2风力机理论基础
第二章-风力机的基本理论及工作原理
4）风杯式阻力差风力机 两个半球面杯对称安装在转轴两 侧，球面方向相反。一个凸面向 风，另一个凹面向风，显然在相 同风力下后者对风的阻力比前者 大。
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。
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。
关系到叶片的攻角，是分析
风力机性能的重要参数。
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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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风轮的轮毂比(Dh/D)：风轮轮毂直径Dh
与风轮直径之比。
U(1-a)
风力发电机组基础理论
西方国家意识到对化石能源的依赖性太强，各国政府开始重视其他替代能 源特别是可再生能源（环保压力）。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
蓬勃发展
能源危机后， 美国、丹麦、 瑞典、德国 下大决心开 发风能。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
风车
辗磨谷物、灌溉
？
风力发电机
发电
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程 第一次尝试
丹麦：1891年，Poul La Cour。
一战导致的石油价格的上涨， 推动了风机技术的迅速发展， 到1918年共有120台风力发电机 投入运行（功率10～35kW、风 轮直径最大达20m）。
1.3 风机的类型 3）变桨定速型（主动失速）
停机时刀尖朝前。
1、风力发电机组的入门知识
1.4 风力机的发展趋势 越来越庞大
但并不是越大越好，还要考虑当地风况和机组成本等因素
1、风力发电机组的入门知识
1.4 风力机的发展趋势 陆上——海上
要用较高的塔架以获取更好的风况 一般不大于3MW
风况较好，一般适用于3MW以上 风机，以节约基础成本
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1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
它是利用风能旋转的、最简单的捕风装置
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
1）历史记载的最早的风车出现在公元644年，在现在 的阿富汗一带，为垂直轴，用于辗磨谷物。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
2）中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。
风力机的基本参数与理论.
风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。
下面是翼型的几何参数图1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。
2）弦线、弦长连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。
弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。
3）最大弯度、最大弯度位置中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用x f表示。
4）最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用x t表示。
5）前缘半径翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。
6）后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。
7）中弧线翼型内切圆圆心的连线。
对称翼型的中弧线与翼弦重合。
8）上翼面凸出的翼型表面。
9）下翼面平缓的翼型表面。
（2）风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。
