風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基本原理

1、風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基本原理,2009年10月21日,空氣動(dòng)力學(xué)研究對(duì)象,空氣動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究空氣與物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律以及空氣 與物體之間作用力的學(xué)科。 運(yùn)動(dòng)的空氣就是我們通常所說(shuō)的風(fēng),太陽(yáng)輻射造成地球表面大氣壓力分布不均勻，引起空氣的運(yùn)動(dòng)就形成了風(fēng)。風(fēng)向和風(fēng)速是描述風(fēng)特征的兩個(gè)重要參數(shù),風(fēng)的形成與定義,風(fēng)力機(jī)的組成,風(fēng)力機(jī)就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。通常它由風(fēng)輪系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和塔架系統(tǒng)等組成，其中風(fēng)輪是最關(guān)鍵得部件之一,風(fēng)力機(jī)的組成,風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪系統(tǒng)的類型,風(fēng)力機(jī)按照風(fēng)輪結(jié)構(gòu)不同分為兩大類： 垂直軸風(fēng)力機(jī) 水平軸風(fēng)力機(jī),垂直軸風(fēng)力機(jī),

2、水平軸風(fēng)力機(jī),垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以接受來(lái)自任何方向的風(fēng),因而當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，無(wú)需對(duì)風(fēng)。 對(duì)于較大型的風(fēng)力機(jī),因?yàn)槭芷D(zhuǎn)與安全極限應(yīng)力的限制, 采用這種結(jié)構(gòu)形式是比較困難的。垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)低于高速垂直軸或水平軸風(fēng)力機(jī),在風(fēng)輪尺寸、重量和成本一定的情況下提供的功率輸出較低,因而用作發(fā)電缺乏競(jìng)爭(zhēng)力,水平軸風(fēng)力機(jī),水平軸風(fēng)力機(jī)按照風(fēng)輪在氣流中的位置分為： 上風(fēng)式和下風(fēng)式,水平軸風(fēng)力機(jī),按照風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度（葉尖速比），水平軸風(fēng)力機(jī)也可分為: 低速水平軸風(fēng)力機(jī) 高速水平軸風(fēng)力機(jī),低速風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)在12至24片之間不等，葉片幾乎覆蓋了整個(gè)風(fēng)輪表面，這些多葉片的低速

3、風(fēng)力機(jī)特別適用于低風(fēng)速環(huán)境，其起動(dòng)扭矩相對(duì)較高，主要用于提水等負(fù)載扭矩較大的場(chǎng)合,低速水平軸風(fēng)力機(jī),低速水平軸風(fēng)力機(jī),高速水平軸風(fēng)力機(jī),高速風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)只有1 3片，高速風(fēng)力機(jī)由于速度高，特別適用于風(fēng)力發(fā)電，因此大多數(shù)發(fā)電用的風(fēng)力機(jī)都是由高速風(fēng)輪所驅(qū)動(dòng)的,高速水平軸風(fēng)力機(jī),風(fēng)輪的組成和功能,風(fēng)輪一般由13 個(gè)葉片和輪轂所組成, 其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,風(fēng)輪系統(tǒng)工作原理,風(fēng)輪葉片在風(fēng)的作用下產(chǎn)生空氣動(dòng)力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。風(fēng)輪葉片的性能直接影響到能量轉(zhuǎn)換的效率,風(fēng)輪葉片,風(fēng)輪葉片是風(fēng)力機(jī)最重要的部件之一。它的平面形狀與剖面幾何形狀和風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力特性密切

4、相關(guān), 特別是剖面幾何形狀即翼型氣動(dòng)特性的好壞, 將直接影響風(fēng)力機(jī)的捕風(fēng)效率,空氣動(dòng)力的產(chǎn)生,物體在空氣中運(yùn)動(dòng)或者空氣流過物體時(shí), 物體將受到空氣的作用力, 稱為空氣動(dòng)力,風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)的幾何定義,1、風(fēng)輪軸：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸線； 2、旋轉(zhuǎn)平面：與風(fēng)輪軸垂直，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的平面； 3、風(fēng)輪直徑：風(fēng)輪掃掠面的直徑； 4、葉片軸：葉片縱向軸，繞此軸可以改變?nèi)~片相對(duì)于旋轉(zhuǎn)平面的槳矩角； 5、在半徑r處的葉片截面（翼型）：葉片與半徑為r并以風(fēng)輪軸為軸線的圓柱相交的截面； 6、槳矩角：在半徑r處翼型的弦線與旋轉(zhuǎn)面的夾角,風(fēng)輪葉片,風(fēng)輪葉片結(jié)構(gòu),風(fēng)力機(jī)葉片實(shí)質(zhì)是從葉根到葉尖徑向位置上不同翼型安照不同扭角和弦

