风机叶轮空气动力学讲义
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– 作用在翼型上的气动力特性将直接影响整个叶片的 性能。
翼型的气动特性
• 雷诺数的影响 影响低速翼型性能的最重要的流体因素是流体 的粘性，它间接产生升力而直接产生阻力，造成 流体分离。这种影响用雷诺数表示。 随雷诺数增加，升力曲线斜率增加，最大升力 系数增加，失速临界攻角增加；最小阻力系数减 小；翼型升阻比也增加 对于风机翼型，雷诺数范围在(10~0.7)×106, 这表明风机翼型通常都不运行在敏感的低雷诺数 范围。
影响风机性能的重要几何参数
• 1、叶片数 B 风机叶片数目是风力发电机组最直观的特征。 目前被普遍采用的形式是三叶片。
一叶、二叶、三叶风机示意图
不同叶片数、叶尖数比与风能利用系数关系图
影响风机性能的重要几何参数
由图可以看出： • 随着叶片数的增加，其效率也在增加，但增加的 幅度在逐渐减小。这意味着当叶片数增加到一定 程度之后，其效率增加所带来的好处将无法弥补 相对需增加的制造成本； • 随着叶片数的减少，其最佳叶尖速比在增加。这 意味着当叶片数减少，转速需增加以产生相同的 旋转动能，但转速增加则意味着噪音问题更加严 重（风机噪音与叶尖速度的5次方成正比）。
风机叶轮性能分析技术
合速度下，叶素的升力和阻力分别为：
dL
式中翼型的升力系数Cl，阻力系数Cd取决于叶素 的迎角。 叶素的垂向力和切向力分别为：
翼型的气动特性
• 边界层的影响 翼型的气动特性和翼型表面的边界层密切相 关。在低雷诺数下，翼型表面从层流边界发展为 完全分离和失速；在中雷诺数下，翼型表面从层 流边界层经过分离气泡，再附着发展为湍流边界 层；在高雷诺数下，翼型表面从层流边界经过转 捩发展为湍流边界层。 不同的边界层发展情况对翼型的气动特性，特 别是阻力特性有较大的影响。尤为显著。
风机叶轮性能分析技术
风速流经桨盘时，其速度值会减小，定义轴向 诱导因子 。在满足质量守恒、动量守恒 和Bernoulli方程的条件下可以推导出叶轮的推力 系数和功率系数
风机叶轮性能分析技术
• 3、叶素理论 叶素理论最早由Drzewiwcki在19世纪末提出， 是叶轮空气动力学研究中被广泛采用的又一经典 理论 叶素理论把桨叶视作由若干个叶素构成。假设 叶素的气动载荷是准二维的，即每个叶素类似于 一个二维翼型来产生气动作用。于是，对叶素气 动载荷的计算便等同于二维翼型气动载荷的计算。 沿桨叶径向积分就可以得整个叶片进而整个叶轮 的气动特性。
影响风机性能的重要几何参数
• 2、叶片外形 风机叶轮效率与叶片外形直接相关。 叶片外形主要包括两部份：桨距角分布(r)和 弦长分布c(r)。
影响风机性能的重要几何参数
• 理想的桨距角分布将使叶片在设计叶尖速比运转 时，其升力与阻力之比达到最大。为达此目的， 通常桨距角的分布会沿径向作变化。最佳桨距角 分布可以由当地的入流角和最佳攻角计算得到：
风机叶轮性能分析技术
• 1 、风机叶轮性能的表示 风机叶轮的性能通常以风能利用系数表示。
风机叶轮性能分析技术
• 2、动量理论 风机叶轮吸收风能转换为机械能的过程可以用 动量理论来模拟。动量理论又称滑流理论，其 起源可以追溯到19世纪的船用螺旋桨的研究。
动量理论采用如下假设： • 空气是无粘、不可压缩的理想流体； • 视叶轮为一个无厚度的桨盘，流过桨盘的 气流为均匀滑流。换言之，流动是一维的。
翼型的气动特性
• 湍流度的影响 通常情况下，湍流度增加，翼型的阻力系数和 最大升力系数增加，最大升阻比减小。 • 攻角的影响 上述气动特性大多在小攻角范围，在大攻角情 况下，其变化要复杂得多。 风机叶片的工况很宽，不仅涉及小攻角情况， 而且涉及失速和大攻角范围的升、阻特性。由于 大功角的气动特性变化复杂，纯理论计算相当困 难，因而大多依据相应的试验得到较可靠的结果。
翼型的气动特性
