风力机的工作原理和气动特性2
风力机叶片设计及翼型气动性能分析
风力机叶片设计及翼型气动性能分析风力机叶片是风力发电机的核心部件之一，其设计和翼型选择对风力机的发电效率、噪音和寿命等都有着非常重要的影响。
本文将介绍风力机叶片的设计及翼型气动性能分析。
一、叶片设计原理风力机叶片的设计目的是将大气中的风能转换成旋转能，并将其通过转轴传递给发电机，从而产生电能。
因此，叶片的设计主要围绕以下几点展开：1. 创造足够的扭矩：风力机的转子需要达到一定的转速才能发电，而叶片的弯曲和扭矩对于旋转速度的影响至关重要。
设计中需要选择合适的曲线形状和长度来实现理想的扭矩和转速。
2. 保证叶片的强度和稳定性：因叶片在高速旋转状态下会受到巨大的惯性力和风力力矩的作用，因此其材料和结构要足够坚固和稳定，以避免可能的断裂等事故。
3. 提高叶片的气动效率：叶片的气动效率是指其转化风能的能力，通常可以通过优化翼型、减小阻力、降低风阻等方法来提高。
二、叶片设计步骤1. 选定叶片长度：叶片长度通常是根据风力机的规格和性能要求来确定的，也可以根据标准长度来选择。
2. 选择翼型：翼型是叶片的重要组成部分，其形状和性能决定了叶片的阻力和气动效率。
目前，常用的翼型有NACA0012、NACA4415等，根据实际需求来选择。
3. 确定叶片曲线：叶片的曲线是决定扭矩和转速的关键因素，可以通过实验或模拟方法得到合适的曲线形状。
4. 优化叶片的结构：结构设计主要涉及到叶片的强度和稳定性，通常需要进行材料选择、计算等工作以保证叶片的安全性和寿命。
5. 模拟叶片气动特性：叶片的气动特性可以通过流场模拟、试验等方式来获取，可以根据实际需求来对叶片进行调整以达到理想的效果。
三、翼型气动性能分析翼型气动性能是指翼型在气流中运动时产生的力和力矩，其中，升力和阻力是翼型气动力的主要组成部分。
通过分析翼型气动性能，可以选择最优化的翼型来设计叶片。
1. 升力和阻力翼型的升力和阻力是由翼型形状、气流速度、攻角等因素共同决定的。
实际上，翼型的气动性能曲线通常都是非线性的，其升力和阻力特性会随着攻角的变化而不断变化。
风力发电机组叶片的气动性能分析
风力发电机组叶片的气动性能分析近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的迅速发展，风力发电成为了重要的清洁能源之一。
而风力发电机组的叶片作为其中的关键组成部分，其气动性能的分析对于提高发电效率具有重要意义。
本文将重点探讨风力发电机组叶片的气动性能分析，并深入研究其原理和影响因素。
一、气动性能分析的原理风力发电机组叶片的气动性能分析是通过计算机辅助工程（CAE）软件来模拟和预测叶片在风场中的响应。
其中，主要采用的方法是数值模拟和风洞试验。
数值模拟方法基于流体力学和数学模型，通过模拟风场中的流体流动，计算叶片表面的压力分布、力矩和阻力等参数，以评估叶片的性能。
而风洞试验则是通过实验室环境中的风流模拟真实的风场，通过测量叶片表面压力分布和受力情况，来推导叶片的性能参数。
二、气动性能影响因素分析风力发电机组叶片的气动性能受多种因素的影响，以下将分别介绍其主要影响因素：1. 叶片形状：叶片的外形和轮廓对气动性能有着重要影响。
一般来说，采用更长、更窄的叶片可以提高效率，但是也会增加叶片的结构复杂度和重量。
同时，叶片的翼型横截面的选择也会对性能产生显著影响。
2. 叶片材料：叶片的材料选择直接关系到其强度和重量。
常见的叶片材料包括复合材料、纤维增强塑料等。
合适的材料选择可以在保证叶片强度的同时减轻重量，提高风能利用率。
3. 叶片倾角：叶片倾角对叶片的气动性能也有关键影响。
适当调整叶片倾角可以改变叶片的攻角，实现更好的气动特性，并提高发电效率。
4. 风场条件：风的速度、方向和湍流强度等也是影响叶片气动性能的重要因素。
不同的风场条件需要针对性地进行叶片设计，以获得最佳的气动性能。
三、气动性能分析技术应用风力发电机组叶片的气动性能分析技术广泛应用于叶片设计、优化和性能评估等方面。
1. 叶片设计和优化：基于气动性能分析的数值模拟方法，可以对叶片进行自动化设计和优化，以满足预定的要求和目标。
通过模拟和优化，可以寻找最佳的叶片形状、翼型和倾角等，实现更高效率的风能转化。
风力发电原理
4）最大限度地将风能转换为电能,即在额定风速以下 ,可能使发电机在每1种风速时,输出的电功率达到最大, 额定风速以上时则保持输出电功率为常量；
5）风力发电机输出的电功率保持恒压恒频,有较高的 电能品质质量.
