风力机的工作原理和气动特性
风力机叶片设计及翼型气动性能分析
风力机叶片设计及翼型气动性能分析风力机叶片是风力发电机的核心部件之一，其设计和翼型选择对风力机的发电效率、噪音和寿命等都有着非常重要的影响。
本文将介绍风力机叶片的设计及翼型气动性能分析。
一、叶片设计原理风力机叶片的设计目的是将大气中的风能转换成旋转能，并将其通过转轴传递给发电机，从而产生电能。
因此，叶片的设计主要围绕以下几点展开：1. 创造足够的扭矩：风力机的转子需要达到一定的转速才能发电，而叶片的弯曲和扭矩对于旋转速度的影响至关重要。
设计中需要选择合适的曲线形状和长度来实现理想的扭矩和转速。
2. 保证叶片的强度和稳定性：因叶片在高速旋转状态下会受到巨大的惯性力和风力力矩的作用，因此其材料和结构要足够坚固和稳定，以避免可能的断裂等事故。
3. 提高叶片的气动效率：叶片的气动效率是指其转化风能的能力，通常可以通过优化翼型、减小阻力、降低风阻等方法来提高。
二、叶片设计步骤1. 选定叶片长度：叶片长度通常是根据风力机的规格和性能要求来确定的，也可以根据标准长度来选择。
2. 选择翼型：翼型是叶片的重要组成部分，其形状和性能决定了叶片的阻力和气动效率。
目前，常用的翼型有NACA0012、NACA4415等，根据实际需求来选择。
3. 确定叶片曲线：叶片的曲线是决定扭矩和转速的关键因素，可以通过实验或模拟方法得到合适的曲线形状。
4. 优化叶片的结构：结构设计主要涉及到叶片的强度和稳定性，通常需要进行材料选择、计算等工作以保证叶片的安全性和寿命。
5. 模拟叶片气动特性：叶片的气动特性可以通过流场模拟、试验等方式来获取，可以根据实际需求来对叶片进行调整以达到理想的效果。
三、翼型气动性能分析翼型气动性能是指翼型在气流中运动时产生的力和力矩，其中，升力和阻力是翼型气动力的主要组成部分。
通过分析翼型气动性能，可以选择最优化的翼型来设计叶片。
1. 升力和阻力翼型的升力和阻力是由翼型形状、气流速度、攻角等因素共同决定的。
实际上，翼型的气动性能曲线通常都是非线性的，其升力和阻力特性会随着攻角的变化而不断变化。
风机叶片流体动力学特性分析
风机叶片流体动力学特性分析风机是一种常见的流体输送设备，其工作原理是通过旋转叶片将空气或气体吸入并加速排出，用以产生风力或气流。
在风机的设计与优化过程中，深入理解风机叶片的流体动力学特性至关重要。
本文将对风机叶片的流体动力学特性进行详细分析。
首先，风机叶片的流体动力学特性主要包括叶片的气动力学特性和叶片的流场特性。
叶片的气动力学特性是指叶片对气流的作用力和力矩的大小和方向，包括升力、阻力、横向力和力矩等参数。
这些参数直接影响风机的性能和效率。
而叶片的流场特性则指的是叶片周围的气流速度、压力、湍流强度等参数的分布情况，可以反映叶片受到的气动载荷和湍流干扰的程度。
为了准确分析风机叶片的流体动力学特性，需要采用数值模拟和实验测试相结合的方法。
数值模拟方法主要包括计算流体力学（CFD）方法和风洞实验。
通过CFD方法可以对叶片周围的气流进行三维数值模拟，得到叶片表面的气流速度、压力和力矩等参数的分布情况。
这种方法可以快速、准确地分析叶片的气动力学特性，并对叶片进行优化设计。
而风洞实验可以通过实际模型在风洞中进行流场测试，验证数值模拟结果的准确性，并获得更真实的流体动力学特性数据。
在进行风机叶片流体动力学特性分析时，需要考虑以下几个重要因素。
首先是风速和风向的影响。
风速的大小将直接影响叶片所受到的气动载荷大小，而风向的改变则会导致叶片受到的力和力矩的方向发生变化。
其次是叶片的几何形状和表面粗糙度。
叶片的几何形状将影响叶片周围气流的流动情况，而表面粗糙度则会增加气流与叶片表面的摩擦阻力。
此外，湍流的存在也会对叶片的流体动力学特性产生重要影响。
湍流强度越大，叶片受到的湍流干扰越严重，气动力学性能也会受到较大影响。
在进行风机叶片流体动力学特性分析时，需要对叶片进行精细的网格划分和边界条件的设定。
合理的网格划分可以保证模拟结果的准确性和计算效率，而边界条件的设定则会直接影响模拟结果的可靠性。
此外，还需要使用适当的湍流模型来模拟湍流流动的特性，如k-ε模型和k-ω模型等。
风力发电原理
4）最大限度地将风能转换为电能,即在额定风速以下 ,可能使发电机在每1种风速时,输出的电功率达到最大, 额定风速以上时则保持输出电功率为常量；
5）风力发电机输出的电功率保持恒压恒频,有较高的 电能品质质量.
