风力机空气动力学知识 64帧
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动量理论用来描述作用在风轮上的力与来流速度之间的 关系，计算出风轮能从风的动能中转换成多少机械能。
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2.2叶素理论 叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微
段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的流动互相之间 没有干扰，即叶素可以看成是二维翼型，将作用在每个叶素 上的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和
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5）风轮仰角：风轮旋转轴与水平面的夹角，用η表示。 仰角的作用是防止叶片梢部与塔架碰撞。
6）风轮偏航角：来流速度矢；在水平面上的分量与通过 风轮旋转轴的铅垂面的夹角，用β表示。
7）风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值， 用σ表示，σ=BAb/A。
8）风轮高度：风轮轮毂中心的离地高度，用Hh表示。
dFa可以分解为法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分别表
示为：
1 dFn= 2 ρcV0Cndr
1 dFt = 2 ρcV0Ctdr
式中 ：V0——合成气流速度；
ρ——空气密度；
c——叶素剖面弦长
Cn、Ct——分别表示法向力系数和切向力系数 这时，作用在风轮平面dr圆环上的轴向力（推力）可表示为
dT=12BρcV02Cndr
式中B——叶片数。 作用在风轮平面dr圆环上的转矩为
dM=12BρcV02Ctrdr
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2.3动量——叶素理论
动量叶素理论主要通过动量理论和经典翼型理论以及一些
必要合理的假设，得到叶素（小的叶片段）位置的诱导速度。
通过迭代方法求的轴向诱导因子a和周向诱导因子b，迭代步
理论计算是将空气动力性的基本理论用于建立风力机的 空气动力模型，研究风力机的空气动力特性。由于风力机的 空气动力学问题比较复杂，目前理论计算还有一定的局限性， 还需通过风洞试验和风场测试的方法来补充和完善。
2.基本理论 风力机空气动力学问题的描述、解析和求解的理论有：
动量理论、叶素理论、动量—叶素理论和涡流理论。 2.1动量理论
风力机是风能工程中的核心装备，其中风轮是关键部件。 在风的作用下形成空气动力使风轮旋转，将空气动力转换成 机械能，再通过传动系统和电气系统将机械能转换成电能。
因此，风能工程中的空气动力问题主要是风轮叶片的空气 动力问题。
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风力机空气动力学涉及的主要内容包括：空气动力模型、 翼型空气动力特性、叶片空气动力设计、风轮性能计算、风 力机空气动力载荷计算、风力机气动弹性稳定性和动力响应、 风力机空气动力噪声和风力机在风电场中的布置等。研究风 能工程中的空气动力问题方法有：理论计算、风洞试验、风 场测试。
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3.2风力机空气动力设计参数
1.叶片数 水平轴风力发电机组的风轮叶片一般是2片或3片，其中3 片占多数。 当风轮直径和风轮旋转速度相同时，对刚性轮毂来说，作 用在两叶片风轮的脉动载荷要大于三叶片风轮。另外，实际 运行时，两叶片风轮的旋转速度要大于三叶片风轮，因此， 在相同风轮直径时，由于作用在风轮上的脉动载荷引起的风 轮轴向力（推力）的周期变化要大一些。
（6）计算新的a和b值
a
σCn
1 a 4Fsin2 Φ
b
σCt
1 b 4FsinΦcosΦ
（7）比较计算的a和b值与上一次的a和b值，如果误差小于 设定的误差值（一般可取0.0001），则迭代终止；否则，再 回到（2）继续迭代。需要指出的是：当风轮进入涡环状态 时，还要用经验公式对动量—叶素理论进行修正。
力矩。
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对每个叶素来说，其速度
可以分解为垂直于风轮旋转
平面的分量Vx0和平行于风 轮旋转平面的分量Vy0，速 度三角形和空气动力分量如
图2-1所示。 图中：φ角为入流角，α
为迎角，θ为叶片在叶素处 的几何扭角。
图2-1 叶素上的气流速度三角形 和空气动力分量
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合成气流速度V0引起的作用在长度为dr叶素上的空气动力
骤如下：
（1）假设a和b的初值，一般可取0；
（2）计算入流角
Φ
arctan（ （ 11
a）V1 b）Ωr
（3）计算迎角 α Φ η
（4）根据翼型空气动力特性得到叶素的升力系数Cl和阻力 系数Cd；
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（5）计算法向力系数Cn和切向力系数Ct
C n C lcosΦC dsinΦ C t C lsinΦC dcosΦ
