风力机空气动力学知识 64帧-文档资料共64页
3.风力机的空气动力学
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风力发电机组的原理与控制（二）
风轮前后风速和压力的变化
风速变化是连续的
压力变化是突变的
图2-1 风轮的流管模型
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风力发电机组的原理与控制（二）
动量定理推导（一）
伯努利方程
1 2 v p gh const 2
理想流体定常流动的动力学方 程，流体在忽略粘性损失的流 动中，流线上任意两点的压力 势能、动能与位势能之和保持 不变。
（1）弯度的影响 如果翼型存在弯度，即使没有攻角，翼型也 能产生升力和力矩。 当翼型弯度增大时，导致上下表面流速差增 大，从而使压力差加大，故而升力增加，升力系 数增大。特别是对前缘半径较小和较薄的翼型影 响尤其显著。 当翼型弯度增大时，上表面流速加大，摩擦 阻力上升，并且由于迎风面积加大，故而压差阻 力也加大，同时导致阻力上升。 因此，同一攻角时，随着弯度的增加，升力 和阻力都明显增加。但阻力比升力增加更快，升 阻比下降。当最大弯度的位置靠前时，最大升力 系数较大。
v v vd v (1 ) 2
1 2 2 9 Ad (v v ) (v v ) Ad v (1 a ) 2
风力发电机组的原理与控制（二）
动量定理推导（三）
气压力(作用在风轮上) 2 F ( pd p ) A 2 A v d d d a(1 a)
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风力发电机组的原理与控制（二）
尾流(weak)
风施加在风轮上的力矩有一个大小相等，方向相反的反作用 力矩作用在空气上。它引起空气反向于风轮旋转，空气获得角动 量，其粒子在旋转面的切线方向和轴向上都有速度分量。 13
0.60 0.50 0.40 Cp 0.30 0.20 0.10 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 Tip Speed Ratio 8 9 1016 Betz - Without Wake Rotation With Wake Rotation
风力机空气动力学
第三章风力机气动力学§3.1 总论风力机功率的产生依赖于转子和风的相互作用。
风由平均风和附加于上的强烈的湍流脉动合成。
风力机的平均功率输出和平均载荷等主要性能由平均气流的气动力决定。
周期性的气动力是疲劳载荷源和风力机峰值载荷的一个因素。
周期性的气动力可以由切变风、偏轴风（off-axis winds）、转子旋转、由空气紊流和动力学影响诱发的随机脉动力引起。
本章首先关注的是稳态运行的空气动力学现象，关于非稳态空气动力学的复杂现象将在本章结尾简要介绍。
本章为读者提供理解翼型产生功率的背景，以计算一个优化的叶片形状作为设计叶片的起点，对已知翼型特性线和叶型的转子分析其气动性能。
本章的大部分内容详细说明了采用古典分析方法分析水平轴风力机。
动量理论和基元叶片理论（blade element theory）构成了片条理论（strip theory）或基元叶片动量理论（BEM）。
以此计算转子环形截面的特性，然后通过积分就可以获得整个转子的特性。
内容分为：1、理想风力机的分析（Betz极限）2、翼型的运行和一般气动力概念3、重点放在水平轴风力机的经典分析方法和一些应用和例子§3.2 一维动量理论和贝兹极限控制体积和理想透平如图，气流通过透平只产生压力不连续，并假设●气流均匀，不可压缩，定常流动●气流无磨擦阻力●透平具有无限多叶片●推力均匀作用在转子叶轮旋转面上●尾流无旋转转子远上游和远下游静压等于无干扰时环境的静压设T 为风作用于风力机上的力，由动量定理可知，透平对风的作用力为：4114()()T m U m U m U U ∙∙∙=---=- (3.2.2) 对于稳态流动，14()()AU AU m ρρ==，m 是质量流量，这里ρ是空气密度，A 是横截面，U 是空气速度。
此外，还由理想流体伯努利方程可知：2211221122p U p U ρρ+=+ (3.2.3)2233441122p U p U ρρ+=+ (3.2.4)因为14p p =，且通过透平的前后速度一样（23U U =）。
第二章 风力机的基本理论及工作原理
叶素理论
叶素理论的出发点是将风轮叶片延展向分成许 多微段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的 流动相互之间没有干扰，即叶素可以看成是二维翼 型，这时，将作用在每个叶素上的力和力矩延展向 积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。
3.5.6直驱式垂直轴风力发电机