下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。
根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。
按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。
风力发电理论及整机基础知识演示文档
优选风力发电理论及整机基础 知识
课程内容
整机机械传动 叶轮 齿轮箱 联轴器制动器 偏航系统 塔筒
机器的组成？
辅助系统，例如润滑、显示、照明等
原动机部分
传动部分
执行部分
控制系统
第一篇 整机机械传动
一.风力发电理论原理
风能
机械 能
变压器升压 后输送至电
网
电能
叶轮吸收风能 发电机将机械 转化为机械能 能转化为电能
α：冲角
δ：翼型厚度
f ：翼型的弯度
叶片受力分析
• C点：压力中心点 • R：叶片翼型剖面受到的合力 • Ry：垂直于来流方向的分力 • Rx：平行于来流方向的分力
升阻力系数
Cl：升力系数
Cd：阻力系数
叶片升阻力系数与冲角的关系
叶片的最大升阻比
斜率=升力与阻力之比 最大升阻比cotε= Cl/ Cd
上半圈时，叶片离心 力和轴向推力的合力K和 叶片轴向重合
由于推力Su＜ S0 ，离 心力Fu >F0 ，所以下半圈 时，合力K并不停在叶片 轴向上。
轮毂受力情况
铰链式轮毂 常用于两叶片叶轮 半固定式轮毂，铰链轴与叶片长度方向及叶轮轴两两垂直
叶片系数与阻力系数的关系
风电机组对叶片的要求
• 比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经 受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；
• 叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲 线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；
• 耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好； • 发电成本较低，维护费用最低。
叶片技术发展——材料
机型环境温度分类： 常温型：生存温度：-25℃~+45℃ 运行温度：-15℃~+45℃ 低温型：生存温度：-45℃~+45℃ 运行温度：-30℃~+45℃
风力机流体力学知识点总结
风力机流体力学知识点总结一、风力机的基本工作原理1. 风力机的工作过程风力机的工作过程首先是受到来流风的作用，通过风轮的叶片进行受力，推动风轮旋转。
风轮通过传动系统把旋转运动转换成机械能或电能。
风能转换成机械能的设备称为风力机，转换成电能的设备称为风力发电机。
2. 风力机的基本结构风力机主要由机架、叶轮、发电机、传动装置等部件组成。
其中机架用于支撑整个风力机，叶轮是风力机的核心构件，通过叶轮的旋转推动发电机工作。
3. 风力机的分类风力机根据其不同的转动方式和输出方式可以分为多种类型，常见的有水平轴风力机和垂直轴风力机。
水平轴风力机的叶片是沿着水平方向旋转的，而垂直轴风力机的叶片则是沿着垂直方向旋转的。
二、风力机的流体力学原理1. 风力机的叶片受力原理风力机的叶片在风场中运动时，受到来流风的作用，产生气动力。
气动力的大小和方向取决于叶片的形状、叶片与来流风的相对速度以及来流风的密度等因素。
叶片的受力分析是风力机流体力学的重要内容。
2. 风力机的动能转换原理风力机在叶片受力后，会把风能转换成机械能或电能。
动能转换的过程涉及到风能的捕捉、叶片的受力、风轮的旋转等流体力学问题。
3. 风力机的风场影响风力机的效率和输出功率受到来流风场的影响，风场的流速、流向和气压分布都会直接影响风力机的运行情况。
因此风力机的设计和运行需要考虑风场流体力学的影响。
三、风力机流体力学的应用1. 风力机的叶片形状设计根据流体力学原理，设计出合理的叶片形状对于提高风力机的效率和输出功率至关重要。
叶片的气动性能和结构强度都需要在流体力学基础上进行优化。
2. 风力机的性能预测通过对风力机所处风场的流体力学分析，可以对风力机的性能进行预测和评估。
例如通过计算流体动力学模拟，可以得到风力机在不同工况下的输出功率、扭矩等重要参数。
3. 风力机的控制和运行优化流体力学原理在风力机的控制和运行优化中起着至关重要的作用。
通过对风场流体力学参数的监测和分析，可以对风力机进行智能化控制，提高风力机的效率和稳定性。