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4）叶片平均几何弦长：是叶片面积Ab与叶片长度的比 值，用C表示，C=Ab/L
5）叶片扭角：用θ表示，它是叶尖桨距角为零的情况下， 叶片各剖面的翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。
6）叶片转轴(机械回转轴) 7）叶片桨距角：叶片尖部剖面翼弦与风轮旋转平面之间的 夹角。
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2.风轮几何参数 1）风轮叶片数：组成风轮的叶片的个数，用B表示。 2）风轮直径：风轮旋转时风轮外圆直径，用D表示。 3）风轮面积：通常指风轮扫掠面积，用A表示。 A=πD2/4 4）风轮锥角：叶片与旋转轴垂直的平面的夹角，用χ表示。 锥角的作用是当风轮旋转时叶片离心力会产生与方向相反的分力， 以此抵消风压力对叶片的弯曲载荷，减少叶片根部的弯应力。
叶片气动外形设计。
5.风力机载荷 风力机载荷情况 风力载荷计算 6.风力机气动弹性（后续）
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1.概述
风能工程是踪合性很强的技术科学，涉及到气象学、空气 动力学、结构动力学、机械学、计算机技术、控制技术、 材料工程、机电工程和环境科等学多学科和多专业，其中 空气动力性则是关键的学科这之一。 一个空气动力性能好的风力机不但具有较高的功率系数， 较好的经济效益，使用安全可靠方面以及减少环境噪声各 方面都有良好的技术效果和社会效益。
风力机空气动力学 知识
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主要内容：
1.概述：
4.风力机性能 ：
2.基本理论 ：
性能计算方法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
动量理论 ；
风轮功率特性
叶素理论 ；
风轮转矩特性
动量——叶素理论 。
风轮轴向力（推力）特性
风力机功率特性
3.风力机空气动力设计 ：
几何参数 ；
空气动力设计参数 ；
翼型 ；
迭代求的a和b值后，根据叶素理论可以积分求得风轮主轴 与力与力矩，进而求得风能利用系数等参数。
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3.风力机空气动力设计
3.1风力机几何参数
1.叶片几何参数 1）叶片长度：叶片展向的最大长度，用L表示。 2）叶片弦长：叶片各剖面处翼型的弦长，用c表示。叶片 弦长沿展向变化，叶片根部剖面的翼弦称翼根弦，用cr表 示，叶片梢部剖面的翼弦称翼稍弦，用ct表示。 3）叶片面积：是叶片无扭角时在风轮旋转平面上的投影 面积，用Ab表示。
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2.2叶素理论 叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微
段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的流动互相之间 没有干扰，即叶素可以看成是二维翼型，将作用在每个叶素 上的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和
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5）风轮仰角：风轮旋转轴与水平面的夹角，用η表示。 仰角的作用是防止叶片梢部与塔架碰撞。
6）风轮偏航角：来流速度矢；在水平面上的分量与通过 风轮旋转轴的铅垂面的夹角，用β表示。
7）风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值， 用σ表示，σ=BAb/A。
8）风轮高度：风轮轮毂中心的离地高度，用Hh表示。
dFa可以分解为法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分别表
示为：
1 dFn= 2 ρcV0Cndr
1 dFt = 2 ρcV0Ctdr
式中 ：V0——合成气流速度；
ρ——空气密度；
c——叶素剖面弦长
Cn、Ct——分别表示法向力系数和切向力系数 这时，作用在风轮平面dr圆环上的轴向力（推力）可表示为
dT=12BρcV02Cndr
式中B——叶片数。 作用在风轮平面dr圆环上的转矩为
dM=12BρcV02Ctrdr
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2.3动量——叶素理论
动量叶素理论主要通过动量理论和经典翼型理论以及一些
必要合理的假设，得到叶素（小的叶片段）位置的诱导速度。
通过迭代方法求的轴向诱导因子a和周向诱导因子b，迭代步
理论计算是将空气动力性的基本理论用于建立风力机的 空气动力模型，研究风力机的空气动力特性。由于风力机的 空气动力学问题比较复杂，目前理论计算还有一定的局限性， 还需通过风洞试验和风场测试的方法来补充和完善。
2.基本理论 风力机空气动力学问题的描述、解析和求解的理论有：
动量理论、叶素理论、动量—叶素理论和涡流理论。 2.1动量理论
风力机是风能工程中的核心装备，其中风轮是关键部件。 在风的作用下形成空气动力使风轮旋转，将空气动力转换成 机械能，再通过传动系统和电气系统将机械能转换成电能。