风力发电机组控制目标有很多项,控制方法多种多样, 按控制对象划分大致可分为偏航系统、发电机并网 控制系统、发电机功率控制系统、电容器控制系统 等等,其中两个核心问题是：风能的最大捕获以提高 风能转换效率以及改善电能质量问题.由风力机最大 风能捕获的运行原理可知,若风速越高,则与之相对 应的风力机转速越高.但受风电机组转速极限、功率 极限等限制,风力机转速不可能太高.
分类： 1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置,可
分为水平轴式或垂直轴式. 2）从塔架位置上,分为上风式和下风式；
3）还可以按桨叶数量,分为单叶片、双叶片、 三叶片、四叶片和多叶片式.
4）从桨叶和形式上分,有螺旋桨式、H型、S 型等；
5）按桨叶的工作原理分,则有升力型和阻力型 的区别.
6）以风力机的容量分,则有微型(1kW以下)、 小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型 (100kw以上)机.
其中, Cp为风能利用系数（Power Coefficient）,表示风
机捕获风能的能力, Cp = Pcapture / Pwind
偏导航系统的作用
偏航系统的主要作用有两个： 1) 与风力发电机组的控制系统相互配合,使风发电 机组的风轮始终处于迎风状态,充分利用风能,提高 风力发电机组的发电效率； 2) 提供必要的锁紧力矩,以保障风力发电机组的安 全运行.
（四）发电机
发电机的作用,是利用电磁感应现象把由风轮输出 的机械能转变为电能.
2、双馈式异步风力发电机组
风力发电机运行的空气动力学原理解析
风力发电机运行的空气动力学原理解析风力发电机是一种利用风能转化为电能的设备，利用空气动力学原理进行运行。
空气动力学是研究空气在物体表面流动时所产生的力学效应的学科，其中涉及到的流体力学、空气动力学和结构力学等知识领域。
本文将从风力发电机的构成和原理、空气动力学原理以及风力发电机的运行过程等方面对其运行原理进行分析和解析。
首先，风力发电机由风轮、主轴、发电机以及塔架等构成。
其中，风轮是最重要的部件，它是通过空气动力学原理将风能转换为机械能。
风轮主要由叶片、主轴承和转子组成，其中叶片是最关键的部分。
在运行过程中，当风流通过风轮的叶片时，由于叶片的形状和倾斜角度，会使得风流产生一定的压力差，从而使风轮转动。
风轮的转动通过主轴传递给发电机，由发电机将机械能转化为电能。
其次，风力发电机的运行离不开空气动力学原理的支持。
当风流通过风轮的叶片时，由于风流的高速流动和叶片的形状等因素，会在叶片上产生压力差。
根据伯努利定律，当流体速度增加时，压力就会下降，而风轮叶片的形状和倾斜角度使得上表面的流速较快，下表面的流速较慢，从而产生了压力差。
此时，风流将从高压区域流向低压区域，推动风轮转动。
这就是风力发电机利用空气动力学原理来转换风能的过程。
风力发电机使用的是无驱动翼型，即在风流作用下产生升力来推动转子转动。
翼型的选择非常关键，不同的翼型会有不同的气动性能，影响着风力发电机的效率和输出功率。
一般而言，翼型的厚度比例愈小，气动性能愈好，当然翼型的选择还要结合具体的风力工况。
在实际应用中，常用的翼型有NACA系列翼型、稳定翼型等。
最后，风力发电机的运行过程可以简单概括为：当风力达到一定速度时，风轮开始转动，这时发电机开始工作，将机械能转化为电能。
随着风力的增大，风轮的转速也会增加，进而提高了发电机的输出功率。
另外，为了保证风力发电机的安全运行，还需要考虑风轮的稳定性和抗风性能。
在强风条件下，风力发电机会自动启动风刹系统，将风轮停止旋转，以避免因风力过大导致设备损坏。
风力发电基础知识.