• 粗糙度的影响 翼型表面由于材料、加工能力以及环境的影响， 使表面不可能绝对光滑，而呈凹凸不平。这些凹 凸不平的波峰和波谷之间的高度的平均值称粗糙 度。 通常粗糙的型面和光滑的型面相比，翼型的升 力系数降低，阻力系数增加。其程度与雷诺数和 翼型的几何外形等相关。 通常翼型前缘向后到20－30%弦长处的上下 表面对翼型气动特性影响较为明显。
叶轮空气 动力简介
朱雨 2008.02
新疆金风科技股份有限公司
前言
• 风力发电的原理是利用风力带动风机叶轮旋转 （风能转换成机械能），再通过传动轴驱动发电 机产生电能（机械能转换成电能）。因此，风机 叶轮效率的高低直接影响了发电系统产生电能的 多寡。 • 本次课程将对风机叶轮系统涉及的主要空气动力 学理论和技术作一简单介绍，以供参考。 一、 影响风机性能的重要几何参数 二、风机叶片性能分析技术 三、风机叶片上的流场控制装置
• 与桨距角相关联的另一概念是扭转角。某一径向 位置的扭转角即为其桨距角与基准径向位置桨距 角之差。
影响风机性能的重要几何参数
• 弦长分布可以通过理论推导得到
代入当地最佳的轴向诱导因子就可求得最佳弦长 分布。 • 与弦长相关联的另一概念是弦周比。某一径向位 置的弦周比即为该位置处总弦长与周长之比。
风机叶轮性能分析技术
尽管作了准二维的假设，但是通过对叶素迎角 的修正，叶素理论考虑了旋翼的非均匀诱导入流 的三维效应。换言之，旋翼诱导速度不再假定是 均匀分布的；从而，能更真实地反映诱导速度沿 半径和方位角的变化。
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影响风机性能的重要几何参数
• 3、翼型 在所有影响风机性能的几何参数中，翼型几何 外形是最基本和最重要Leabharlann Baidu。若将叶片沿径向截成 数段，从其横截面看，整个叶片是由一系列不同 几何外形的翼型组成。
影响风机性能的重要几何参数
影响风机性能的重要几何参数
• • • • • • • 攻角：相对气流与翼型弦线之间的夹角 桨距角：旋转平面与翼型弦线之间的夹角 入流角：相对气流与旋转平面之间的夹角 升力：垂直于弦线方向的气动力分量 阻力：平行于弦线方向的气动力分量 垂向力：垂直于旋转平面的气动力分量 切向力：平行于旋转平面的气动力分量
翼型的气动特性
• 雷诺数的影响 影响低速翼型性能的最重要的流体因素是流体 的粘性，它间接产生升力而直接产生阻力，造成 流体分离。这种影响用雷诺数表示。 随雷诺数增加，升力曲线斜率增加，最大升力 系数增加，失速临界攻角增加；最小阻力系数减 小；翼型升阻比也增加 对于风机翼型，雷诺数范围在(10~0.7)×106, 这表明风机翼型通常都不运行在敏感的低雷诺数 范围。
影响风机性能的重要几何参数
• 1、叶片数 B 风机叶片数目是风力发电机组最直观的特征。 目前被普遍采用的形式是三叶片。
一叶、二叶、三叶风机示意图
不同叶片数、叶尖数比与风能利用系数关系图
影响风机性能的重要几何参数
由图可以看出： • 随着叶片数的增加，其效率也在增加，但增加的 幅度在逐渐减小。这意味着当叶片数增加到一定 程度之后，其效率增加所带来的好处将无法弥补 相对需增加的制造成本； • 随着叶片数的减少，其最佳叶尖速比在增加。这 意味着当叶片数减少，转速需增加以产生相同的 旋转动能，但转速增加则意味着噪音问题更加严 重（风机噪音与叶尖速度的5次方成正比）。
风机叶轮性能分析技术
合速度下，叶素的升力和阻力分别为：
dL
式中翼型的升力系数Cl，阻力系数Cd取决于叶素 的迎角。 叶素的垂向力和切向力分别为：
翼型的气动特性
• 边界层的影响 翼型的气动特性和翼型表面的边界层密切相 关。在低雷诺数下，翼型表面从层流边界发展为 完全分离和失速；在中雷诺数下，翼型表面从层 流边界层经过分离气泡，再附着发展为湍流边界 层；在高雷诺数下，翼型表面从层流边界经过转 捩发展为湍流边界层。 不同的边界层发展情况对翼型的气动特性，特 别是阻力特性有较大的影响。尤为显著。
风机叶轮性能分析技术
风速流经桨盘时，其速度值会减小，定义轴向 诱导因子 。在满足质量守恒、动量守恒 和Bernoulli方程的条件下可以推导出叶轮的推力 系数和功率系数
风机叶轮性能分析技术
