风力机空气动力性能计算方法(王同光等著)思维导图
2018年一级建造师机电思维导图 重点归纳 1H414030通风空调工程施工技术
不锈钢、铝板与碳素钢支架接触处，采取隔绝或防腐绝缘措施
风管法兰垫片厚度不小于 3mm，垫片接口交叉长度不应小于 30mm
风管系统安装
金属风管安装
风管安装
风管与砖、混凝土管道连接时，应顺气流方向插入 外保温风管穿越封闭墙体时，设置套管 明装风管总偏差不应大于 20mm，垂直允许偏差 2‰，水平 3‰
风管连接处完整，表面平整
空调自动控制系统调试调整 数据记录
质量检查
系统检查
防排烟系统联合试运转顺序
机械正压送风系统测试与调整 机械排烟系统测试与调整
联合运转的测试与调整
通风与空调工程施工技术要求
金属风管规格以外径或外边长为准；非金属风管和风道规格以内径或内边长为准
一般规定
镀锌及含复合保护层的应咬口连接或铆接、不得焊接 密封以板材连接密封为主，密封面宜在正压侧
冷凝水安装 冷凝水管道坡度≥8‰，坡向出水口，设备与排水管连接采用软接
阀门
部件制作 消声器、消声弯头
风管及部件制作安装施工技术要求
柔性短管
防排烟系统柔性短管为不燃材料 长度宜为 150-250mm；不应为异径连接管，与风管连接不得采用抱箍固定方式
柔性短管与法兰组装宜采用压板铆接连接，铆钉间距 60-80mm
风管穿封闭的防火、防爆的墙体时，设置厚度不小于 1.6mm 的钢制防护套管，应用不燃柔性材料封堵密
管道及支架防腐施工
管道防腐保温施工程序 风管保温施工 清理去污、保温钉固定（涂刷粘接剂）、绝热材料下料、绝热层施工、防潮层施工、保护层施工、质量检查
水管道保温施工
风系统调试
水系统调试
设备单机试运转顺序
调试前系统检查
通风空调系统的风量、水量测定与调整
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。
风力发电讲座第二讲风力机的工作原理和气动力特性
风能是我国目前开发利用比较成熟的一种新能源,风电事业正在我国蓬勃发展。
为了帮助读者了解风力发电知识,我们请长期从事风力发电研究工作的中国科学院电工研究所倪受元研究员撰写了《风力发电》讲座,以飨读者。
———编者风力发电讲座第二讲风力机的工作原理和气动力特性倪受元1空气动力学的基本知识111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。
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,叶素之间互相没有干涉。
当每个叶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。
图221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α,α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(下方压力大于上方压力),总的合力F即为平板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F y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ρ及气流速度V的平方成比例,可以下式表示:式中,c y称为升力系数;c x称为阻力系数;c r称为总的气动力系数。
风力发电-2
有效风功率密度
➢ 实际可利用的风能是在风轮机的“启动风速u1”到 “切出风速u2”之间的风速段，这个范围内的风能称 为“有效风能” ；该风速范围内的平均风功率密度则 称为“有效风功率密度”或“有效风能密度”
风速u1到u2区间的条 件概率密度
我国风能资源分布
➢ 最大风能资源区：东南沿海一代及其岛屿，有效风 能密度在300W/m2以上，有效风力出现的时间百分比 达到80%～90%。
3.风电场
➢ 国内风电项目投资的典型构成比例
风电场选址需要考虑的一些因素
➢ （1）风能资源：年平均风速越高、分布越均匀、年利用小时数越 高，单位电量的平均成本就越低，项目的经济效益就越好
年小时数/h
风力机出力/kW
风电机组年发电量的计算图
风力机在各个风速区间的发电量
风力机发电量/万kW.h
风力发电机组年发电量为：
➢ 次最大风能资源区：内蒙古和甘肃北部，有效风能 密度在200～300W/m2 ，有效风力出现的时间概率在 70%左右。
➢ 大风能资源区：黑龙江和吉林东部地区、辽东半岛的 沿海地区，有效风能密度在200W/m2以上，全年3m/s 及以上和6m/s及以上风速出现的时间分别达到5000～ 7000小时和3000小时。
风速/m.s-1
➢ 风能资源：利用概率密度函数计算
风力发电机组的实 际发电量
切出速度
时长T内的风 速分布概率
时长，一年 切入速度
风力发电机组对应于风 速的输出特性
若机组可用率100%，年总发电量为E，售出电价p， 则可计算年售电收入
容量系数
➢ 风电机组的年度电能净输出（即在真实负荷条件下的 年度电能输出）， 与风电机组额定容量与全年运行 8760 h 的乘积比值，称为风电机组的容量系数，用Cf 表示
风力发电机知识_讲义
1.1风力发电机的工作原理图1-1风力发电机应用实物图现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。
风并非"推 "动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令旋转并不断横切风流。
风力发机主要包含三部分∶风轮、机舱和塔杆。
风力发电机的风轮并不能提取风的有功率。