风力发电机组控制目标有很多项,控制方法多种多样, 按控制对象划分大致可分为偏航系统、发电机并网 控制系统、发电机功率控制系统、电容器控制系统 等等,其中两个核心问题是：风能的最大捕获以提高 风能转换效率以及改善电能质量问题.由风力机最大 风能捕获的运行原理可知,若风速越高,则与之相对 应的风力机转速越高.但受风电机组转速极限、功率 极限等限制,风力机转速不可能太高.
分类： 1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置,可
分为水平轴式或垂直轴式. 2）从塔架位置上,分为上风式和下风式；
3）还可以按桨叶数量,分为单叶片、双叶片、 三叶片、四叶片和多叶片式.
4）从桨叶和形式上分,有螺旋桨式、H型、S 型等；
5）按桨叶的工作原理分,则有升力型和阻力型 的区别.
6）以风力机的容量分,则有微型(1kW以下)、 小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型 (100kw以上)机.
其中, Cp为风能利用系数（Power Coefficient）,表示风
机捕获风能的能力, Cp = Pcapture / Pwind
偏导航系统的作用
偏航系统的主要作用有两个： 1) 与风力发电机组的控制系统相互配合,使风发电 机组的风轮始终处于迎风状态,充分利用风能,提高 风力发电机组的发电效率； 2) 提供必要的锁紧力矩,以保障风力发电机组的安 全运行.
（四）发电机
发电机的作用,是利用电磁感应现象把由风轮输出 的机械能转变为电能.
2、双馈式异步风力发电机组
风力发电机运行的空气动力学原理解析
风力发电机运行的空气动力学原理解析风力发电机是一种利用风能转化为电能的设备，利用空气动力学原理进行运行。
空气动力学是研究空气在物体表面流动时所产生的力学效应的学科，其中涉及到的流体力学、空气动力学和结构力学等知识领域。
本文将从风力发电机的构成和原理、空气动力学原理以及风力发电机的运行过程等方面对其运行原理进行分析和解析。
首先，风力发电机由风轮、主轴、发电机以及塔架等构成。
其中，风轮是最重要的部件，它是通过空气动力学原理将风能转换为机械能。
风轮主要由叶片、主轴承和转子组成，其中叶片是最关键的部分。
在运行过程中，当风流通过风轮的叶片时，由于叶片的形状和倾斜角度，会使得风流产生一定的压力差，从而使风轮转动。
风轮的转动通过主轴传递给发电机，由发电机将机械能转化为电能。
其次，风力发电机的运行离不开空气动力学原理的支持。
当风流通过风轮的叶片时，由于风流的高速流动和叶片的形状等因素，会在叶片上产生压力差。
根据伯努利定律，当流体速度增加时，压力就会下降，而风轮叶片的形状和倾斜角度使得上表面的流速较快，下表面的流速较慢，从而产生了压力差。
此时，风流将从高压区域流向低压区域，推动风轮转动。
这就是风力发电机利用空气动力学原理来转换风能的过程。
风力发电机使用的是无驱动翼型，即在风流作用下产生升力来推动转子转动。
翼型的选择非常关键，不同的翼型会有不同的气动性能，影响着风力发电机的效率和输出功率。
一般而言，翼型的厚度比例愈小，气动性能愈好，当然翼型的选择还要结合具体的风力工况。
在实际应用中，常用的翼型有NACA系列翼型、稳定翼型等。
最后，风力发电机的运行过程可以简单概括为：当风力达到一定速度时，风轮开始转动，这时发电机开始工作，将机械能转化为电能。
随着风力的增大，风轮的转速也会增加，进而提高了发电机的输出功率。
另外，为了保证风力发电机的安全运行，还需要考虑风轮的稳定性和抗风性能。
在强风条件下，风力发电机会自动启动风刹系统，将风轮停止旋转，以避免因风力过大导致设备损坏。
风力发电技术概论
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电机组与变电所连接图
一台变压器多台风机
多台变压器多台风机
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电场与电力系统实际连接图
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电场与电力系统实际连接图
二、风力发电原理
1. 风力发电机组：风力机+发电机 1）风力机
二、风力发电原理
1. 风力发电机组：风力机+发电机 1）风力机
风速——功率特性曲线
1.0 Pmax PN
输出 0.8 功率 0.6
(kw) 0.4
0.2 vin
0
5
vN 10 15
当风速在额定风速以下时，输 出功率不超过额定功率时，属 于正常调节范围；当风速高于 额定风速时，机械调速装置的 存在将风力机的输出功率限制 在所允许的最大功率以内
适用范围：适用于国家电网公司经营区域内通过110（66） 千伏及以上电压等级与电网连接的新建或扩建风电场。
总的感受：[09]版比[06]版更加严格，对风电场开发商要 求更高
四、国网风电场接入电网技术规定
相同点
电网接纳风电能力以及无功调节 风电场运行电压以及电压调节
风电场运行频率及电能质量
风电场通信和信号 风电场接入电网检测
最小值对应一个确定的攻 角。
二、风力发电原理
风能转换成电能的过程
风
风(动)能 风机
机械能 发电机