3_风力发电技术课本知识点总结
第一章风及风能资源一、风的形成及影响因素1.风的产生：是由地球外表大气层由于太阳的辐射而引起的空气流动，大气压差是风产生的根本原因2.特性：周期性、多样性、复杂性3.风的分类：季风、山谷风、海陆风、台风、龙卷风二、风的测量1.风的测量包括风向和风速两种2.风向测量：风向测量是指测量风的来向风向测量装置：1)风向标：是测量风向最通用的装置，有单翼型、双翼型、流线型2)风向杆（安装方位指向正南）、风速仪（可测风向和风速，一般安装在离地面10米的高度）3.风向表示法：风向一般用16个方位表示，静风记为C。
4.风能密度:单位截面积的风所含的能量称为风能密度，常以W/m2表示。
三、风资源分布1.我国风资分布可划分为：风能丰富区、风能较丰富区、风能可利用区、风能贫乏区1)风能丰富区:有效风能密度＞200W/m2。
2)风能较丰富区：有效风能密度为150~200W/m2，3~20m/s风速出现的全年累计时间为4000~5000h。
3)风能可利用区：有效风能密度在50~150W/m2之间，3~20m/s风速出现时数约在2000~4000h之间。
4)风能贫乏区：该区风能密度低于50W/m2，全年时间低于2000h第二章风力机的理论基础一、贝兹理论二、翼型的几何参数三、风车理论四、叶素理论气动效率五、葛劳渥漩涡理论六、葛劳渥轴线推力和扭矩计算有限长的叶片，叶片的下游存在尾迹涡，主要有两个漩涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。
漩涡诱导速度可看成以下三个漩涡系叠加的合速:①中心涡，集中在转轴上②每个叶片的边界涡③每个叶片尖部形成的螺旋涡七、风力机的相似特性相似准则：所谓模型与风力机实物相似是指风轮与空气的能量传递过程以及空气在风轮内向流动过程相似，或者说它们在任一对应点的同名物理量之比保持常数。
流过风力机的气流属于不可压缩流体，理论上应满足几何相似、运动相似和雷诺数相等。
对风力机而言，后一个条件实际做不到，故一般仅以前两个条件作为模型和风力机实物的相似准则，并计及雷诺数。
风力发电理论及整机基础知识
8
水平轴风力发电机组
9
二.风力发电机组组成
兆瓦级的大型风力发电机组包括 四个部分：
• • • •
叶轮 机舱 塔架 基础
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三. SL1500风力发电机组概述
叶片
一. 叶轮
轮毂
叶轮又叫风轮，是获 取风中能量的关键部件， 由叶片和轮毂组成。分变 桨距风轮和定桨距风轮。
3.加热器： 数量：六个（两组，每组一个备用） 位置：齿轮箱的前部和后部 作用：当齿轮箱工作环境温度较低 时，加热器对齿轮箱润滑油进行加 热，以确保齿轮箱内部的润滑油保 持在一定的粘度范围。
控制方式：系统自动控制
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4.Pt 100（温度传感器）：
数量：三个（油温、轴承各一个，备 用一个） 位置：齿轮箱后部右侧和上方 作用：监控油温和高速端轴承温度， 确保机组的安全 控制方式：系统自动控制
水平轴风力发电机
对风向依赖大
机器部件在基础底上，便于维修 高空维修难度大 叶片自重影响小 低风下叶片不会自己启动 叶片自重产生交变负荷对叶片 寿命产生决定性影响 达到切入风速机组即启动
地面到风轮中心点的距离很小， 轮毂中心高度可灵活掌握 减少了发电量
拉索产生振动问题，减振成本高 没有拉索，塔筒振动小
润滑方式：
飞溅润滑+压力润滑
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齿轮箱的减噪装置
齿轮箱的重量约占机舱重量的1/2，而且当风机运 转时，齿轮箱会产生振动。为减小振动对其它部件的不 利影响，齿轮箱与主机架之间增加了减振元件。
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结构特点
• 主轴内置于齿轮箱的内部，不需要现场主轴对 中； • 主轴轴承采用稀油润滑，效果更好； • 采用两极行星、一级平行轴机构传动，提高了 速比，降低了齿轮箱的体积； • 采用先进的润滑与冷却系统，使每个润滑点都 可以得到充分的润滑，确保了齿轮箱的使用寿 命。
_风力发电基础理论
1.地面状况对风速的影响可以分为地面粗糙度影响，障碍物影响和地形影响。
2.并网型风力发电机组可分为机舱、风轮、塔架和基础几个部分。
3.变转速发电机需要通过交—直—交变流装置与电网频率保持同步。
