第二章 风力机基本理论及工作原理.ppt

风力机空气动力学基础知识 升力与阻力 风就是流动的空气，一块薄平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力，我们把这个力分解为阻力与升力。图中F是平板受到的作用力，D为阻力，L为升力。阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直 先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，升力为零。当平板静止时，阻力虽大但并未对平板做功；当平板在阻力作用下运动，气流才对平板做功；如果平板运动速度方向与气流相同，气流相对平板速度为零，则阻力为零，气流也没有对平板做功。一般说来受阻力运动的平板速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率。  当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零（阻力与升力都为零）。 当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会受到气流的压力，在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力D与升力L。  当夹角较小时，平板受到的阻力D较小；此时平板受到的作用力主要是升力L。  截面为流线型的飞机翼片阻力很小，即使与气流方向平行也会有升力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。  当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。风力发电用风力机有阻力型与升力型两种，水平轴风力机基本都是升力型，垂直轴风力机有多种阻力型结构，也有是升力型结构。  贝兹极限 风能就是空气运动的动能，风在通过风轮时推动风轮旋转，把它的动能转变为风轮旋转的能量，但经过风轮做功后的风速不会为零，仅仅是减小，故风只能把一部分能量转交给风轮。那么风能把多大的能量转交给风轮呢，从理论上讲最大值为59.3%，这也是风力发电机组的风能利用系数的最大值，称为贝兹极限。目前高性能的风力发电机组风能利用系数约为40%。 叶尖速比 风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比。 下图是一个风力机的叶轮，u是旋转的风力机风轮外径切线速度，v是风进叶轮前的速度，叶尖速比λ  λ=u/v 实度比 风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。  左图为水平轴风力机叶轮，S为每个叶片对风的投影面积，B为叶片个数，R为风轮半径，σ为实度比，  σ=BS/πR2 右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长，B为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度，σ为实度比。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径与叶片长度的乘积，  σ=BCL/2RL= BC/2R 多叶片的风力机有高实度比，适合低风速、低转速大力矩的风力机，其效率较低。风力发电机多采用少叶片与窄叶片的低实度比风力机，可以较高效率高转速运行。 3. 垂直轴风力机 垂直轴风力机的分类 垂直轴风力机的主要特点 达里厄型垂直轴风力机 S型垂直轴风力机 其他垂直轴风力机 直驱式垂直轴风力发电机 阻力型风力机 萨窝纽斯型（Savonius type）风力机，选用的是S型风轮。它由两个半圆筒形叶片组成，两圆筒的轴线相互错开一段距离。其优点是启动转矩大，启动性能良好，但是它的转速低，风能利用系数低 。 升力型风力机 利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄式风力机，其风能利用系数最高。多种达里厄式风力发电机，如Φ型，△型，H型等。这些风轮可以设计成单叶片、双叶片、三叶片或者多叶片。 优点 1）寿命长，易维护安装 2）利于环保 3）无需偏航对风 4）叶片制造工艺简单 5）运行条件宽松 缺点 1）风能利用率 2）起动风速 3）增速结构 叶素理论 叶素理论的出发点是将风轮叶片延展向分成许 多微段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的 流动相互之间没有干扰，即叶素可以看成是二维翼 型，这时，将作用在每个叶素上的力和力矩延展向 积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。 * * 翼型：也叫翼剖面，指用垂直于叶片长度方向的平面去截叶片而得到截面形状。 一 叶片的相关术语 t U α A B 后缘：翼型的尖尾（B点）。 后缘角：后缘处上下弧线之间的夹角。 前缘：翼型周线圆头上距后缘最远的点（A点）。 前缘半径rN：翼型前缘处内切圆的半径。rN与t 之比称相对前缘半径。 翼弦（弦长）：连接翼型前后缘的直线段（AB)，为弦线，长度为t。叶片根部剖面的翼型弦长称根弦，尖部剖面翼型弦长称尖弦