风力发电系统的构成
监测显示装置
储能装置
电能
风能
能量转换装置 (风力发电机组)
电力用户
风力发电机的工作原理
风力发电机的工作原理
风力发电机是一种利用风能转化为电能的设备，其工作原理主要包括风能转换、机械能转换和电能转换三个过程。
首先，当风吹过风力发电机的叶片时，叶片受到风力的作用而转动，这样就将风能转化为机械能。
接着，机械能通过转子和发电机转换为电能，最终通过电网输送到各个地方供人们使用。
风力发电机的工作原理可以用一个简单的公式来表示，P = 0.5 ρ A v^3 Cp，其中P表示风能转换为机械能的功率，ρ表示空气密度，A表示叶片的面积，v表
示风速，Cp表示风能转换效率。
从这个公式可以看出，风力发电机的工作效率受
到风速、叶片面积和风能转换效率的影响。
风力发电机的叶片设计是非常重要的，因为叶片的设计直接影响着风能的转换
效率。
一般来说，叶片的长度越长，叶片的面积就越大，从而可以捕捉更多的风能。
此外，叶片的形状也会影响风力发电机的工作效率，通常叶片的设计会采用空气动力学原理来优化。
除了叶片设计外，风力发电机的塔架和转子也是至关重要的部分。
塔架的高度
可以影响到风速，一般来说，塔架越高，风速就会越大，从而可以提高风力发电机的工作效率。
而转子的设计则直接影响机械能转换的效率，一般来说，转子的设计会考虑到叶片的受力情况，以及机械能的传递效率。
总的来说，风力发电机的工作原理是基于风能转化为机械能，然后再转换为电
能的过程。
风力发电机的设计和工作效率受到多种因素的影响，包括风速、叶片设计、塔架高度和转子设计等。
随着科技的不断进步，风力发电技术也在不断改进，相信未来风力发电机会成为更加重要的清洁能源设备。
风力发电机结构和原理
风力发电机结构原理杜容熠太阳辐射到地球的热能中有约2％被转变成风能，全球大气中总的风能量约为1014MW（10亿亿千瓦）。
其中可被开发利用的风能理论值约有3.5×109MW（3.5万亿千瓦），比世界上可利用的水能大10倍。
把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。
风力发电机一般有叶轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。
风力发电机的工作原理比较简单，叶轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为叶轮轴的机械能，发电机在叶轮轴的带动下旋转发电。
1．风力发电原理：1.1 风能的概念：风能：空气因为太阳能辐射，造成压力差，而发生运动的动能称为“风能”,风能的计算公式为：E＝0.5ρsV³式中: E－风能（W）ρ－空气密度（kg/m3）S－气流截面积（m2)V－风速（m/s)风能密度（W）：单位时间内通过单位面积的风能，W＝0.5ρV³。
有效风能密度：指风机可利用的风速范围内的风能密度（对应的风速范围大约是3～25m/s)。
1.2 风能发电的动力学原理风力发电采用空气动力学原理，并非风推动叶轮叶片，而是风吹过叶片形成叶片正反面的压力差，这种压力差会产升力，令叶轮旋转并不断横切风流。
该原理类似于飞机上升时的原理，空气通过机翼，产生向上的升力和向前的阻力。
如果将一块薄板放在气流中，则在沿气流方向将产生一正面阻力F D和一垂直于气流方向的升力F L其值分别由下式确定L：F D=0.5CdρSV2F L=0.5C LρSV2式中：CD－阻力系数C－升力系数L S－薄板的面积ρ－空气的密度阻力型叶轮V －气流速度如果把薄片当作叶片，将其装在轮毂上组成叶轮，那么风的作用力旋转中心线就会使叶轮转动。
由作用于叶片上的阻力FD而使其转动的叶轮，称为阻力型叶轮；而由升力FL而使其转动的叶轮，称为升力型叶轮。
目前为止现代风力机绝大多数采用升力型叶轮。
2．风力发电机的组成部分及特点：2.1 叶轮叶轮是将风能转化为动能的机构，风力带动风车叶片旋转，再通过齿轮箱将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
风力机流体力学知识点总结
风力机流体力学知识点总结一、风力机的基本工作原理1. 风力机的工作过程风力机的工作过程首先是受到来流风的作用，通过风轮的叶片进行受力，推动风轮旋转。
风轮通过传动系统把旋转运动转换成机械能或电能。
风能转换成机械能的设备称为风力机，转换成电能的设备称为风力发电机。
2. 风力机的基本结构风力机主要由机架、叶轮、发电机、传动装置等部件组成。
其中机架用于支撑整个风力机，叶轮是风力机的核心构件，通过叶轮的旋转推动发电机工作。
3. 风力机的分类风力机根据其不同的转动方式和输出方式可以分为多种类型，常见的有水平轴风力机和垂直轴风力机。
水平轴风力机的叶片是沿着水平方向旋转的，而垂直轴风力机的叶片则是沿着垂直方向旋转的。
二、风力机的流体力学原理1. 风力机的叶片受力原理风力机的叶片在风场中运动时，受到来流风的作用，产生气动力。
气动力的大小和方向取决于叶片的形状、叶片与来流风的相对速度以及来流风的密度等因素。
叶片的受力分析是风力机流体力学的重要内容。
2. 风力机的动能转换原理风力机在叶片受力后，会把风能转换成机械能或电能。