根据Betz，理论上风电机能够提取最大功，是风的功率的59.6%。
大多数风电机只能提取风的功率的40%或者更少。
1.2风的功率风的能指的是风的动能。
特定质量的空气的动能可以用下列公式计算。
能量=1/2X质量X( 速度 )^2吹过特定面积风的的功率以用下列公式计算。
功率=1/2X空气密度X面积X( 速度 )^3其中，功率单位为瓦特，空密单位为千克/立方米面积指气流横截面积，单位为平方米，速度单位米/秒。
1.3风力发电机的主要种类根据叶片固定轴的方位，风力发电机可以分为横轴和竖轴两类。
横轴式风电机在世逆风风电机是一种风轮面向来风的横轴式风电机。
大多数的风力发电机是逆风式的。
1.4风力发电机结构在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。
在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。
偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。
偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度电子控制器：液压系统：用冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。
塔：风力发电机塔载有机舱及转子。
通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。
现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。
它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。
管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。
格状的塔的优点在于它比较便宜。
风速计及风向标用于测量风速及风向。
风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。
每一部分都很重要，各部分功能为，叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能，转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能，机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电。
风力发电技术-空气动力学基础
2）叶片
风轮叶片主要是为了接受风能，使风轮绕轴转 动。其平面形状和剖面几何形状（翼型）与风力机 空气动力学特性密切相关，从而影响风能转化为电 能的效率。 （1）叶片翼型：也叫叶片剖面，它是指垂直于叶 片长度方向的叶片截面而得到的形状。
3）叶素理论：
将叶片沿展向划分成很多小的微元段，这些微元段统称为叶素。作用在每
翼型的空气动力特性
注：风力发电机叶片运动时所感受
到的气流速度是外来风速V与叶片
运动速度u的合成速度，称为相对 风速W。
风轮旋转平面：风轮转动所形成的平面，与风速V垂直。 翼型攻角 在翼型平面上，实际气流来流W与翼弦之间的夹角定义为翼型攻角，记做， 又称迎角。 安装角β 风轮旋转平面与翼弦之间的夹角，记做β，又叫桨距角、节距角。 入流角φ 实际气流入流速度W与旋转平面的夹角。Φ = + β
2.3 翼型的几何参数
厚度 t
A
B
6) 翼弦（弦线）：连接前缘与后缘的直线，即直线AB。其长度 为几何弦长，通常用C表示。 7) 厚度t：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。 ——厚度分布：沿着翼弦方向的厚度变化。 8) 弯度f：翼型中弧线与翼弦间的距离。 ——弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。
2.4
2.1
风力发电机的概念及结构
风力发电就是将风的动能转换为风轮的机械能，风轮再带动 发电机发电，将机械能转换为电能。
图3-1 水平轴式风力发电机结构简图
2.2 风轮的几何参数
1）风轮的几何定义及参数
（1）风轮：风轮就是叶片安装在轮毂上的总成， 包括叶片、轮毂和变桨机构。 （2）风轮旋转平面：风轮转动时所形成的圆面。 （3）风轮直径D：风轮扫略的圆面对应的直径。 （4）风轮的轮毂比：风轮的轮毂直径Dh与风轮直 径之比。 （5）叶片长度H：叶片的有效长度，H=(D-Dh)/2 （6）叶片数：风轮上的叶片数目。
风力发电基础课件
C
A
翼型 中线
f
B l
叶片的几何参数
升力如何产生？
升力与阻力(D为阻力，L为升力 )
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。
翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响
相对厚度的影响
同一翼型系列中，当 相对厚度增加时，将 使最小阻力增大。另 外，最大厚度的位置 靠后时，可以减小最 小阻力。相对厚度对 俯仰力矩系数的影响 很小。
翼型相对厚度对翼型最大升力系数Clmax的影响图
弯度的影响 一般情况下，增加弯度可以增大翼型的最大升力系数Clmax ，特 别是对前缘钝度较小和较薄的翼型尤为明显。另外，当最大弯度 的位置靠前时，最大升力系数较大。
—风轮角频率，单位: rad/s
R—风轮半径，单位: m v —上游风速，单位: m/s
n —风轮的转速，单位: r/s
2Rn R v v
Cp