一个永磁直驱式发电机模型，是多极发电机，结构与水轮发电机 类似，只是转子励磁采用永久磁体。转子旋转在定子绕组中产生电 流输出。
发电机安装在钢结构的塔架基座上，塔架基座的柱与梁还要支持塔架与 风轮。
塔架安装在塔架基座上。
风轮在塔架顶端，风轮轴通 过传动轴连接发电机，发电 机与风轮同步旋转。 直驱发电机安装在塔架上部
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。
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。
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。
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。
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。
风力机空气动力学常识
风力机空气动力学常识作者：曹连芃关键字：翼型,升力，阻力，相对风速，攻角，失速迎角，叶尖速比，贝茨极限，雷诺数，实度风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力，数千年前就有了帆船用于交通运输，后来有了风车用来磨面与抽水等。
近年来，由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重，风能作为清洁的新能源得到人们的重视，风力发电已成为重要的新能源。
对于想学习风力发电的朋友应该学习一些风力机空气动力学的基础知识。
升力与阻力风就是流动的空气，把一块薄的平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力。
我们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，D为阻力，当平板静止时，受阻力虽大但气流并未对平板做功；只有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。
当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零。
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负压区，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，阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。
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。
飞机的翼片是用来产生升力的，一般翼片上表面弯曲，下表面平直，即使翼片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，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。
由于飞机翼片截面为流线型，受气流阻力很小。
当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，升力会增大，阻力也会增加，适当选择翼片的攻角可获得最大的升力，尽量小的阻力。
风力机利用叶片受风的阻力运转的称阻力型风力机；利用叶片受风作用产生升力而运转的称升力型风力机。
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，也有升力型结构。
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。
水平轴风力发电机组空气动力学理论
第三章 水平轴风力发电机组空气动力学理论 研究风能工程中的空气动力问题的方法有理论计算，风洞实验和风场测试，它们相互补充，相互促进。
由于绕风力机的流动十分复杂，目前，理论计算还有一定的局限性，因此，还需要通过风洞实验和风场测试的方法来加以补充和完善。
本章主要围绕水平轴风力发电机组空气动力学理论进行阐述，内容包括动量理论，叶素理论，叶素-动量理论等基本理论，风轮的气动特性，叶片设计，叶尖损失，翼型升力和阻力等内容；研究风力发电机的气东理论需要具备一定的流体动力学的知识，诸如不可压缩气流静态贝努利（Bernoulli ）方程和连续性概念。
Biot-Savart 法则，类似于电磁场来确定涡流速度，Kutta-Joukowski 确定边界涡流等。
3.1 基本理论3.1.1动量理论动量理论可用来描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系。