因此，风能工程中的空气动力问题主要是风轮叶片的空气 动力问题。
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风力机空气动力学涉及的主要内容包括：空气动力模型、 翼型空气动力特性、叶片空气动力设计、风轮性能计算、风 力机空气动力载荷计算、风力机气动弹性稳定性和动力响应、 风力机空气动力噪声和风力机在风电场中的布置等。研究风 能工程中的空气动力问题方法有：理论计算、风洞试验、风 场测试。
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3.2风力机空气动力设计参数
1.叶片数 水平轴风力发电机组的风轮叶片一般是2片或3片，其中3 片占多数。 当风轮直径和风轮旋转速度相同时，对刚性轮毂来说，作 用在两叶片风轮的脉动载荷要大于三叶片风轮。另外，实际 运行时，两叶片风轮的旋转速度要大于三叶片风轮，因此， 在相同风轮直径时，由于作用在风轮上的脉动载荷引起的风 轮轴向力（推力）的周期变化要大一些。
（6）计算新的a和b值
a
σCn
1 a 4Fsin2 Φ
b
σCt
1 b 4FsinΦcosΦ
（7）比较计算的a和b值与上一次的a和b值，如果误差小于 设定的误差值（一般可取0.0001），则迭代终止；否则，再 回到（2）继续迭代。需要指出的是：当风轮进入涡环状态 时，还要用经验公式对动量—叶素理论进行修正。
力矩。
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5
对每个叶素来说，其速度
可以分解为垂直于风轮旋转
平面的分量Vx0和平行于风 轮旋转平面的分量Vy0，速 度三角形和空气动力分量如
图2-1所示。 图中：φ角为入流角，α
为迎角，θ为叶片在叶素处 的几何扭角。
图2-1 叶素上的气流速度三角形 和空气动力分量
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合成气流速度V0引起的作用在长度为dr叶素上的空气动力
骤如下：
（1）假设a和b的初值，一般可取0；
（2）计算入流角
Φ
arctan（ （ 11
a）V1 b）Ωr
（3）计算迎角 α Φ η
（4）根据翼型空气动力特性得到叶素的升力系数Cl和阻力 系数Cd；
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（5）计算法向力系数Cn和切向力系数Ct
C n C lcosΦC dsinΦ C t C lsinΦC dcosΦ
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4）叶片平均几何弦长：是叶片面积Ab与叶片长度的比 值，用C表示，C=Ab/L
5）叶片扭角：用θ表示，它是叶尖桨距角为零的情况下， 叶片各剖面的翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。
6）叶片转轴(机械回转轴) 7）叶片桨距角：叶片尖部剖面翼弦与风轮旋转平面之间的 夹角。
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2.风轮几何参数 1）风轮叶片数：组成风轮的叶片的个数，用B表示。 2）风轮直径：风轮旋转时风轮外圆直径，用D表示。 3）风轮面积：通常指风轮扫掠面积，用A表示。 A=πD2/4 4）风轮锥角：叶片与旋转轴垂直的平面的夹角，用χ表示。 锥角的作用是当风轮旋转时叶片离心力会产生与方向相反的分力， 以此抵消风压力对叶片的弯曲载荷，减少叶片根部的弯应力。
叶片气动外形设计。
5.风力机载荷 风力机载荷情况 风力载荷计算 6.风力机气动弹性（后续）
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1.概述
风能工程是踪合性很强的技术科学，涉及到气象学、空气 动力学、结构动力学、机械学、计算机技术、控制技术、 材料工程、机电工程和环境科等学多学科和多专业，其中 空气动力性则是关键的学科这之一。 一个空气动力性能好的风力机不但具有较高的功率系数， 较好的经济效益，使用安全可靠方面以及减少环境噪声各 方面都有良好的技术效果和社会效益。
风力机空气动力学 知识
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主要内容：
1.概述：
4.风力机性能 ：
2.基本理论 ：
性能计算方法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
动量理论 ；
风轮功率特性
叶素理论 ；
风轮转矩特性
动量——叶素理论 。
风轮轴向力（推力）特性
风力机功率特性
3.风力机空气动力设计 ：
几何参数 ；
空气动力设计参数 ；
翼型 ；
迭代求的a和b值后，根据叶素理论可以积分求得风轮主轴 与力与力矩，进而求得风能利用系数等参数。
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3.风力机空气动力设计
3.1风力机几何参数
1.叶片几何参数 1）叶片长度：叶片展向的最大长度，用L表示。 2）叶片弦长：叶片各剖面处翼型的弦长，用c表示。叶片 弦长沿展向变化，叶片根部剖面的翼弦称翼根弦，用cr表 示，叶片梢部剖面的翼弦称翼稍弦，用ct表示。 3）叶片面积：是叶片无扭角时在风轮旋转平面上的投影 面积，用Ab表示。