变电站（升压站） 变压器 风力发电机组
110 - 220 kV
10 – 35 kV
690 V
二、风力发电机组的功能原理
二 、风力发电机组的功能原理
风力发电机组主要组成
驱动链
机舱罩
控制系统
发电机
偏航系统 叶轮 轮毂
风速
m/sec
五、 风力发电机组设计风区分类 IEC标准
Wind turbine class
I 50
II 42.5 0,16 0,14 0,12
III 37.5
S
Vref (m/s)
A B C
Iref(-) Iref(-) Iref(-)
Values specified by the designer
中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中 传动比高传动风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步 风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。
一 、风力发电机组的分类 风力发电系统的分类——按发电机形式（基本类型）
Grid
DFIG Ps s Ps Filter Grid
l
2、桨叶上的气动力
F 1 Cr Sv 2 总的气动力，S — 桨叶面积，Cr — 总气动系数 2
Fl
A C 压力中心
Fd
1 Cl Sv 2 升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数 2
1 Cd Sv 2 阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力 2 系数
v
i
B Cd、Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。
风力发电技术概论
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电机组与变电所连接图
一台变压器多台风机
多台变压器多台风机
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电场与电力系统实际连接图
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电场与电力系统实际连接图
二、风力发电原理
1. 风力发电机组：风力机+发电机 1）风力机
二、风力发电原理
1. 风力发电机组：风力机+发电机 1）风力机
风速——功率特性曲线
1.0 Pmax PN
输出 0.8 功率 0.6
(kw) 0.4
0.2 vin
0
5
vN 10 15
当风速在额定风速以下时，输 出功率不超过额定功率时，属 于正常调节范围；当风速高于 额定风速时，机械调速装置的 存在将风力机的输出功率限制 在所允许的最大功率以内
适用范围：适用于国家电网公司经营区域内通过110（66） 千伏及以上电压等级与电网连接的新建或扩建风电场。
总的感受：[09]版比[06]版更加严格，对风电场开发商要 求更高
四、国网风电场接入电网技术规定
相同点
电网接纳风电能力以及无功调节 风电场运行电压以及电压调节
风电场运行频率及电能质量
风电场通信和信号 风电场接入电网检测
最小值对应一个确定的攻 角。
二、风力发电原理
风能转换成电能的过程
风
风(动)能 风机
机械能 发电机
风力发电系统的构成
监测显示装置
储能装置
电能
风能
能量转换装置 (风力发电机组)
电力用户
风力发电机结构和原理
风力发电机结构原理杜容熠太阳辐射到地球的热能中有约2％被转变成风能，全球大气中总的风能量约为1014MW（10亿亿千瓦）。
其中可被开发利用的风能理论值约有3.5×109MW（3.5万亿千瓦），比世界上可利用的水能大10倍。
把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。
风力发电机一般有叶轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。
风力发电机的工作原理比较简单，叶轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为叶轮轴的机械能，发电机在叶轮轴的带动下旋转发电。
1．风力发电原理：1.1 风能的概念：风能：空气因为太阳能辐射，造成压力差，而发生运动的动能称为“风能”,风能的计算公式为：E＝0.5ρsV³式中: E－风能（W）ρ－空气密度（kg/m3）S－气流截面积（m2)V－风速（m/s)风能密度（W）：单位时间内通过单位面积的风能，W＝0.5ρV³。
有效风能密度：指风机可利用的风速范围内的风能密度（对应的风速范围大约是3～25m/s)。
1.2 风能发电的动力学原理风力发电采用空气动力学原理，并非风推动叶轮叶片，而是风吹过叶片形成叶片正反面的压力差，这种压力差会产升力，令叶轮旋转并不断横切风流。