流经转动盘面的整个气体流速的变化 ()a U U d -=∝1乘以质量流率，即是整个气体流动量的改变：()d d w U A U U ρ-=∝动量变化率 （3- 1） 动量的变化完全来自于制动桨盘的静压的改变，而且整个流管周围都被大气包围，上下静压差为0，所以有：()()()a U A U U A p p d w d d d --=-∝∝-+1ρ （3- 2）通过贝努利方程可以获得此压力差-+-d d p p ，因为上风向和下风向的能量不同，贝努利方程表示在稳定条件下，流体中的整个能量由动能、静压能和位能组成。
不对流体做功或流体不对外做功的情况下，总能量守恒，因此对单位气流，有下式成立：.tan 212t cons gh p U =++ρρ （3- 3） 上风向气流有：d d d d d gh p U p gh U ρρρρ++=+++∝∝∝∝∝222121 (3- 4) 假设气体未压缩d ρρ=∝，并且在水平方向d h h =∝ 则+∝∝+=+d d p U p U 222121ρρ (3- 4a) 同样下风向气流有：-∝+=+d d w p U p U 222121ρρ ( 3- 4b)两方程相减得到：()()2221w d d U U p p -=-∝-+ρ (3- 5) 代入方程(3-2)得()()()a U A U U A U U d w d w --=-∝∝∝12122ρρ (3- 6)这样可导出： ()∝-=U a U w 21 (3- 7)可以看出，一半的轴向气流损失发生在流经制动桨盘时，另一半在下风向。
飞机的飞行原理--空气动力学基本知识 ppt课件
4、电离层（暖层、热层）
电离层位于中间层之上，顶界离地面大约 800公里。 电离层的特点： 1）空气温度随着高度的增加而急剧增加， 气温可以增加到400 ℃以上（最高可达1000 ℃ 以上）。 2）空气具有很大的导电性，空气已经被 电离，主要是带负电的电离子。 3）空气可以吸收、反射或折射无线电波。 4）空气极为稀薄，占整个大气的1/亿. 这层空气主要有人造卫星、宇宙飞船飞行。
PPT课件 16
对流层的特点： 1）气流随高度升高而降低 在对流层中．由于空气受热的直接来源不是太阳，而 是地面，太阳放射出的能量，大部分被地面吸收，空气是 被太阳晒热的地面而烤热的，所以越靠近地面，空气温度 就越高。在中纬度地区，随着高度的增加，空气温度从15 ℃降低到11公里高时的－56.5 ℃。 2）风向、风速经常变化 由于太阳对地面的照射程度不一，加之地球表面地形、 地貌的不同，地面各地区空气气温和密度不相同，气压也 不相等，即使同一地区，气温、气压也常会发生变化，使 大气产生对流现象，形成风，且风向、风速也会经常变化。 3）空气上下对流激烈 地面各处的温度不同，受热多的空气膨胀而上升，受 热少的空气冷却而下降，就形成了空气的上下对流。
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4）有云、雨、雾、雪等天气现象 地球表面的海洋、江河中的水由于太阳照射而不断蒸 发，使大气中常常聚集着各种形态的水蒸气，在空中形成 了“积雨云”，随着季节的变化，就会形成云、雨、雾、 雪、雹和打雷、闪电等天气现象。 5）空气的组成成分一定 对流层中几乎包含了全部大气质量的3/4，主要是由于 地球引力作用的结果。 由于对流层具有以上特点，会给飞机的飞行带来很大 影响。在高空飞行时，气温低，容易引起飞机结冰，温度 变化还会引起飞机各金属部件收缩，改变机件间隙，甚至 影响飞机正常工作。上下对流空气会使飞机颠簸，既不便 于操纵，又使飞机受力增大。
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；
风力机学习资料
目录风力机空气动力学基础知识 (3)风力与风的测量 (14)什么是升力式风力机 (18)风轮的实度 (25)风力机调速方式 (30)风力机对风装置 (33)直驱式水平轴风力发电机 (37)概念风力机图片 (40)达里厄风力机 (43)升力－阻力结合式垂直轴风力机 (50)叶片可摆动的垂直轴风力机 (54)离心力调节叶片攻角垂直轴风力机 (59)用磁力与风力控制垂直轴风力机浆距角的方法与机构 (65)达里厄风力机图片 (74)屏障平板式风力机 (82)平板摆转式风力机 (85)风杯式阻力差风力机 (88)S式阻力差风力机之一 (91)S式阻力差风力机之二 (94)萨渥纽斯(Savonius)风力机 (94)塞内加尔式风力机 (95)阻力型风力机图片 (97)直驱式风力发电机概述 (102)外转子直驱式发电机 (105)中间定子盘式风力发电机 (109)中间转子盘式发电机 (115)薄盘式永磁发电机 (121)Enercon公司E-112风力发电机的吊装图片 (126)叶片的空气动力学基础 (134)升力型垂直轴风力机的工作状态简析 (139)浅析垂直轴风力机叶片的翼型与展弦比 (146)NACA0012翼型的截面与升力阻力曲线图 (151)简析几种垂直轴风力机叶片攻角调整方法的优缺点 (156)风能与风功率 (164)风轮尺寸与额定风速 (168)风力机空气动力学基础知识风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力，数千年前就有了帆船用于交通运输，后来有了风车用来磨面与抽水等。