动能转换的过程涉及到风能的捕捉、叶片的受力、风轮的旋转等流体力学问题。
3. 风力机的风场影响风力机的效率和输出功率受到来流风场的影响，风场的流速、流向和气压分布都会直接影响风力机的运行情况。
因此风力机的设计和运行需要考虑风场流体力学的影响。
三、风力机流体力学的应用1. 风力机的叶片形状设计根据流体力学原理，设计出合理的叶片形状对于提高风力机的效率和输出功率至关重要。
叶片的气动性能和结构强度都需要在流体力学基础上进行优化。
2. 风力机的性能预测通过对风力机所处风场的流体力学分析，可以对风力机的性能进行预测和评估。
例如通过计算流体动力学模拟，可以得到风力机在不同工况下的输出功率、扭矩等重要参数。
3. 风力机的控制和运行优化流体力学原理在风力机的控制和运行优化中起着至关重要的作用。
通过对风场流体力学参数的监测和分析，可以对风力机进行智能化控制，提高风力机的效率和稳定性。
风力发电原理及工作过程
风力发电原理及工作过程风力发电是一种利用风能转换成电能的清洁能源。
风力发电机通过叶片受到风的作用而转动，驱动发电机产生电能。
风力发电具有资源广泛、环保、可再生的特点，是未来能源发展的重要方向之一。
风力发电的原理是利用风能转换成机械能，再通过发电机将机械能转换成电能。
风力发电机通常由叶片、轮毂、发电机等部件组成。
当风力作用于叶片上时，叶片开始旋转，带动轮毂一起旋转。
轮毂通过传动装置将旋转运动传递给发电机，发电机内部的线圈在磁场的作用下产生感应电动势，最终输出电能。
整个过程中，风能被转化为机械能，再转化为电能。
风力发电的工作过程可以分为风能捕捉、机械能转换和电能输出三个阶段。
首先是风能捕捉阶段，当风速达到一定程度时，叶片开始受到风力的作用而旋转。
叶片的设计和布置对风能捕捉效率起着决定性作用。
其次是机械能转换阶段，风力作用于叶片，带动轮毂旋转，再通过传动装置将旋转运动传递给发电机，使发电机产生电能。
最后是电能输出阶段，发电机产生的电能通过变压器升压后输入电网，供给用户使用。
风力发电具有很多优点。
首先，风力发电是一种清洁能源，不会产生二氧化碳等温室气体，对环境没有污染。
其次，风能是一种可再生资源，不会像化石能源一样存在枯竭的问题。
再次，风力发电具有较高的适应性，可以建设在陆地、海上甚至高山等不同地形地貌上。
此外，风力发电还可以带动当地经济发展，增加就业机会，促进可持续发展。
然而，风力发电也存在一些问题。
首先，风力发电的发电效率受到风速的限制，风速不稳定时会影响发电效率。
其次，风力发电机占地面积较大，需要大面积的土地或海域进行布局。
再次，风力发电机的建设和运行成本较高，需要较长时间才能收回投资。
此外，风力发电机运行时会产生一定的噪音和对鸟类的影响，需要合理规划和管理。
总的来说，风力发电作为一种清洁、可再生的能源，具有广阔的发展前景。
随着技术的不断进步和成本的不断降低，风力发电将会在未来能源结构中发挥越来越重要的作用。
风力机的工作原理和气动特性
1. 空气动力学的基本知识
1.1 升力和阻力 物体在空气中运动或者空气
流过物体时，物体将受到空气的 作用力，称为空气动力。
通常空气动力由两部分组成：一部 分是由于气流绕物体流动时，在物体表 面处的流动速度发生变化，引起气流压 力的变化，即物体表面各处气流的速度 与压力不同，从而对物体产生合成的压 力；另一部分是由于气流绕物体流动时， 在物体附面层内由于气流粘性作用产生 的摩擦力。将整个物体表面这些力合成 起来便得到一个合力．这个合力即为空 气动力。
升力是使风力机有效工作的力，而
阻力则形成对风轮的正面压力。为了使 风力机很好的工作，就需要叶片具有这 样的翼型断面，使其能得到最大的升力 和最小的阻力，也就是要求具有很大的
升阻比K。
雷诺数是一个无量纲数。雷 诺数愈小的流动。粘性作用愈大； 雷诺数愈大的流动，粘性作用愈 小，雷诺数增加。由于翼型附面 层气流粘性减小，最大升力系数 增加，最小阻力系数减小，因而 升阻比增加。
样．则叶片各处的实际攻角都将不同，这样除了攻
角接近最佳值的一小段叶片升力较大外，其它部分 所得到的升力则由于攻角偏离最佳值而不理想。
所以这样的叶片不具备良好的气动力特
性。为了在沿整个叶片长度方向均能获得有 利的攻角数值，就必须使叶片每一个截面的 安装角随着半径的增大而逐渐减小。在此情 况下，有可能使气流在整个叶片长度均以最 有利的攻角吹向每一叶片元．从而具有比较 好的气动力性能。而且各处受力比较均匀， 也增加了叶片的强度。这种具有变化的安装 角的叶片称为螺旋浆型叶片，而那种各处安 装角均相同的叶片称为平板型叶片。显然， 螺旋桨型叶片比起平板型叶片来要好得多。
图中示出空气流过一块平板的情形，平板面与 气流方向形成一个夹角 a ，a称为攻角。由于平板上 方和下方的气流速度不同（上方速度大于下方速度）， 因此平板上、下方所受的压力也不同（下方压力大干 上方压力 ），总的舍力F即为平饭在流动空气中所受 到的空气动力，其方向垂直于板面。
风力机空气动力学基本原理
风轮参数
风轮的性能参数
风轮的性能参数
通常用上面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， 即它是反映风力机的效率的参数。
设计案例
叶片气动外形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。