4.锥角的作用是在风轮运行状态下减少离心力引起的叶片弯曲和防止叶尖和塔架碰撞的机会。
5.风轮实度是指叶片在风轮旋转平面上投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值。
6.叶片的固有频率直接影响机组的动态特性，激振频率应避开叶片的共振区，以降低叶片的7.动应力，提高使用寿命。
8.风轮、塔架及风力发电机组可作为一个弹性体来看待。
弹性系统可有驱动系统、机舱系统及变距系统和偏航系统组成。
9.叶片防雷击导线截面积为50mm²10.塔架结构有筒形和桁架两种形式。
11当风力发电机组运行时，机组除承受自身的重量Q外，还要承受由风轮产生的正压力P、.风载荷q以及机组调向时所产生的扭矩Mn等载荷的作用。
13.传动系统包括主轴、齿轮箱和联轴器。
14.主轴的作用在于将转子叶片上的旋转扭矩传递给齿轮箱。
15主轴与齿轮箱的连接大多采用涨紧式联轴器。
16.齿轮箱高速轴通过柔性连接与发电机轴连接。
17.偏航轴承分为滑动轴型和滚动型。
18.液压系统的主要功能是刹车和变桨距控制。
19.制动系统主要分为空气制动和机械制动。
20.发电机通过四个橡胶减震器与机舱底盘连接。
21.控制系统包括控制和检测两部分。
22风力发机组最主要参数是风轮直径和额定功率。
23.轮系可以分为定轴轮系和周转轮系。
24.扭揽保护装置一般由控制开关和触点机构组成。
25.比例控制技术是根据输入电压值的大小，通过放大器，将该输入电压信号转换成相应的电流信号。
26.变距系统的节距控制是通过比例阀来实现的。
27.紧急顺桨速度9°/s28..润滑剂可分为：润滑油、润滑脂、固体润滑剂。
29.变频器最大容量为发电机额定容量的1/4——1/330.风电设备的控制系统包括测量、中心控制器和执行机构。
风力发电基础理论题库(培训,风力发电基础理论)分解
风力发电基础理论题库第一章风力发电的历史与发展填空题1、中国政府提出的风电规划目标是2010 年全国风电装机达到（500 万千瓦），到2020 年风电装机达到（3000 万千瓦）。
2020 年之后风电超过核电成为第三大主力发电电源，在2050 年前后（达到或超过 4 亿千瓦），超过水电，成为第二大主力发电电源。
简答题1、风力发电的意义？（1）提供国民经济发展所需的能源（2）减少温室气体排放（3）减少二氧化硫排放（4）提高能源利用效率，减轻社会负担（5）增加就业机会2、风力机归纳起来，可分为哪两大类？（1）水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行，（2）垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，3、风电机组发展趋势？（1）从定桨距(失速型)向变桨距发展（2）从定转速向可变转速发展（3）单机容量大型化发展趋势第二章风资源与风电场设计填空题1、风能大小与（气流通过的面积）、（空气密度）和（气流速度的立方）成（正比）。
2、风速的测量一般采用（风杯式风速计）。
3、为了描述风的速度和方向的分布特点，我们可以利用观测到的风速和风向数据画出所谓的（风向玫瑰图）。
4、风电场的机型选择主要围绕风电机组运行的（安全性）和（经济性）两方面内容，综合考虑。
简答题1、简述风能是如何的形成的在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；在高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。
这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动。
地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向力的影响2、风能的基本特征？（1）风速（2）空气密度与叶轮扫风面积（3）风能密度（4）叶轮气流模型3、测风注意事项？最佳的风速测量方法是在具有风资源开发潜力的地区安装测风塔，测风高度与预装风电机组的轮毂高度尽量接近，并且测风设备安装在测风塔的顶端，这样，一方面可以减小利用风切变系数计算不同高度处的风速所带来的不确定性，另一方面也可以减小测风塔本身对测风设备造成的影响（塔影效益），如果测风设备安装在测风塔的中部，应尽量使侧风设备的支架方向与主风向保持垂直，并使侧风设备与测风塔保持足够的距离。
风力发电基础理论——风力发电综述2
目前，全球风电场中安装的大型风电机组，绝
大多数是水平轴、三叶片、上风向、锥管式塔架、