近年来，由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重，风能作为清洁的新能源得到人们的重视。
为方便风力机技术知识的学习，下面介绍一些风力机空气动力学的基础知识。
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1中F是平板受到的作用力，F D为阻力，F L为升力。
阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。
风力机空气动力学基础知识
(P下
P上 )ds
而 ds ldx 则得
dY
1 2
C2
( P下
P上 )ldx
整个机翼的升力(Y)应为：Y 取X x b ，上式改写成：
1 2
C2
b 0
(
P下
P上 )ldx
Y
1 2
C2
b 0
(
P下
P上 )bldx
1 2
2
概述 风力发电 通过风力机的转子转轴变速系统发电机等，把风所具有的动能机 械能电能的过程。 通过作用转子叶片上的空气动力或力矩驱动转子转动。 风力机空气动力学是从事风电工作的工程师们所必须具备的专业基础知识。
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概述
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概述
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内容提要
空气动力学基础
参考书目
空气动力学，钱翼禝 流体力学，王松岭 空气动力学基础，徐华舫 风力机空气动力学 参考书
§1：空气动力学基础 §翼型空气动力特性
压力中心（又称气动中心）
压力中心即气动合力的作用点，是合力 作用线与翼弦的交点。作用在压力中心 上的只有升力与阻力，而无力矩。 压力中心的位置通常用距前缘的 距离 表示，大多数普通翼型的气动中心位于
0.25倍弦长处。
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§1：空气动力学基础 §翼型空气动力特性
§1：空气动力学基础 §翼型空气动力特性
翼型的压强分布图分两种表示方 法。一种是矢量法，另一种是坐 标法。
矢量法：如图所示，图中各线段 均垂直于翼型表面，线段的长度 表示压力系数的大小，箭头向外 为负值，箭头向里为正值, 将各个矢量的外端用平滑的曲线 连接起来，便是用矢量表示的压 强分布图。 图中压强最低吸力最大的一点(B 点)是最低压强点。在前缘近，压 强最高的一点(A)，是前驻点。
风力机空气动力学-chenww.
第3章风力机空气动力学3.1 概述风力机功率的产生仰赖于转子和风之间的相互作用。
如第 2 章所述，风的流动可以看做是由均匀流动和剧烈波动叠加而成。
经验表明，风力机性能（指输出功率和平均负载）的主要是由均匀流动部分产生的气动力所决定。
周期性的气动力可以由切变风、偏轴风（off-axis winds）、转子旋转和由空气紊流和动力学影响诱发的随机脉动力引起，它是疲累负载的来源，也是影响风力机峰值负载的一个因素。
这些当然很重要，但是只有熟悉了稳态运行的空气动力学才能理解。
因此,本章首先关注的是稳态运行的空气动力学现象，关于非稳态空气动力学的复杂现象将在本章结尾简要介绍。
实际设计的水平轴风力机通过桨叶将风的动能转变有用的能量。
本章提供了相关背景材料，帮助读者理解浆叶工作中动力的产生，计算优化叶形，分析已知叶型和浆叶特性的转子的空气动力学性能。
多位作者已经给出了预测风力机转子稳态性能的方法。
古典的风力机分析方法最初是由Betz和Glauert (Glauert, 1935)在20世纪30年代发展的。
随后，理论被发展并且可以使用计算机求解(see Wilson and Lissaman, 1974, Wilson et al., 1976 and de Vries, 1979)。
在所有这些方法中，结合动量理论和叶片微元理论（blade element theory）形成的带流理论，能够计算转子环形截面的工作特性。
本章将运用带流理论，通过对每个环形截面的特性值求积分或求和得到完整转子的特性。
本章首先分析了理想风力机转子，介绍相关的重要概念并阐述了风力机转子及其绕流气体的一般特性。
这些分析也适用于确定风力机的理论极限性能。
之后将介绍一般的空气动力学概念，用于评价利用浆叶产生动力相对于其他方法的优势。
本章的大部分内容详细说明古典分析方法对水平轴风力机的分析，以及一些应用实例和应用。
首先详述了动量理论和叶片微元理论的发展，以及用它计算简单、理想运行状况下的最佳叶型。