叶片弦长分布
设计案例
叶片扭角分布
设计案例
叶片相对厚度分布
风轮参数
把叶片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： 叶片数：组成风轮的叶片个数。 锥角：叶片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。
风轮直径
给定输出功率的风力机，风轮直径D为：
D
P — 风力机额定功率；
P
C p
2பைடு நூலகம்
V13
4
Cp — 风能利用系数，一般取0.4~0.5之间；
η — 传动装置和发电机总效率，一般取0.4~0.65；
ρ — 空气密度，
(15℃)；
1.225kg m3
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。
叶片气动外形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。 翼型后缘B：翼型的尾部B为尖型； 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 把叶片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：
风电机组的工作原理
风电机组的工作原理
风电机组是一种利用风能转化为电能的设备。
其工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 风能捕捉：风电机组通过风叶（也称叶片）捕捉风能。
当风吹过风叶时，风叶产生一定的扭矩和力，将其转化为机械能。
2. 传动装置：风叶旋转后的机械能需要经过传动装置传递给发电机。
通常采用的传动装置是风轮轴、主轴和齿轮箱等部件构成的传动系统。
这些部件将轴的旋转运动转化为高速旋转的运动。
3. 发电机转换：高速旋转的轴经过齿轮箱传动后，驱动发电机工作。
发电机内部的转子通过电磁感应原理将机械能转化为电能。
当转子旋转时，会产生磁场，使线圈中的电子流动，从而产生电流。
4. 电能输出：通过发电机产生的交流电经过调整和控制后，输出到电网或用于供电使用。
交流电需要经过变压器提高电压，以便输送到远距离的电网。
风电机组的工作原理实际上就是将风能转化为机械能，然后再将机械能转化为电能。
通过合理的系统设计和运行控制，可以提高风能的利用效率，实现可持续的清洁能源供应。
风力发电机的工作原理
风力发电机的工作原理风力发电机是利用风能将其转化为机械能并进一步转化为电能的一种装置。
它利用风力带动风轮旋转，通过风轮的转动带动发电机产生电能。
其工作原理可分为风轮转动和电能输出两个部分。
首先是风轮转动部分。
风力发电机的核心组成部分是风轮，常见的有水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种类型。
水平轴风力发电机的轮轴与地面平行，垂直轴风力发电机的轮轴与地面垂直，两种类型的风力发电机都有各自的优缺点。
风轮上有多个叶片，叶片的设计和排布决定了风轮的效率。
当风经过风轮叶片时，由于风的动力作用力和叶片形状的特殊设计，使得叶片受到侧向推力，并开始旋转。
风轮叶片旋转时，会产生一定的匹配速度，可以通过风速计来确定当前风速。
风轮旋转后，通过主轴与发电机连接，进而带动发电机的转动。
主轴的转动将机械能传递给发电机的转子。
发电机主要由定子和转子两部分组成，定子周围固定了线圈，而转子内部固定了磁钢。
当转子旋转时，磁钢的磁场穿过线圈，从而在线圈上产生感应电流。
该感应电流经过后续的处理和放大，最终输出为电能。
风力发电机的风速特性是决定其性能的重要因素。
通常来说，风速越大，风轮叶片的旋转速度越快，同时也能够提供更大的转矩。
但是风速如果过大，也可能导致过载、风轮损坏等问题。
因此，风力发电机通常会设计一个风速保护装置，当风速超过一定阈值时，会自动将风轮固定住，以防止损坏。
另外，风力发电机还需要根据实际情况选择一个合适的转速范围。
如果风轮转速太低，可能无法达到发电机的额定转速，致使发电效率降低。
而如果转速太高，可能导致发电机过载，也可能造成机械部件的过度磨损。
因此，风力发电机通常会加装变速器或直接采用多级传动装置来调节输出转速，以使其达到最佳效果。
总的来说，风力发电机通过利用风能将其转化为机械能，并通过发电机将其进一步转化为电能。
其工作原理主要是通过风轮旋转带动发电机产生电能。
通过合理设计风轮和发电机的结构，以及选择合适的转速和风速范围，可以提高风力发电机的发电效率，并实现可持续发电。
风力机空气动力学
控制系统
——叶轮处在单元流管模型中，如图。
——雷诺数的表达形式： Re=VC/
——流场中众多流线的集合称为流线簇。
而由伯努利方程，必使：
即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风
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：
气动力矩系数：CM=M / (1/2 V2C2)
阻力系数： CD=D / (1/2 V2C)
