粘性3流过风轮的气流均匀4空气不可压缩，即空气密度不变。将动量定理直接应用于处于偏航状态的风轮时是存在一定问题的。对于未处于偏航状态的风力发电机风轮来说，实际上叶片在空间的诱导速度是不同的，在径向方向上是有一定变化的，而动量定理只能计算出平均的诱导速度。对于处于偏航状态的风力发电机而言（见图），由于叶轮与风向间存在夹角，诱导速度将会在径向角与方位角间产生变化，难以对叶轮的特性进行估价。现假设风速大小稳定，方向无变化（见下图），由于风向与叶轮间存在夹角r，随着叶片的旋转，每个叶片的攻角不断发生变化。攻角的时刻变化会在风轮叶片产生轴向推力的同时还附带径向力引起偏航倾斜力矩。当风向固定时，由动量定理可知轴向的动量变化率等于通过圆盘（致动盘）的质量变化率乘以垂直于风轮的速度变化率。其质量变化率为，速度变化率为风力发电机偏航状态见图风中带有的动能为由上式可知风流过叶轮时带来的机械能为叶片作用在圆盘上的力为 FRF式中，和分别为风轮迎风面与背风面的压力；为风轮的扫略面积；为风在无穷远处的速度；为空气的密度；为轴向诱导速度；为轴向平均诱导因数。由上式可知，令我们称为风轮的推力系数，则风轮产生的功率为现定义风轮的风能利用系数为现要使风能系数达到最大，对上式轴向平均诱导系数求导，令其一阶导数为，即因此有在理想状态下，当风向与风轮轴之间的夹角为零度时，此时的风能利用系数最大该数据表明风机最大仅能利用风能的。实际在运行时，由于风向的变化，偏航角的存在，风能的转化率要比这个数值小很多，风能利用少之又少，大约只占风能的左右。偏航时的叶素动量理论现时风力发电机桨叶的载荷都是由叶素动量理论计算出来的。叶素动量理论根据空气动力学方法对桨叶翼型进行载荷分析的一种简单方法。首先假设风机叶片之间的气流互不干扰，将风力发电机的叶片延轴向离散为无数个单元，这些小单元成为叶素。叶素则近似为二维翼型，然后将这无数叶素上的力及力矩进行积分，最终苛求出叶片上所受的力及力矩。假设风力发电机的叶片数目为，叶尖处的风轮半径为，则任意半处的叶素简图如下假设叶片的旋转速度为，叶片前端的风速为，则叶素的切向速度为，其切向诱导速度为该叶素总的切向速度为叶片上气流的速度为合速度与叶片的旋转平面的夹角（入流角）攻角由动量定理可知，在桨叶翼型不失速时，半径为处的叶素翼型所受升力（与和速度方向垂直）半径为处的叶素翼型所受阻力（与和速度方向相反）其中翼型的升力系数翼型的阻力系数叶素的轴向力与与切向力为令和分别为其中为法向力系数，为切向力系数 由以上公式可知风轮受到的轴向力以及切向力分别为在变桨系统不失速时，给定叶片的攻角及翼型升力系数与翼型阻力系数，就可以根据上式计算出桨叶的载荷。但在偏航情况下，叶素上气流的不稳定性，叶素理论的实际应用存在很大问题。Theodorsen应用升力缺损函数来修正二维升力，进而解决叶片上攻角随时间变化的问题。忽略涡流的影响，在一个叶素平面的速度分量如图所示其入流角由上图可知其中为叶素圆环半径，，为气流膨胀系数，为尾流偏斜角函数，为旋转方向上测量的叶片方位角由于叶片的攻角没有改变，叶片的升力系数与阻力系数并未发生改变，根据公式计算每个叶片的攻角，依据修正后的叶素理论便可以计算出叶素上的力和力矩。叶素动量定理叶素-动量定理是叶素理论与动量定理的合称，主要根据叶素理论与动量定理研究叶片的综合性能。根据动能定理可知，气流作用在叶素上的力的冲量与气流带来的动量是相等的。假设风力发电机偏航的角度为，风轮半径处的叶素所受轴向力分力为定义弦长的实度为定义法向力系数为考虑偏航和 Prandtl 叶尖损失[41]，由动量定理可知，偏航时的轴向动量变化率为将动量定理应用到整个风轮叶片上，由于诱导因素随着风轮半径处气流的变化而变化，在圆形平面上，因此叶素动量的大小还应该在圆形平面上进行积分，因此风在叶素上产生的轴向动量有因此有对于整个叶片而言，对叶片上的每个叶素所受的力进行求和就可以的到该叶片所受的轴向力，因此对上式在半径上进行积分可得风力发电机叶轮所受轴向力为根据叶素理论可知，叶素上所