变桨变速型风电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ组，其他形式的机组较少见到。
风电界在总的层面上对风电技术的认识不再有大的
分歧，集中力量向大型化、高质量和高效率方面发
展。
1.3.1单机容量持续增大
1
最近几年，各种大型风电机组不断出现并得到迅速推广应用 。1982年，风电机组的平均功率为55kW，风轮直径为15m， 轮轂高度25m；1992年，风电机组发展到300kWW，风轮直径 30m，轮毂中心高度40m；1997年以后， 600k W机组成为主 流机型，轮直径45m，轮毂中心高度6om。 1999年以后，大量单机容量在1000kW成1000kw 以上 的机型进入了风电市场，当年风电市场上，兆瓦机组市 场占有率为27．4％，2002年开发出2500kW风电机组 ，风轮直径为80m，轮毂中心高度达100m。
1.3.2 从定桨距（失速型）到变浆距
失速型调节方式和变桨距调节方式曾经是风电 机组的两种主要功率调节方式。采用失速型调节 方式的风电机组的叶片与轮轂固定连接，不能绕 其轴线转动，功率调节通过叶的自身的失速特性 实现。这种方式有结构简单、故障率低的优点， 一度在风电机组中很受欢迎，得到普遍采用。其 缺点主要是风电机组的性能受叶片失速性能的限 制，额定风速较高，在风速超过额定值时发电功 率有所下降。另一个缺点是叶片形状和结构复杂， 重量大，引起风轮转动惯量大，在研制大型风电 机组时更为突出。
国内外风电设备制造商目前开发的大型风电机组
1 机头重量
在大型兆瓦级机组研发过程中出现了不同 的技术路线，机组结构不同，设备重量也迴 异。欧洲 Repower的5M、德国 Enercon公 司的E-112和Bard公词的VM属于偏重的机型 ，5M和VM的机头（机舱加风轮）重量为 415～420t，而E-112的机头重量超过500t。 当然，这3个机型是作为5MW以上系列的基 础机型研发的，有较多安全设计裕度，在完 成测试后用于更大风轮和容量升级。
风力发电复习资料
第二章风力机基础理论2.2风力机的分类国内外风力机的结构形式繁多，从不同的角度有多种分类方法。
①按风轮轴与地面的相对位置，分为水平轴式风力机和垂直轴(立轴)式风力机。
②按叶片工作原理，分为升力型风力机和阻力型风力机。
③按风力机的用途分类，有风力发电机、风力提水机、风力铡草机、风力脱谷机等。
④按风轮叶片的叶尖线速度与吹来的风速之比的大小来分，有高速风力机(比值大3)和低速风力机(比值小3)；也有把该比值2～5者称为中速风力机。
⑤按风力机容量大小分类：国际上通常将风力机组分为小型(100 kW 以下)、中型(100~1000kW)和大型(1 000 kW 以上)3种；我国则分成微型(1 kW2.1 以下)、小型(1～10 kW)、中型(10~100 kW)和大型(100 kW 以上)4种；也有的将l 000kW 以上的风机称为巨型风力机。
⑥按风轮相对于塔架的位置，分为上风式(前置式)风力机和下风式(后置式)风力机。
⑦按风轮的叶片数量，分单叶片、双叶片、三叶片、四叶片及多叶片式风力机。
现在各国应用较多的是水平轴、升力型和少叶式的风力发电机(多数为2—3个叶片) 风力机翼型的概念2.3 翼型的几何参数及气动特性2.3.1翼型的几何参数翼型定义：叶片展向长度趋于无穷小时叫翼型。
常见的翼型形状有如图所示几种：对称翼型双凸翼型S型翼型平凸翼型下图为一任意形状的翼，其几何尺寸和参数如下：1．弦长(即翼弦)b翼型最前点(前缘)与最后点(后缘)的连钱称翼弦，它的长度称弦长用b 表示。
当前、后缘厚度不为0时，翼弦定义为前缘中点与后缘中点的连线。
2．厚度(指最大厚度)c是上、下翼面在垂直于翼弦方向的距离，其中最大者称最大厚度，用c 表示。
3．相对厚度c最大厚度c 与弦长b 的比值，用cc b=表示。
4．最大厚度位置c σ指最大厚度线到前线点的弦向距离记作c σ。
5．最大厚度相对位置c σ指最大厚度位置c σ与弦长b 的比值，用c c bσσ=表示。
风力机理论基础
1.11
0.34
1.33
0.47
0.044
1. 2 阻力与升力
当气流与物体有相对运动时，气体对物体有平行于气流方向的作用力——阻力。 定性考察飞机机翼附近的流线。
当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相 同的。 考察二维翼型气体流动的情况。根据流体运动的 1、质量守恒定律，有连续性方程：
A1V1 = A2V2 + A3V3 其中A、V分别表示截面积和速度。下标1、2、3分别代表远前方或后方、上表面和下 表面处。 2、伯努利方程：