该原理类似于飞机上升时的原理，空气通过机翼，产生向上的升力和向前的阻力。
如果将一块薄板放在气流中，则在沿气流方向将产生一正面阻力F D和一垂直于气流方向的升力F L其值分别由下式确定L：F D=0.5CdρSV2F L=0.5C LρSV2式中：CD－阻力系数C－升力系数L S－薄板的面积ρ－空气的密度阻力型叶轮V －气流速度如果把薄片当作叶片，将其装在轮毂上组成叶轮，那么风的作用力旋转中心线就会使叶轮转动。
由作用于叶片上的阻力FD而使其转动的叶轮，称为阻力型叶轮；而由升力FL而使其转动的叶轮，称为升力型叶轮。
目前为止现代风力机绝大多数采用升力型叶轮。
2．风力发电机的组成部分及特点：2.1 叶轮叶轮是将风能转化为动能的机构，风力带动风车叶片旋转，再通过齿轮箱将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
风力发电知识
(c)用玻璃纤维作蒙皮的管状梁叶片结构；(d)典型的帆翼结构
41
42
7
十、风轮防雷系统
十一、塔架
叶片防雷方法 Type A and B: 有限感受器； C and D: 防护整叶片
对维护人员而言安全、
用料省，成本低，塔
重量轻，成本低，
舒适，美观；
影小，但外观差。大
但难以靠近。适
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但用料多，成本高
极端情况下的安全停机问题。
失速
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五、风力机功率控制
影响风力机输出功率的其他因素 ¾ 海拔高度 ¾ 温度
标准状态下的空气密度： ρ = 1.225 kg/m3
温度变化10°C，空气密度就变化±4%。 而桨叶的失速性能只与风速有 关，因此，海拔高度和温度会影响风机输出功率。
同样的风机安装在不同地点， 其桨叶角度不应该相同。
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风轮直径增大一倍，功率增大4倍！
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四、风力机特性
四、风力机特性
风力机直径越做越大的原因：
P：功率 D：风轮直径 H：塔高
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五、风力机功率控制
五、风力机功率控制
定桨距失速型风力机(Stall control) 主动失速型定桨距风力机(active stall control) 变桨距风力机(Pitch control) 变速风力机组(Variable speed)
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三、风能转换基本原理
三、风能转换基本原理
无论采用何种风轮，都不可能将风 能全部转化成机械能！
当攻角增加到某一临界值时， 升力突然减小，而阻力急剧 增加，此时叶片突然丧失支 承力，这种现象称为失速。
贝茨理论（贝茨极限）
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。
风力发电技术PPT课件
控制策略实施
实施效果评估
采用最大功率点跟踪和电网电压定向控制 策略，确保风力发电机在并网过程中能够 稳定运行，并实现对电网的友好接入。
通过实际运行数据对并网效果进行评估， 结果显示该并网方案和控制策略能够有效 提高风能利用率和电网稳定性。
06
运行维护与故障排除
运行维护管理体系建立
制定运行维护计划
02
风力发电机组成与工作原理
风轮结构与类型
01
02
03
水平轴风轮
风轮旋转轴与地面平行， 适用于大型风力发电机， 具有高风能利用率和稳定 性。
垂直轴风轮
风轮旋转轴与地面垂直， 适用于小型风力发电机， 具有结构简单、维护方便 等优点。
风轮叶片
叶片形状和材料对风能利 用率和噪音等性能有重要 影响，现代风力发电机多 采用复合材料叶片。
运行。
03
风力发电机组设计与选型
设计原则与方法
01
02
03
04
安全性原则
确保风力发电机组在各种恶劣 环境下的稳定运行，防止意外
事故发生。
经济性原则
在保障安全性的前提下，追求 经济效益最大化，降低度电成
本。
可靠性原则
提高风力发电机组的可利用率 和寿命，减少维护成本和停机
时间。
适应性原则
适应不同风资源和环境条件， 确保风力发电机组的良好运行
控制系统与辅助设备
控制系统
实现对风力发电机的启动、停机 、调速、并网等控制功能，保证
风力发电机的安全稳定运行。
偏航系统
根据风向变化调整风轮迎风角 度，提高风能利用率和减少风 轮载荷。
刹车系统
在紧急情况下实现风力发电机 的快速停机，保证设备安全。
浅谈风力发电机原理及风力发电技术