当= 时，C 达到最大值C 。 称为临界攻 ——雷诺数的表达形式： Re=VC/
用—升—力 层系流数与C紊l随流攻：角两种变性化质的不曲同线的（流升动C力状T 特态性。曲线）来L描述。
Lmax
CT
角或失速攻角。当> 时，C 将下降。 由于机翼上下表面所受的压力差，实际上存在着一个指向上翼面的合力，记为R。
速增大，即V2>V1。而由伯努利方程，必使： P2 < P1，即压力减小。 ——下翼面变化较小， V3≈V1，使其几乎保持原 来的大气压，即： P3 ≈ P1。
结论：由于机翼上下表面所受的压力差，使得机 翼得到向上的作用力——升力。
2.1.3 翼型的气动特性
一、翼型的几何描述
前缘与后缘：
O
B
翼弦
——气动力矩：合力R对（除自己的作用点外）其它 点的力矩，记为M。又称扭转力矩。
为方便使用，通常用无量刚数值表示翼剖面的气动特 性，故定义几个气动力系数：
升力系数： CL=L / (1/2 V2C) 阻力系数： CD=D / (1/2 V2C) 气动力矩系数：CM=M / (1/2 V2C2)
此处，L、D、M分别为翼型沿展向单位长度上的升 力、阻力和气动力矩。
——弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。
风力机叶片气动弹性稳定性分析
风力机叶片气动弹性稳定性分析随着全球可再生能源的发展，风能已成为一种市要的可再生能源。
风力机由叶片和轮毂组成，叶片姑风力机的关键部件，主要起到收集能量的作用，叶片的气动性能直接影响风力机的性能。
因此，对叶片的气动弹性稳定性进行分析和评价，已经成为风力机研究领域的热点课题。
叶片气动弹性稔定性是由空气动力学、叶片结构力学和振动力学等复杂因素相互作用所产生的。
它表现为叶片在外界气流刺激作用下,叶片形状和位置经过微小改变后保持稳定、不变形和不产生尖峰值的能力。
叶片气动弹性稳定性的分析主要包括以下因素：(I)外界气流作用：外界气流力的作用是叶片气动弹性稳定性的关键因素，它不仅影响叶片的设计参数，还决定了叶片形状和结构的稳定性，因此必须对外界气流的作用进行深入的研究。
(2)叶片结构：叶片的结构是叶片气动弹性稳定性分析的重要因素，叶片结构影响叶片气流动力特性，如离心度、叶片角度、叶片厚度等，因此要求叶片结构参数选择合理，叶片结构牢固。
(3)叶片振动：振动是叶片气动弹性稳定性的重要因素，当叶片振动过大时，会影响叶片的性能，因此叶片振动也是要求分析的重.点。
叶片振动可以通过改变叶片结构或添加风机噪声抑制装置来改善。
(4)流场数值模拟：流场数值模拟是叶片气动弹性稳定性分析的重要手段，可以根据外界环境和叶片结构参数对叶片进行计算流体力学分析，模拟叶片气动弹性稳定性的结果。
（5）试风台试验：试风台试验是叶片气动弹性稳定性分析的有效手段，可以从室内直接检测出叶片的气动特性，从而深入了解叶片气动弹性稳定性的变化规律，为叶片的设计和应用提供参考。
以上是叶片气动弹性稳定性分析的五个主要因素，它们可以综合起来，分析和评价叶片气动弹性稳定性的变化规律，从而为叶片的设计和应用提供参考。
从结构力学的角度出发，叶片气动弹性稳定性评价的重点在于掌握叶片的离心度、角度和厚度等参数的选取，以确保叶片的稳定性，使叶片以最小的偏移和变形应对外界气流的攻击。
风力机的基础理论
第二章 风力机的基础理论[3、4]第一节 风力机的能量转换过程一、风能的计算由流体力学可知，气流的动能为221mv E =（2-1） 式中 m ──气体的质量；v ──气体的速度。
设单位时间内气流流过截面积为S 的气体的体积为L ，则 L ＝S v如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为 m=ρL=ρS v 这时气流所具有的动能为321Sv E ρ=（2-2） 上式即为风能的表达式。
在国际单位制中，ρ的单位是kg/m 3；L 的单位是m 3 ；v 的单位是m/s ；E 的单位是W 。
从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。
其中ρ和v 随地理位置、海拔高度、地形等因素而变。
二、自由流场中的风轮风力机的第一个气动理论是由德国的Betz 于1926年建立的。
Betz 假定风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；此外，假定气流经过整个叶轮扫掠面时是均匀的；并且，气流通过风轮前后的速度为轴向方向。
现研究一理想 风轮在流动的大气中的情况（见图2-1），并规定：v 1──距离风力机一定距离的上游风速；v ──通过风轮时的实际风速； v 2──离风轮远处的下游风速。
设通过风轮的气流其上游截面为 S 1，下游截面为S 2。
由于风轮的机械能 图2-1叶轮的气流图量仅由空气的动能降低所致，因而 v 2必然低于 v 1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S 2大于S 1。
如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得：S 1v 1＝S v ＝S 2v 2风作用在风轮上的力可由Euler 理论写出：F ＝ρS v （v 1－v 2） （2-3） 故风轮吸收的功率为)(212v v Sv Fv P -==ρ （2-4） 此功率是由动能转换而来的。