P0 = P +1/2 * V2=常数 其中： P0 ——气体总压力；
P ——气体静压力。
1
2
1
1
3
1
下翼面处流场横截面面积A3变化较小，流速V3几乎保持不变，进而静压力P3≈ P1。 上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速增大，V2>V1。使得 P2 < P1，即压力减小。
半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺旋线的螺距。 可以从几个方面来理解：
——几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角。 ——此处的螺旋升角为该半径处的安装角r。 ——该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。 ——桨距值：H=2r tg r
1.2.2 贝兹理论
1. 贝兹理论中的假设 ——叶轮是理想的； ——气流在整个叶轮扫略面上是均匀的； ——气流始终沿着叶轮轴线； ——叶轮处在单元流管模型中，如图。
R
M
V
C
一、作用在机翼上的气动力
由于机翼上下表面所受的压力差，实际上存在着一个指向上翼面的合力，记为R。
——阻力与升力：R在翼弦上的投影称为阻力，记为D；而在垂直于翼弦方向上的投影称 为升力，记为L。
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。
风力发电基础知识
风力发电基础知识一、风的产生与特性•产生：•特性：周期性、多样性、复杂性1、产生能量的基本要素：2、风能的一些主要特性参数：1）风能：2）风能密度3）风速与风级：。
分13级4）风向与风频：定为风的方向，即风向。
风频是指风向的频5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和三杯轻便风向风速表等。
3、风中的能量4、功率系数输入的风能可能提取的风能 p C),(βλf C p =VR /ωλ=5、风机的实际输出功率P=0.5×ρ×A×Cp×V3×Ng×Nb140012001000800600400200345678910111213141516171819202122232425①安全可靠成本降低②风力发电不消耗资源、不污染环境③建设周期一般很短④装机规模灵活⑤运行简单⑥实际占地少⑦对土地要求低⑧在发电方式上还有多样化的特点风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上•风力发电场未来的发展趋向1-2 风力发电设备一、组成：风力机发电机二、分类：1）2）3）4）5）6）①②③④⑤⑥⑦⑧⑨特点：组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向装置、发电机和塔架等部件组成，大中型风力机还有自动控制系统。
应用：类型：有传统风车、低速风力机及高速风力机等特点：形式有：应用：3、风力发电机组可分为定桨距机组与变桨距机组。
分类：独立运行和并网运行两种运行方式。
蓄电池储能、抽水蓄能。
正在研究试验的有压缩空气储能、飞轮储能、电解水制氢储能等。
切换运行同时运行，作用：应用：并网运行又可分为两种不同的方式：•①恒速恒频方式•②变速恒频方式，风力发电机组按一定的阵列布局方式成群安装而组成的风力发电机群体．称为风力发电场，简称风电场。
•作用：减少机组之间的相互影响，风电场内风力发电机组的排列应以风电场内可获得最大的发电量来考虑。
•影响因素：主要受风能分布、风场地形和土地征用的影响。
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2.风力机的基础理论2.1风力的能量转换过程2.1.1 风能的计算与风能密度（1）风能的计算由流体力学可知，气流的动能为1mv²E=2式中：m—气体的质量；v—气体的速度。
设单位时间内的气流流过截面积为S的气体的体积为V，则V=Sv如果以ρ表示空气密度，该体积的空气质量为m=ρV=ρSv这时气流所具有的动能为1ρSv³E=2上式即为风能的表达式。
在国际单位制中，ρ的单位是kg/m³；V的单位是m³；v的单位是m³；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随地理位臵、海拔、地形等因素而变。
（2）风能密度不考虑风能机械的利用系数，单位面积获得的风功率叫风能密度，并以此表征某地风能潜力的大小。