• 3、叶素理论 叶素理论最早由Drzewiwcki在19世纪末提出， 是叶轮空气动力学研究中被广泛采用的又一经典 理论 叶素理论把桨叶视作由若干个叶素构成。假设 叶素的气动载荷是准二维的，即每个叶素类似于 一个二维翼型来产生气动作用。于是，对叶素气 动载荷的计算便等同于二维翼型气动载荷的计算。 沿桨叶径向积分就可以得整个叶片进而整个叶轮 的气动特性。
影响风机性能的重要几何参数
• 2、叶片外形 风机叶轮效率与叶片外形直接相关。 叶片外形主要包括两部份：桨距角分布(r)和 弦长分布c(r)。
影响风机性能的重要几何参数
• 理想的桨距角分布将使叶片在设计叶尖速比运转 时，其升力与阻力之比达到最大。为达此目的， 通常桨距角的分布会沿径向作变化。最佳桨距角 分布可以由当地的入流角和最佳攻角计算得到：
风机叶轮性能分析技术
• 1 、风机叶轮性能的表示 风机叶轮的性能通常以风能利用系数表示。
风机叶轮性能分析技术
• 2、动量理论 风机叶轮吸收风能转换为机械能的过程可以用 动量理论来模拟。动量理论又称滑流理论，其 起源可以追溯到19世纪的船用螺旋桨的研究。
动量理论采用如下假设： • 空气是无粘、不可压缩的理想流体； • 视叶轮为一个无厚度的桨盘，流过桨盘的 气流为均匀滑流。换言之，流动是一维的。
翼型的气动特性
• 湍流度的影响 通常情况下，湍流度增加，翼型的阻力系数和 最大升力系数增加，最大升阻比减小。 • 攻角的影响 上述气动特性大多在小攻角范围，在大攻角情 况下，其变化要复杂得多。 风机叶片的工况很宽，不仅涉及小攻角情况， 而且涉及失速和大攻角范围的升、阻特性。由于 大功角的气动特性变化复杂，纯理论计算相当困 难，因而大多依据相应的试验得到较可靠的结果。
翼型的气动特性
• 粗糙度的影响 翼型表面由于材料、加工能力以及环境的影响， 使表面不可能绝对光滑，而呈凹凸不平。这些凹 凸不平的波峰和波谷之间的高度的平均值称粗糙 度。 通常粗糙的型面和光滑的型面相比，翼型的升 力系数降低，阻力系数增加。其程度与雷诺数和 翼型的几何外形等相关。 通常翼型前缘向后到20－30%弦长处的上下 表面对翼型气动特性影响较为明显。
叶轮空气 动力简介
朱雨 2008.02
新疆金风科技股份有限公司
前言
• 风力发电的原理是利用风力带动风机叶轮旋转 （风能转换成机械能），再通过传动轴驱动发电 机产生电能（机械能转换成电能）。因此，风机 叶轮效率的高低直接影响了发电系统产生电能的 多寡。 • 本次课程将对风机叶轮系统涉及的主要空气动力 学理论和技术作一简单介绍，以供参考。 一、 影响风机性能的重要几何参数 二、风机叶片性能分析技术 三、风机叶片上的流场控制装置
• 与桨距角相关联的另一概念是扭转角。某一径向 位置的扭转角即为其桨距角与基准径向位置桨距 角之差。
影响风机性能的重要几何参数
• 弦长分布可以通过理论推导得到
代入当地最佳的轴向诱导因子就可求得最佳弦长 分布。 • 与弦长相关联的另一概念是弦周比。某一径向位 置的弦周比即为该位置处总弦长与周长之比。
风机叶轮性能分析技术
尽管作了准二维的假设，但是通过对叶素迎角 的修正，叶素理论考虑了旋翼的非均匀诱导入流 的三维效应。换言之，旋翼诱导速度不再假定是 均匀分布的；从而，能更真实地反映诱导速度沿 半径和方位角的变化。
UR dL UT dFP
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影响风机性能的重要几何参数
• 3、翼型 在所有影响风机性能的几何参数中，翼型几何 外形是最基本和最重要Leabharlann Baidu。若将叶片沿径向截成 数段，从其横截面看，整个叶片是由一系列不同 几何外形的翼型组成。
影响风机性能的重要几何参数
影响风机性能的重要几何参数
• • • • • • • 攻角：相对气流与翼型弦线之间的夹角 桨距角：旋转平面与翼型弦线之间的夹角 入流角：相对气流与旋转平面之间的夹角 升力：垂直于弦线方向的气动力分量 阻力：平行于弦线方向的气动力分量 垂向力：垂直于旋转平面的气动力分量 切向力：平行于旋转平面的气动力分量