从上游至下游动能的变化为 )(212221v v Sv T-=∆ρ （2-5） 令式（2-4）与式（2-5）相等，得到 221v v v +=（2-6）作用在风轮上的力和提供的功率可写为：)(212221v v Sv F -=ρ （2-7） ))((41212221v v v v Sv P +-=ρ （2-8）对于给定的上游速度v 1，可写出以v 2为函数的功率变化关系，将式（2-8）微分得)32(412221212v v v v Sv dv dP --=ρ 式02=dv dP有两个解： v 2＝－v 1，没有物理意义； v 2＝v 1/3，对应于最大功率。
风力发电机PPT课件
励磁调节器
蓄电池组
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图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图
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（4）电容自励式异步发电机
电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电
容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路
示意图如下图所示。
A B
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双馈异步发电机工作原理：
异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当
发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频
率关系可表示为：
f1
p n 60
f2
式中
f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1 为同步转速；
风力等级与风速的关系： N 0.1 0.824N 1.505
式中 VN——N级风的平均风速(m/s)； N——风的级数。
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4、风能
（1） 风能密度，空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动
能。
E 0.5 3
表达式为：
（2） 风能，空气在一秒钟时间内以速度ν流过面积为S截面的动能。
SSW S
SSE
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2、风速
由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以 风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。
3、风力
风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象， 按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级， 从静风到飓风共分为13个等级。
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尽管如此， 由于风速是在经常变化的，风速的 变化也将导致攻角的改变。如果叶片装好后安装角 不再变化，那么虽在某一风速下可能得到最好的气 动力性能，但在其它风速下则未必如此。为了适应 不同的风速，可以随着风速的变化，调节整个叶片 的安装角，从而有可能在很大的风速范围内均可以 得到优良的气动力性能。这种桨叶叫做变桨距式叶 片，而把那种安装角一经装好就不再能变动的叶片 称为定桨距式叶片。显然，从气动性能来看，变桨 距式螺旋桨型叶片是一种性能优良的叶片。
2 风力机的工作原理 2.1 风轮在静止情况下叶片的受力情况 风力机的风轮由轮毂及均匀分布安装在 轮毂上的若干桨叶所组成。在安装这些桨叶 时,必须对每支桨叶的翼片按同一旋转方向,以 桨叶自身轴为轴转过一个给定的角度，即使 每个叶片的翼弦与风轮旋转平面(风轮旋转时 桨叶柄所扫过的平面)形成一个角度φ,φ称为 安装角。图2-6示出风轮的起动原理。设风轮 的中心轴位置与风向一致。当气流以速度V流 经风轮时．在桨叶I和桨叶Ⅱ上将产生气动力 F和F‘。
升力是使风力机有效工作的力，而 阻力则形成对风轮的正面压力。为了使 风力机很好的工作，就需要叶片具有这 样的翼型断面，使其能得到最大的升力 和最小的阻力，也就是要求具有很大的 升阻比K。
雷诺数是一个无量纲数。雷 诺数愈小的流动。粘性作用愈大； 雷诺数愈大的流动，粘性作用愈 小，雷诺数增加。由于翼型附面 层气流粘性减小，最大升力系数 增加，最小阻力系数减小，因而 升阻比增加。