W=0.5ρV³（W/m³）（2.5）推动等能机械运转的风能功率是P=0.5ρV³S（W）（2.6）式中：ρ——为空气质量密度（1.22kg/m³）；V——风速（m/s）；S——风力机械叶轮扫掠的面积（m³）。
由于实际上风力机械不可能将风能全部转换为轴的机械能，因而风轮实际所捕捉风能的功率为P=0.5ρV³SC P（W）（2.7）式中：C P——风能利用系数，即为风轮所捕捉的风能与通过风轮扫掠面积S全部的风能的比值。
以水平轴为例，理论上风能利用系数为0.593左右，但考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素，风能利用系数能达到0.45就已经相当高了。
2.2翼型的几何参数和气动特性无论风力机的型式如何，桨叶是至关重要的部件。
为了很好地理解它，必须知道某些空气动力学的基本知识。
2.2.1 翼型的几何参数及NACA0018翼型简介（1）翼型的几何参数翼型的几何参数与气流角如图所示。
图2.1中，B点为后缘，它是距后缘最远的点；l为翼型的弦长，是两端点、连线方向上翼型的最大长度；C为最大厚度，级弦长法线方向至翼型最大厚度；C翼型相对厚度，C=C，通常为10%~15%；f为翼型中线最大弯度；f为翼型相对弯度；i为攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角；θ0为零升力角，它是弦线与升力线间的夹角；θ为升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角i=θ+θ0此处θ0是负值，θ和i是正值。
（）NACA0018翼型简介NACA0018属于NACA四位数字翼型族。
NACA翼型是二十世纪三十年代末四十年代初美国国家宇航局（缩写NASA）前身国家航空咨询委员会（缩写NASA）提出的，它由基本厚度和中弧线迭加而成。
四位数字翼型分为对称翼型和有弯度翼型两种。
对称翼型即为基本厚度翼型，有弯度翼型由中弧线与基本厚度翼型迭加而成。
NACA0018是一种对称翼型，如图2.2所示。
四位数字翼型的第一个数字表示最大相对弯度的百倍数值；第二个数字表示最大弯度相对位臵的十倍数值；最后两个数字表示最大相对厚度的百倍数值。
NACA0018的最大相对厚度为18%。
2.2.2 翼型的气动特性假定桨叶处于静止状态，令空气以相同的相对速度吹向叶片时，作用在桨叶上的气动力将不改变其大小。
当气流流经如图2.3所示的翼型叶片时，叶片上面气流速度增高，压力下降，叶片下面几乎保持原来的气流压力，于是叶片受到了向上的作用力F0。
此力可分解成与气流方向平行的力F D（称为阻力）和与气流方向垂直的力F L（称为升力）。
翼型的气动特性是指作用在翼型上的升力和阻力特性。
对于机翼这种特别设计用以产生有效升力的物体，其翼型的气动特性是工程上所最关心的问题。
对于孤立翼型，当被均匀来流绕流时，作用在翼型（单位翼展）上的升力和阻力工程上分别用如下公式计算：F L =C L2ρ2∞V A F D =C D 2ρ2∞V A式中：C L 、C D ——孤立翼型的升力系数和阻力系数；V ∞、ρ——均匀来流速度和密度；A ——翼型最大投影面积，对于单位翼展A=b ×l 。
升力系数C L 和阻力系数C D 。
是翼型形状及冲角α的对应关系一般由试验给处，如图2.4所示。
这种C L 、C D 与α的关系曲线称为翼型的气动特性曲线，每种翼型都有其自身的气动特性曲线。
由图2.4可见，冲角α=6~9º，C L 曲线接近一直线而C D 曲线类似一条二次曲线，随着α增大，C L 成正比上升C D 增加较缓慢，翼型通常在这一区间工作。
当冲角α=6º 时，C L 为零，C D 亦最小，这就是零升力冲角α0当冲角α>12º后，气动性能开始恶化，C L 开始陡降而C D 则大幅度上升，这是由于大冲角翼型绕流导致上表面边界层分离所致，该冲角称为临界冲角，超过临界冲角以后的分离流动称作翼型的失速流动。
此时飞机的速度和飞行高度将迅速下降，在轴流式流体机械中，失速流动将使设备工作恶化，效率降低并伴有噪声和振动。
一种实用上更为方便的表示翼型的气动特性的方法是，以冲角为参数，做出曲线，此曲线称作翼型的极曲线（图2.5）。
引用极曲线，除对于某冲角仍立即确定出相应的升阻系数C L 和C D ，还有以下方便：如在坐标原点和此曲线的任一点连直线，则此直线表示该点冲角下的合力系数C F （图，C F =F / ⎪⎭⎫ ⎝⎛b 21ρV 2∞，F 为F L 和F D 的合力）大小。