5、長(zhǎng)分布組成,葉片的二維假設(shè),氣流繞風(fēng)輪葉片的流動(dòng)比較復(fù)雜, 是一個(gè)空間的三元流動(dòng)。當(dāng)葉片長(zhǎng)度與其翼型弦長(zhǎng)之比(展弦比) 較大時(shí), 可以忽略氣流的展向流動(dòng)，而把氣流繞葉片的流動(dòng)簡(jiǎn)化為繞許多段葉片元(即葉素) 的流動(dòng), 葉素之間互相沒有干涉,翼型結(jié)構(gòu)和基本概念,翼型的幾何參數(shù),通常翼型幾何外形由下列參數(shù)決定： 翼型前緣A：翼型的前部A為圓頭； 翼型后緣B：翼型的尾部B為尖型； 翼型弦線C：翼型前緣與后緣的連線稱為翼型弦線弦線長(zhǎng)度就是翼型的弦長(zhǎng)C，弦長(zhǎng)C是翼型的特征尺寸； 中弧線：翼型內(nèi)切圓圓心的連線稱為翼型的中弧線，對(duì)稱的翼型中弧線與翼弦重合,翼型的氣動(dòng)參數(shù),翼型攻角 ：在翼型平面上，把來(lái)流 V

6、與弦線 C 之間的夾角定義翼型的攻角，又稱為迎角,翼型的受力示意圖,翼型的氣動(dòng)參數(shù),當(dāng)翼型攻角大于零時(shí)，因此翼型下表面壓力大于上表面壓力，氣流在翼型上形成合力，合力 F 即為翼型受到的空氣動(dòng)力, 其方向垂直于翼型弦線。 合力可分解為兩個(gè)分力: 一個(gè)分力FL與氣流方向垂直, 稱為升力; 另一個(gè)分力FD與氣流方向相同, 稱為阻力,升力、阻力和力矩系數(shù)定義,分別以V，和C表示來(lái)流速度，空氣密度和翼型弦長(zhǎng)，以M表示翼型的力矩，那么翼型的基本空氣動(dòng)力學(xué)特性可以由以下無(wú)量綱系數(shù)表示： 升力系數(shù) 阻力系數(shù) 力矩系數(shù),翼型升阻特性曲線,風(fēng)力機(jī)葉片核心參數(shù),風(fēng)力機(jī)葉片核心參數(shù)：設(shè)計(jì)尖速比、設(shè)計(jì)風(fēng)速V、每個(gè)葉素翼

7、型、風(fēng)輪直徑D、每個(gè)葉素的弦長(zhǎng)C和安裝角,風(fēng)輪直徑,給定輸出功率的風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪直徑D為： P 風(fēng)力機(jī)額定功率； Cp 風(fēng)能利用系數(shù)，一般取0.40.5之間； 傳動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)總效率，一般取0.40.65； 空氣密度， (15,翼型的攻角與升阻比,翼型的選取對(duì)風(fēng)輪的效率十分重要，性能優(yōu)良的翼型應(yīng)該在某一攻角范圍內(nèi)保持升力系數(shù)CL較高，而相應(yīng)的阻力系數(shù)CD較小，即在某一攻角范圍內(nèi)有較高的升阻比,翼型速度三角形,翼型槳距角,+ ：翼型攻角 ：葉片槳距角 ：葉片入流角,設(shè)計(jì)風(fēng)速,設(shè)計(jì)風(fēng)速 V 取決于使用風(fēng)力機(jī)地區(qū)的風(fēng)能資源分布。 設(shè)計(jì)風(fēng)速?zèng)Q定了風(fēng)輪的最佳尖速比,風(fēng)輪的尖速比,風(fēng)輪的尖速比是風(fēng)輪葉片的葉

8、尖速度和設(shè)計(jì)風(fēng)速之比(Tip Speed Ratio)。尖速比與風(fēng)輪效率密切相關(guān)，在風(fēng)力機(jī)沒有過速的條件下，運(yùn)轉(zhuǎn)于高尖速比狀態(tài)下的風(fēng)力機(jī)具有較高的風(fēng)輪效率,翼型的選取,翼型的選取對(duì)風(fēng)輪的效率十分重要，性能優(yōu)良的翼型應(yīng)該在某一攻角范圍內(nèi)保持升力系數(shù)CL較高，而相應(yīng)的阻力系數(shù)CD較小，即在某一攻角范圍內(nèi)有較高的升阻比，另外，還應(yīng)該具有良好的制造工藝性,葉素理論,葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)結(jié)果以葉片弦長(zhǎng)、扭角、厚度沿葉片展長(zhǎng)方向的分布形式給出,葉片弦長(zhǎng)分布,設(shè)計(jì)案例,葉片扭角分布,設(shè)計(jì)案例,葉片相對(duì)厚度分布,設(shè)計(jì)案例,風(fēng)輪參數(shù),把葉片和輪轂組裝起來(lái)就是風(fēng)輪了，在風(fēng)力機(jī)整機(jī)中風(fēng)輪還有以下參數(shù)： 葉片數(shù)：組成風(fēng)輪的葉片個(gè)數(shù)。 錐角：葉片與旋轉(zhuǎn)軸垂直平面的夾角 風(fēng)輪仰角：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與水平面的夾角,風(fēng)輪參數(shù),風(fēng)輪的性能參數(shù),通常用上面三個(gè)無(wú)量綱系數(shù)用來(lái)表示風(fēng)力機(jī)的特征性能指標(biāo)。 推力系數(shù)CT 直接關(guān)系到風(fēng)輪軸向推力的大小，在很大