以相对速度Wy吹向叶片元的气流，产生气动 力F，F可分解为垂直于Wy方向的升力F及与Wy方向 一致的阻力F。 也可以分解为在风轮旋转面内使桨 叶旋转的力F 及对风轮正面的压力F 。 由于风轮旋转时叶片不同半径处的线速度是不 同的，因而相对于叶片各处的气流速度W在大小和 方向上也都不同，如果叶片各处的安装角都一 样．则叶片各处的实际攻角都将不同，这样除了攻 角接近最佳值的一小段叶片升力较大外，其它部分 所得到的升力则由于攻角偏离最佳值而不理想。
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 影响风力机的风能利用系数。
气流绕风轮叶片的流动比较复杂。 是一个空间的三元流动。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，叶素之问互相没有干涉。当每 个时素的展向长度趋向无穷小时，叶素 就成了翼型，空气绕叶素的流动就成了 绕翼型的流动，也就成了二元流动或平 面流动。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.2.4 翼型表面粗糙度的影响 翼型表面由于材料加工以及环境的 影响，不可能绝对光滑,总有些凹凸不平。 我们把凹凸不平的波峰与波谷之问高度 的平均值称为粗糙度，记作kc。翼型表 面的粗糙度，特别是前缘附近的粗糙度， 对翼型空气动力特性有很大影响。
一般情况下，粗糙度增大使cx 增加，而 对cy影响不太。实际情况中，真正的气动光 滑表面是不存在的，工程上只要表面粗糙度 足够小，隐匿在附面层底部，一般就不会引 起摩擦阻力的增加。这种粗糙度称为允许粗 糙度，记作kr，
将F及F’分解成沿气流方向的 ’ 分力Fx和Fx （阻力）及垂直于气 流方向的分力Fy和Fy‘ （升力）， 阻力Fx和Fx‘形成对风轮的正面压 力，而升力Fy和Fy‘则对风轮中心 轴产生转动力矩，从而使风轮转 动起来。
2 2 风轮在转动情况下叶片的受力情况 下面分析风轮起动后以某种速度稳定旋转 时叶片的受力情况。若风轮旋转角速度为 ω ， 则相对于叶片上距转轴中心r处的一小段叶片 元(叶素)的气流速度Wy将是垂直于风轮旋转 面的来流速度V与该叶片元的旋转线速度 ωr 的矢量和．如图2.7所示，可见这时以角速度 ω旋转的浆叶，在与转轴中心相距r处的叶片 元的攻角， 已经不是V与翼弦的夹角，而是 W’与翼弦的夹角了。
图中示出空气流过一块平板的情形，平板面与 气流方向形成一个夹角 a ，a称为攻角。由于平板上 方和下方的气流速度不同（上方速度大于下方速度）， 因此平板上、下方所受的压力也不同（下方压力大干 上方压力 ），总的舍力F即为平饭在流动空气中所受 到的空气动力，其方向垂直于板面。
此力可分解为两个分力；一个分力 Fy与气流方向垂直，它使平板上 升，称为升力；另一个分力F x与气流方向相同．称为阻力。升力和阻力 与叶片在气流方向的投影面积S、空气密度p及气流速度v 的平方成比例， 可以下式表示：
图2-8所示为气流流过理想风轮旋转面A 所形成的近似形状。图中示出空气流经桨叶 的流线图和风轮前后的速度及压力变化。由 于风轮在旋转，使气流产生落差，在靠近风 轮处及在风轮后某一距离处的气流速度均有 所降低，如图中(b)所示。与此同时，靠近风 轮处的空气压力增高，通过风轮后压力急剧 下降，形成某种程度的真空，随后真空程度 逐渐减弱．直到恢复原来的压力，如图中（c） 所示。
所以这样的叶片不具备良好的气动力特 性。为了在沿整个叶片长度方向均能获得有 利的攻角数值，就必须使叶片每一个截面的 安装角随着半径的增大而逐渐减小。在此情 况下，有可能使气流在整个叶片长度均以最 有利的攻角吹向每一叶片元．从而具有比较 好的气动力性能。而且各处受力比较均匀， 也增加了叶片的强度。这种具有变化的安装 角的叶片称为螺旋浆型叶片，而那种各处安 装角均相同的叶片称为平板型叶片。显然， 螺旋桨型叶片比起平板型叶片来要好得多。
还有一种可以获得良好性能的方法， 即风力机采取变速运行方式。通过控制 输出功率的办法，使风力机的转速随风 速的变化而变化，两者之间保持一个恒 定的最佳比值，从而在很大的风速范围 内均可使叶片各处以最佳的攻角运行。
3 风力机的气动力特性 3.1 贝兹(Belz)理论 前面说过，风轮的作用是将风能转换为机械能。 由于流经风轮后的风速不可能为零，因此风所拥有 的能量不可能完全被利用。也就是说只有风的一部 分能量可能被吸收，成为桨叶的机械能。那么风轮 究竟能够吸收多少风能呢? 为讨论这个问题， 贝兹 假设了一种理想的风轮， 即假定风轮是一个平面桨 盘(投有轮毂，叶片无穷多)；通过风轮的气流没有 阻力；且整个风轮扫掠面上的气流是均匀的；气流 速度的方向在通过风轮前后都是沿着风轮轴线的。
第四讲
风力机的工作原理和气 动力特性
1. 空气动力学的基本知识
1.1 升力和阻力 物体在空气中运动或者空气 流过物体时，物体将受到空气的 作用力，称为空气动力。
通常空气动力由两部分组成：一部 分是由于气流绕物体流动时，在物体表 面处的流动速度发生变化，引起气流压 力的变化，即物体表面各处气流的速度 与压力不同，从而对物体产生合成的压 力；另一部分是由于气流绕物体流动时， 在物体附面层内由于气流粘性作用产生 的摩擦力。将整个物体表面这些力合成 起来便得到一个合力．这个合力即为空 气动力。