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 9° 10° 13° 15°
额定风速 恒定功率
切出风速 切入风速
2 风轮吸收的功率： P Fv Sv (v1 v2 )
风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化： 1 2 2 P E Sv(v1 v2 ) 2
v1 v 2 v 2
风力发电机基础理论
2.理想风轮与贝兹(Betz)理论
经过风轮风速变化产生的功率为：
1 2 2 P S (v1 v2 )( v1 v 2 ) 4
风力发电机空气动力学基础知识
当前您浏览到是第一页，共二十二页。
风力机空气动力学基础知识
Wind Turbine Basics
当前您浏览到是第二页，共二十二页。
风力和阻力
什么叫风？
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。
当前您浏览到是第三页，共二十二页。
体压强比下方小，翼片就受到向上的升力FL
当前您浏览到是第十五页，共二十二页。
翼型的升力与阻力
当前您浏览到是第十六页，共二十二页。
翼型的升力与阻力
翼型的弦线与来流方向的夹角称为攻角或迎角。 当攻角增大时，翼型受到的升力会增大，有攻角的 翼型能受到较大的升力，在来流不变时翼型受到的 升力随攻角的增大而增大，阻力虽有增加但很小， 与升力相比可忽略不计。 下图是攻角为12度时的气流与升力图。
当前您浏览到是第十三页，共二十二页。
翼型的升力与阻力
当前您浏览到是第十四页，共二十二页。
翼型的升力与阻力
民航飞机机翼的截面是常用的翼型，能产生较大的 升力，且对气流的阻力很小，常用的飞机翼型上表 面弯曲，下表面平直，是有弯度翼型（不对称翼型 ），见图，即使叶片弦线与气流方向平行也会有升 力产生，这是因为绕过翼型上方的气流速度比下方 气流快许多，跟据流体力学的伯努利原理，上方气
当前您浏览到是第八页，共二十二页。
风力和阻力
平板与气流方向的夹角称为攻角，当攻角较小时，平板受到的阻力 FD较小；此时平板受到的作用力主要是升力FL
当前您浏览到是第九页，共二十二页。
内容总结
风力发电机空气动力学基础知识。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。一 般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功 率，阻力型风力机就是利用叶片受的阻力工作的。平板与气流方向的夹角称 为攻角，当攻角较小时，平板受到的阻力FD较小。飞机、风筝能够升到空中 就是依靠升力，升力型风力机就是靠叶片受到的升力工作的
风力发电技术
19
风力发电机
离网型发电机（独立运行）
直流发电机 交流发电机－－永磁式发电机，硅整流自励交流发电机，电容自 励异步发电机
并网型发电机
同步发电机 异步发电机 双馈异步发电机 无刷双馈异步发电机 低速永磁同步发电机（直驱）
20
风力发电机
双馈异步发电机（DFIG）：
当风速发生变化时，发电机转速变化，若控制转子励磁 电流的频率，可使定子频率恒定，实现变速恒频发电。
23
风力发电功率变换器
高速异步发电机双馈系统（DFIG)：
优点： 转子侧交－直－交变换器功率 小，造价低； 网侧及直流侧滤波电感、电容 功率缩小，电磁干扰也大大降低； 可方便实现无功功率调节。 缺点： DFIG必须使用双绕组和滑环，发电机成本高，且无标准 化设计； 调速范围小，一般只能在额定转速的70％～130％内调 节； 有齿轮箱，噪音大； 控制电路复杂；
11
风力发电概况
the non-utility scale or small scale (below 100 kilowatt (kW)) wind energy systems are covered
12
风力机
13
风力机
14
风力机
NORDEX 80/2500kW型 型 1、叶轮 2、轮毂 3、机舱内框架 4、叶轮轴与主轴连接 5、主轴 6、齿轮箱 7、刹车盘 8、发电机的连接 9、发电机 10、散热器 11、冷却风扇 12、风测量系统 13、控制系统 14、液压系统 15、偏航驱动 16、偏航轴承 17、机舱盖 18、塔架 19、变桨距部分15
风力发电机组退出电网：
1、风速低于2m/s，持续10分钟，正常停机； 2、风速>33m/s，持续2分钟，正常停机； 3、风速>50m/s，持续1分钟，安全停机，侧风90度。
风力机空气动力学知识 64帧
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。
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。
49不同风轮实度时的风轮力推力系数411不同叶片桨距角时的风轮一般用风力机输出功率随风速的变化曲线pv和风力机功率系数随风速的变化曲线c1
Ct = ClsinΦ - Cd cos Φ
σC t b = 1 + b 4Fsin Φ cos Φ
（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。 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。
3.3风力机翼型 1.风力机翼型
长期来，风力机翼型主要选自航空翼型，如NACA44系列、 NACA63-2系列翼型等。专门的风力机翼型有美国的NREL S 系列、瑞典的FFA-W系列和荷兰的DU系列。 风力机和航空翼型在运行环境、载荷和结构有下列不同：
（1）风力机叶片是在相对较低的雷诺数下运行，翼型边界层 的特性发生变化；