浅谈风力发电机原理及风力发电技术摘要：在发电领域内风能发电已经能成为当前比较先进的发电技术，可以有效改善传统发电对资源的耗费，减少对环境的污染。
风能具有可再生性同时也是清洁能源，将其应用于发电是一项重大的技术举措，希望可以进一步提升风力发电技术的实践应用。
关键词：风力发电；原理；风力发电技术1、风力发电机风力涡轮机也称为风车，是将风能转化为机械功的动力机械。
机械动力驱动转子旋转，最终输出交流电源设备。
广义上说，风能也是发点，称为风力发电机。
它是一种以太阳为热源，大气为工作介质的热发电装置。
一般来说，3级风具有利用价值。
风力发电的原理与传统风车相似。
风速带动叶轮旋转，收集风能，通过增速机加速叶轮的旋转，从而实现发电。
但单纯依靠发电机不能完成发电，而是需要一个完整的运行系统。
2、风力发电特性（一）可再生清洁能源风力发电是一种可再生的清洁能源，不消耗化石资源，不污染环境。
这是火力发电无可比拟的优势。
（二）工期短，可靠性高现代高技术在风力发电机组中的应用，大大提高了发电可靠性。
大中型风力发电机组的可靠性从80年代的50%提高到了98%，比火力发电机组的可靠性高，机组寿命可达20年。
（三）成本低，实际面积小。
从国外风电场的角度来看，风力单位千瓦成本和单位电能价格均低于火力发电，比常规发电更具竞争力。
由于国外大中型风力发电机的引入，我国的成本和电价都比火力发电机组要高。
但随着大中型风力发电机组的国产化和产业化，风力发电的成本和电价在不久的将来将低于火电厂的成本和电价。
火力发电厂、监测站、变电所等建筑物仅占火电厂土地的1%，其他地点还可用于农业、畜牧业和渔业。
（四）简单的运行维护和发电的多样化发电。
现代大中型风力发电机组自动化水平高。
他们可以在无人值守的情况下正常工作。
它们只需要进行定期检修，因此不存在火电检修问题。
风力发电不仅可以并网，还可以与柴油发电、太阳能发电、水电机组等其他能源形成互补系统，也可以独立运行。
风力机空气动力学
控制系统
——叶轮处在单元流管模型中，如图。
——雷诺数的表达形式： Re=VC/
——流场中众多流线的集合称为流线簇。
而由伯努利方程，必使：
即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风
另一方面，dR还可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT，由几何关系可得：
气动力矩系数：CM=M / (1/2 V2C2)
阻力系数： CD=D / (1/2 V2C)
当= 时，C 达到最大值C 。 称为临界攻 ——雷诺数的表达形式： Re=VC/
用—升—力 层系流数与C紊l随流攻：角两种变性化质的不曲同线的（流升动C力状T 特态性。曲线）来L描述。
Lmax
CT
角或失速攻角。当> 时，C 将下降。 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。
速增大，即V2>V1。而由伯努利方程，必使： P2 < P1，即压力减小。 ——下翼面变化较小， V3≈V1，使其几乎保持原 来的大气压，即： P3 ≈ P1。
结论：由于机翼上下表面所受的压力差，使得机 翼得到向上的作用力——升力。
2.1.3 翼型的气动特性
一、翼型的几何描述
前缘与后缘：
O
B
翼弦
——气动力矩：合力R对（除自己的作用点外）其它 点的力矩，记为M。又称扭转力矩。
为方便使用，通常用无量刚数值表示翼剖面的气动特 性，故定义几个气动力系数：
升力系数： CL=L / (1/2 V2C) 阻力系数： CD=D / (1/2 V2C) 气动力矩系数：CM=M / (1/2 V2C2)
此处，L、D、M分别为翼型沿展向单位长度上的升 力、阻力和气动力矩。
——弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。
风力机叶片气动弹性稳定性分析
风力机叶片气动弹性稳定性分析随着全球可再生能源的发展，风能已成为一种市要的可再生能源。
风力机由叶片和轮毂组成，叶片姑风力机的关键部件，主要起到收集能量的作用，叶片的气动性能直接影响风力机的性能。
因此，对叶片的气动弹性稳定性进行分析和评价，已经成为风力机研究领域的热点课题。
叶片气动弹性稔定性是由空气动力学、叶片结构力学和振动力学等复杂因素相互作用所产生的。
它表现为叶片在外界气流刺激作用下,叶片形状和位置经过微小改变后保持稳定、不变形和不产生尖峰值的能力。
叶片气动弹性稳定性的分析主要包括以下因素：(I)外界气流作用：外界气流力的作用是叶片气动弹性稳定性的关键因素，它不仅影响叶片的设计参数，还决定了叶片形状和结构的稳定性，因此必须对外界气流的作用进行深入的研究。
(2)叶片结构：叶片的结构是叶片气动弹性稳定性分析的重要因素，叶片结构影响叶片气流动力特性，如离心度、叶片角度、叶片厚度等，因此要求叶片结构参数选择合理，叶片结构牢固。
(3)叶片振动：振动是叶片气动弹性稳定性的重要因素，当叶片振动过大时，会影响叶片的性能，因此叶片振动也是要求分析的重.点。
