风力机的基本理论及工作原理幻灯片

关系到叶片的攻角，是分析
风力机性能的重要参数。
Байду номын сангаас
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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
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▪ 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，
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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
阻力型风力机叶尖速比一
般为0.3至0.6，升力型风力机
叶尖速比一般为3至8。
在升力型风力机中，叶尖速
比直接反映了相对风速与叶
片运动方向的夹角，即直接
U(1-a)
叶素：风轮叶片在风轮任意半径r处的
一个基本单元。它是由r处翼型剖面的
延伸一小段厚度dr而形成。
Ω
r Ωr
叶片长度(H)：叶片的有效长度，H=(D-Dh)/2。 叶片数(z)：风力涡轮的叶片数目。
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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%。
叶轮由两片垂直的叶片阻成，叶片 截面为流线型的对称翼型，以相反方 向安装在转轴两侧。
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达里厄风力机在低风速下运转困难， 要在较高的风力下，风轮转速达到 叶尖速比为3.5以上才可能正常运 转，在尖速比为4-6可获较高的功 率输出。下图为达里厄风力机的功 率系数与叶尖速比的关系曲线。
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▪ 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。
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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。
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3.5.1 垂直轴风力机的分类
▪ 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。
达里厄风力机对叶片截面 形状（翼型）选择与外表光洁 度要求比较高。达里厄风力机 不能单靠风力自起动，必须依 靠外力起动使叶尖速比达到 3.5以上时才能依靠升力运转。 典型的达里厄风力机翼片不是 直的，而是弯成弧形，两翼片 合成一个φ形。
▪ 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。
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3. 垂直轴风力机
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3.5 垂直轴风力机
1. 垂直轴风力机的分类 2. 垂直轴风力机的主要特点 3. 达里厄型垂直轴风力机 4. S型垂直轴风力机 5. 其他垂直轴风力机 6. 直驱式垂直轴风力发电机
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。
t B
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二 叶轮的几何定义与参数
风轮旋转平面
风轮：多个叶片固定在轮毂上就构成了 风轮。
旋转平面：与风轮轴垂直，由叶片上距
R δr r
风轮轴线坐标原点等距的点旋转切线构 成的一组相互平行的平面。
风轮直径(D)：风轮扫掠圆面对直径。 风轮的轮毂比(Dh/D)：风轮轮毂直径Dh 与风轮直径之比。
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一 叶片的相关术语
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。
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）。
A
前缘半径rN：翼型前缘处内切圆的半径α。
rN与t 之比称相对前缘半径。
U
翼弦（弦长）：连接翼型前后缘的直线
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
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▪ 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。
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3.5.2 垂直轴风力机的主要特点
▪ 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
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3.5.3 达里厄型垂直轴风力机
法国航空工程师达里厄（Darrieus） 在1931年发明了升力型垂直轴风力机， 后人习惯把升力型垂直轴风力机统称 为达里厄风力机（D式风力机）
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▪ 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。
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▪ 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。