风力机空气动力学基本原理

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低速水平轴风力机
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高速水平轴风力机
高速风力机叶片数只有1 ~ 3片，高 速风力机由于速度高，特别适用于风力 发电，因此大多数发电用的风力机都是 由高速风轮所驱动的。
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力高 机速
水 平 轴 风
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风轮的组成和功能
风轮一般由1～3 个叶片和轮毂 所组成, 其功能是将风能转换为机械 能。
密切相关，在风力机没有过速的条件下，运转
于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮效
率。
nR
V
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翼型的选取
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，另外，还应该 具有良好的制造工艺性。
于翼型弦线。
合力可分解为两个分力: 一个分力FL与气
流方向垂直, 称为升力; 另一个分力FD与气流方
向相同, 称为阻力。
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升力、阻力和力矩系数定义
分别以V，ρ和C表示来流速度，空气密度和
翼型弦长，以M表示翼型的力矩，那么翼型的
基本空气动力学特性可以由以下无量纲系数表
示：
升力系数
阻力系数
力矩系数
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翼型升阻特性曲线
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风力机叶片核心参数
风力机叶片核心参数：设计尖 速比λ、设计风速V、每个叶素翼型、 风轮直径D、每个叶素的弦长C和安 装角θ。
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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
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V13
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Cp — 风能利用系数，一般取0.4~0.5之间；
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翼型桨距角
θ=α+ β
α：翼型攻角 β：叶片桨距角 θ：叶片入流角
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设计风速
设计风速 V 取决于使用风力机地区 的风能资源分布。
设计风速决定了风轮的最佳尖速比。
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风轮的尖速比
风轮的尖速比λ是风轮叶片的叶尖速度和设计
风速之比(Tip Speed Ratio)。尖速比与风轮效率
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水平轴风力机
按照风轮的旋转速度（叶尖速比）， 水平轴风力机也可分为:
低速水平轴风力机 高速水平轴风力机
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低速水平轴风力机
低速风力机的叶片数在12至24片之间不 等，叶片几乎覆盖了整个风轮表面，这些多叶 片的低速风力机特别适用于低风速环境，其起 动扭矩相对较高，主要用于提水等负载扭矩较 大的场合；
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
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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。
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翼型速度三角形
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风轮系统工作原理
风轮叶片在风的作用下产生空气动力 使风轮旋转，将风的动能转换成机械能， 再将机械能转换成电能。风轮叶片的性 能直接影响到能量转换的效率。
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风轮叶片
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 风力机的捕风效率。
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风力机的组成
风力机就是将风能转换为电能的装置。 通常它由风轮系统、传动系统、电气系 统、控制系统和塔架系统等组成，其中 风轮是最关键得部件之一。
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风力机的组成
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风力机风轮系统的类型
风力机按照风轮结构不同分为两大类： 垂直轴风力机 水平轴风力机
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水平轴风力机
垂直轴风力机
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垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转。 其主要优点是可以接受来自任何方向的风,因 而当风向改变时，无需对风。
风力机空气动力学基本原理
主讲人：韩璐
2009年10月21日
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空气动力学研究对象
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
与物体之间作用力的学科。
运动的空气就是我们通常所说的风。
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风的形成与定义
太阳辐射造成地球表面大气压力 分布不均匀，引起空气的运动就形 成了风。风向和风速是描述风特征 的两个重要参数。
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翼型结构和基本概念
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翼型的几何参数
通常翼型几何外形由下列参数决定： 翼型前缘A：翼型的前部A为圆头； 翼型后缘B：翼型的尾部B为尖型； 翼型弦线C：翼型前缘与后缘的连线称为翼型弦线弦
线长度就是翼型的弦长C，弦长C是翼型的特征尺寸； 中弧线：翼型内切圆圆心的连线称为翼型的中弧线，
于旋转平面的桨矩角； 5、在半径r处的叶片截面（翼型）：叶片与半径为r并
以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面； 6、桨矩角：在半径r处翼型的弦线与旋转面的夹角。
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风轮叶片
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风轮叶片结构
风力机叶片
实质是从叶根到
叶尖径向位置上
不同翼型安照不
同扭角和弦长分
布组成。
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叶片的二维假设
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。
对于较大型的风力机,因为受偏转与安全极 限应力的限制, 采用这种结构形式是比较困难 的。垂直轴风力机风能利用系数低于高速垂直 轴或水平轴风力机,在风轮尺寸、重量和成本 一定的情况下提供的功率输出较低,因而用作 发电缺乏竞争力。
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水平轴风力机
水平轴风力机按照风轮在气流中的位置分为： 上风式和下风式
对称的翼型中弧线与翼弦重合；
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翼型的气动参数
翼型攻角α ：在翼型平面上，把来流
V 与弦线 C 之间的夹角定义翼型的攻角， 又称为迎角。
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翼型的受力示意图
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翼型的气动参数
当翼型攻角α大于零时，因此翼型下表面
压力大于上表面压力，气流在翼型上形成合力，
合力 F 即为翼型受到的空气动力, 其方向垂直
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空气动力的产生
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。
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风轮空气动力学的几何定义
1、风轮轴：风轮旋转运动的轴线； 2、旋转平面：与风轮轴垂直，叶片旋转时的平面； 3、风轮直径：风轮扫掠面的直径； 4、叶片轴：叶片纵向轴，绕此轴可以改变叶片相对