叶片振动可以通过改变叶片结构或添加风机噪声抑制装置来改善。
(4)流场数值模拟：流场数值模拟是叶片气动弹性稳定性分析的重要手段，可以根据外界环境和叶片结构参数对叶片进行计算流体力学分析，模拟叶片气动弹性稳定性的结果。
（5）试风台试验：试风台试验是叶片气动弹性稳定性分析的有效手段，可以从室内直接检测出叶片的气动特性，从而深入了解叶片气动弹性稳定性的变化规律，为叶片的设计和应用提供参考。
以上是叶片气动弹性稳定性分析的五个主要因素，它们可以综合起来，分析和评价叶片气动弹性稳定性的变化规律，从而为叶片的设计和应用提供参考。
从结构力学的角度出发，叶片气动弹性稳定性评价的重点在于掌握叶片的离心度、角度和厚度等参数的选取，以确保叶片的稳定性，使叶片以最小的偏移和变形应对外界气流的攻击。
空气动力学
风力发电的空气动力学原理风机叶片在空气中的受力特性与飞机的机翼在空气中的受力相类似，所以对风机叶片的空气动力学研究很多是借鉴了对飞机的翼型的空气动力学的研究技术以及飞机翼型的制造技术。
飞机在空气中运动所引起的作用于飞机上的空气动力取决于空气的物理属性，飞机的几何形状、飞行姿态以及飞机与空气之间的相对速度，因此在讨论空气动力的产生及其变化规律之前，首先来研究空气的基本属性。
空气动力学是关于气流特性的学说，相对于固体而言气体的特性。
空气动力学定律，尤其是旋涡、推力、正面阻力和升力使得飞机可以飞行。
相同的定律对于滑翔也很重要。
空气动力学是一门复杂的科学。
并非在每种具体情况下都可以通过假设计算对特定现象作数字上或理论上的精确说明，因而要利用风洞试验结果。
所以空气动力学也是一门以经验为依据的科学。
气体和液体统称为流体。
气体和液体同固体相比较，分子间引力较小，分子运动较强烈，分子没有一定的排列规律，这就决定了气体和液体具有共同的特性，不能保持一定形状，而具有流动性。
从力学性质来看，固体具有抵抗压力、拉力和切力的能力。
因而在外力作用下，通常发生较小的变形，而且到了一定程度后变形就停止。
流体由于不能保持一定形状，所以它不能抵抗切力。
当他受到切力作用时，就要发生连续不断变形（即流动）。
这就是流体同固体在力学性质上的显著区别。
气体和液体除了具有上述的共同特性外，还有如下的不同特性：液体的分子跟分子的有效直径差不多是相等的，当对液体加压时，由于分子距离稍有缩小，出现强大的分子斥力来抵抗外压力，这就是说：液体的分子距离很难缩小，可以认为液体具有一定体积，因此通常成液体为不可压缩流体。
一般来说，气体分子间距离很大，例如常温常压下空气的分子距离为3×10-7，其分子有效直径的数量级为10-8厘米。
可见分子距离比分子有效直径大得很多。
这样，当分子距离缩小很多时，才会出现分子斥力。
因此，通常称气体为可压缩流体。
又因为分子距离很大，分子引力很小，而分子热运动起决定性作用，这就决定了气体既没有一定形状也没有一定体积。
风力机空气动力学基础知识
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，FD为阻力，FL为升力。
阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。
图1-升力与阻力示意图我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，见图2，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。
图2-阻力的形成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（见图3），气流遇到平板的向风面会转向斜下方，从而给平板一个压力，气流绕过平板上方时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FD与升力FL。
图3-升力与阻力的形成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，见图4。
图4-小攻角时升力大阻力小飞机、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。
翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，翼型均为流线型，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，图5是翼型的几何参数图图5-翼型的几何参数与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线，翼型通过以下参数来描述：（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。
风力发电机PPT课件
励磁调节器
蓄电池组