而且此直线与横轴夹角等于合力F 与来流间夹角，直线的斜率则为该点冲角下工作时的升阻比C L /C D （C L /C D = F L /F D =1/tan λ，λ见图2.6）。
当然，对于确定的翼型，升阻比越大越好。
过坐标原点作极曲线的切线，切点处升阻比取极大值，一般则把切点附近的区域称为翼型的高质量区，设计轴流式叶轮机械时，选用的冲角应位于该区域内，以提高设备性能。
2.3 风轮的气动力学2.3.1 几何定义为了研究风力机的风轮，先给出一些定义：( 1）转轴：风轮的旋转轴；( 2）风轮直径：叶片扫掠面直径；( 3）风轮轴线：风轮旋转的轴线；( 4）安装角或节距角：半径 r 处回转平面与桨叶截面弦长之间的夹角；( 5）风轮叶素尖速比：在风速为V 时，风轮叶片尖端的线速度与该风速之比称为风轮叶素尖速比，叶素尖速比可表示为： Z=VωR 式中：Z ：尖速比；ω：风轮在风速V 时的旋转角速度ω＝2πn/60，弧度〃秒-1; R ：风轮半径，m ；n ：风轮转速，r/min;n 30VπR V R ×602ππZ == 由此可见高速性系数是反映在一定风速下风轮转速高低的参数。
高速性系数又称尖速比。
2.3.2推力、转矩和功率的一般关系式风作用在风轮上引起的总推力和作用在转轴上的总转矩表示如下：v v d F F P a a ==∑轴功率 P u =Tω效率为 vF ωT P P ηa u ==2.4风力机的分类及结构特征世界各国研制的风力机的形态和种类很多，对于目前比较成熟的风力机，通常按主轴的方向分为两大类：一类为水平轴风力机，一类为垂直轴风力机。
另外，还有一些比较特殊的类型，如扩压型和旋风型，现在尚处于探索性研究，没有大规模地推广应用。
2.4.1水平轴风力机水平轴风力机的结构特征是风轮的旋转平面与风向垂直，旋转轴和地面平行，如图2.7所示。
风力机的主要部件有叶片、传动轴、齿轮变速箱、发电机、尾翼和塔架等。
风轮上的叶片与旋转平面成一角度（即安装角）；叶片数目的多少，视风力机的用途而定：用于发电的风力叶片数大多为2片或3片，用于风力提水的风力机一般为12 ~24片。
叶片数多的风力机通常为低速风力机，在风速较低时有较高的风能利用系数和较大的转矩，并且由于它的起动力矩大，起动风速低，因而适用于提水，如图2.8。
叶片数少的风力机通常为高速风力机，由于轻便容易大型化，而且高速旋转对传动机构要求低，因此在风速较高时有较高的风能利用系数，适用于风力发电。
水平轴式风力发电机是目前技术最成熟、生产应用最广泛的一种风力发电机。
目前，10kW 以下的风力发电机，特别是几百瓦的充电式微型风力发电机绝大多数是水平轴式的。
水平轴式风力发电机又可分为两种：一种是为上风向风力发电机见图2.9a。
风轮在塔架的前面迎风旋转，迎风面的调整依靠尾翼；另一种是下风向风力发电机见图2.9b，它的风轮在塔架的后面，叶片的阻力可以保证迎风面的正确取向，但是风先经过塔架，再到风轮，会影响风力机出力。
由于尾翼结构并不复杂，因此，目前大量生产的是上风向风力机。
2.4.2 垂直轴风力机垂直轴风力机的特征是旋转轴与地面垂直，风轮的旋转平面与风向平行，如图2.10。
它具有几个突出的优点：一是风轮机塔架结构简单；二是发电机传动机构和控制机构等装臵在地面或低空，从而给操作和维修带来了方便；三是叶片容易制造，成本低；四是叶轮运行时不受风向的影响，所以不需要迎风装臵，大大简化了结构。
垂直轴风力机也可分为两个主要类别，一类称为阻力型，另一类称为升力型。
典型的阻力型有S型风轮，即由芬兰人萨窝纽斯（Savonius）在20世纪20年代发明的萨窝纽斯型（Savonius type) ，它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，起动转矩较大，因而启动性能良好。
但是它的转速低，并且在运行中围绕着风轮会产生不对称气流，从而产生侧向推力，特别是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。
S 型风力机风能利用系数低于水平轴风力机，由于它的转速不高，也低于高速型的其他垂直轴风力机，因而用作发电缺乏竞争力。
升力型垂直轴风力机利用翼型的升力做功，最典型的是由与萨窝纽斯同时代的法国人戴瑞斯( G〃J〃Darrieus ）首创的戴瑞斯型（Darrieus type）风力机。
根据风叶的形状，戴瑞斯型风力机又有多种形式，如图2.11所示的Ф型、H型、△型、Y型和◇形等，其中以H型风轮和Φ型风轮最为典型。
戴瑞斯型风力机的转速高，旋转惯性大，结构相对简单，适合大型风力机。