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图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图
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（4）电容自励式异步发电机
电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电
容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路
示意图如下图所示。
A B
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双馈异步发电机工作原理：
异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当
发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频
率关系可表示为：
f1
p n 60
f2
式中
f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1 为同步转速；
风力等级与风速的关系： N 0.1 0.824N 1.505
式中 VN——N级风的平均风速(m/s)； N——风的级数。
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4、风能
（1） 风能密度，空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动
能。
E 0.5 3
表达式为：
（2） 风能，空气在一秒钟时间内以速度ν流过面积为S截面的动能。
SSW S
SSE
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2、风速
由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以 风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。
3、风力
风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象， 按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级， 从静风到飓风共分为13个等级。
风力发电讲座
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
水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转 , 工作 时 , 风轮的旋转平面与风向垂直 , 如图 121 所示 。风轮 上的叶片是径向安置的 ,与旋转轴相垂直 ,并与风轮的 旋转平面成一角度φ( 安装角) 。 风轮叶片数目的多少 , 视风力机的用途而定 。用于风力发电的风力机一般叶 片数取 1～ 4 ( 大多为 2 片或 3 片) , 而用于风力提水的 风力机一般取叶片数 12～ 24 。 叶片数多的风力机通常 称为低速风力机 ,它在低速运行时 ,有较高的风能利用 系数和较大的转矩 。它的起动力矩大 ,起动风速低 ,因 而适用于提水 。叶片数少的风力机通常称为高速风力 机 ,它在高速运行时有较高的风能利用系数 ,但起动风 速较高 。 由于其叶 片数很少 , 在输出 同样功率的条件 下比低速风轮要 轻得多 , 因此适用 于发电 。 水平轴风力 机随风轮与塔架相 对位置的不同而 有上风向与下风 向 之 分 。风 轮 在 塔架的前面迎风 旋转 , 叫做上风 向 风 力 机 。风 轮 安装在塔架的下 风位置的 , 则称 为下风向风力 机 。上 风 向 风 力 机必须有某种调
的 。S 型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 。 另一类是 利用翼型的升力作功 ,最典型的是达里厄 (Darrieus) 型 风力机 。 它是法国人 G1J 1M 1Darrieus 于 1925 年发明 的 , 1931 年取得专利权 。当时这种风力机并没有受到 注意 , 直到 20 世纪 70 年代石油危机后 , 才得到加拿大 国家科学研究委员会 ( Natio nal Research Co uncil ) 和 美国圣地亚 ( Sandia ) 国家实验室的重视 , 进行了大量 的研究 。现在是水平轴风力机的主要竞争者 。 达里厄风力机有多种形式 , 如图 123 所示的 型 、 Δ型、 H 型、 Y 型和菱形等 。基本上是直叶片和弯叶片 两种 , 以 H 型风轮和 型风轮为典型 。叶片具翼型剖 面 , 空气绕叶片流动产生的合力形成转矩 。H 型风轮 结构简单 , 但这种结构造成的离心力使叶片在其连结 点处产生严重的弯曲应力 。另外 , 直叶片需要采用横 杆或拉索支撑 ,这些支撑将产生气动阻力 ,降低效率 。 型风轮所采用的弯叶片只承受张力 , 不承受离心力 载荷 , 从而使弯曲应力减至最小 。由于材料可承受的 张力比弯曲应力要强 , 所以对于相同的总强度 , 型叶 片比较轻 , 且比直叶片可以以更高 的速度运行 。但 型叶片不便采用 变浆距方法实现 自 起 动 和 控 制 转 速。 另外 ,对于高度和直径相同的风 轮 , 型转子比 H 型转子的扫掠面 积要小一些 。 综上所述 , 目前用于风力发电 的风力机主要有两种类型 , 一种是 水平轴高速风力机 , 一种是垂直轴 达里厄型风力机 , 这两者之中又以 前者占绝大多数 。 除此之外 ,国外还 提出了一些新概 念 型 风 能 转 换 装 置 , 但从总体上来说 , 都尚处于研究 试验阶段 ,这里不再一一介绍 。 2 风力机的结构和组成 风力发电机的样式虽然很多 , 但其原理和结构总的说来还是大同 图 122 垂直轴风力机 小异的 。这里以水平轴风力发电机 a ) S 型风轮 b ) 达里厄型风力机 为例作一介绍 , 它主要由以下几部
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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。
此力可分解为两个分力；一个分力 Fy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p及气流速度v 的平方成比例， 可以下式表示：
足够小，隐匿在附面层底部，一般就不会引
起摩擦阻力的增加。这种粗糙度称为允许粗
糙度，记作kr，
2 风力机的工作原理 2.1 风轮在静止情况下叶片的受力情况
风力机的风轮由轮毂及均匀分布安装在
轮毂上的若干桨叶所组成。在安装这些桨叶 时,必须对每支桨叶的翼片按同一旋转方向,以 桨叶自身轴为轴转过一个给定的角度，即使 每个叶片的翼弦与风轮旋转平面(风轮旋转时 桨叶柄所扫过的平面)形成一个角度φ,φ称为 安装角。图2-6示出风轮的起动原理。设风轮 的中心轴位置与风向一致。当气流以速度V流 经风轮时．在桨叶I和桨叶Ⅱ上将产生气动力 F和F‘。
尽管如此， 由于风速是在经常变化的，风速的
变化也将导致攻角的改变。如果叶片装好后安装角 不再变化，那么虽在某一风速下可能得到最好的气 动力性能，但在其它风速下则未必如此。为了适应 不同的风速，可以随着风速的变化，调节整个叶片 的安装角，从而有可能在很大的风速范围内均可以 得到优良的气动力性能。这种桨叶叫做变桨距式叶 片，而把那种安装角一经装好就不再能变动的叶片 称为定桨距式叶片。显然，从气动性能来看，变桨 距式螺旋桨型叶片是一种性能优良的叶片。
以相对速度Wy吹向叶片元的气流，产生气动
力F，F可分解为垂直于Wy方向的升力F及与Wy方向 一致的阻力F。 也可以分解为在风轮旋转面内使桨
叶旋转的力F 及对风轮正面的压力F 。 由于风轮旋转时叶片不同半径处的线速度是不
同的，因而相对于叶片各处的气流速度W在大小和 方向上也都不同，如果叶片各处的安装角都一
还有一种可以获得良好性能的方法， 即风力机采取变速运行方式。通过控制 输出功率的办法，使风力机的转速随风 速的变化而变化，两者之间保持一个恒 定的最佳比值，从而在很大的风速范围 内均可使叶片各处以最佳的攻角运行。
3 风力机的气动力特F’分解成沿气流方向的
分力Fx和Fx ’（阻力）及垂直于气 流方向的分力Fy和Fy‘ （升力）， 阻力Fx和Fx‘形成对风轮的正面压 力，而升力Fy和Fy‘则对风轮中心 轴产生转动力矩，从而使风轮转
动起来。
2 2 风轮在转动情况下叶片的受力情况 下面分析风轮起动后以某种速度稳定旋转
时叶片的受力情况。若风轮旋转角速度为 ω ， 则相对于叶片上距转轴中心r处的一小段叶片 元(叶素)的气流速度Wy将是垂直于风轮旋转 面的来流速度V与该叶片元的旋转线速度 ωr 的矢量和．如图2.7所示，可见这时以角速度 ω旋转的浆叶，在与转轴中心相距r处的叶片 元的攻角， 已经不是V与翼弦的夹角，而是 W’与翼弦的夹角了。
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，叶素之问互相没有干涉。当每 个时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。
1.2.4 翼型表面粗糙度的影响 翼型表面由于材料加工以及环境的
影响，不可能绝对光滑,总有些凹凸不平。
我们把凹凸不平的波峰与波谷之问高度 的平均值称为粗糙度，记作kc。翼型表 面的粗糙度，特别是前缘附近的粗糙度， 对翼型空气动力特性有很大影响。
一般情况下，粗糙度增大使cx 增加，而 对cy影响不太。实际情况中，真正的气动光 滑表面是不存在的，工程上只要表面粗糙度