風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)原理

1、空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)的基本概念空氣動力學(xué)的基本概念 流線流線 阻力與升力阻力與升力 翼型的幾何描述翼型的幾何描述 翼型的氣動特性翼型的氣動特性葉輪葉輪空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)基礎(chǔ)基礎(chǔ) 幾何描述幾何描述 貝茲理論貝茲理論 葉素理論葉素理論 序言風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作過程描述 風(fēng)力發(fā)電機(jī)（以下簡稱風(fēng)力機(jī)）是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)力機(jī)的系統(tǒng)圖： 風(fēng)風(fēng) 電力電力 進(jìn)一步有：進(jìn)一步有： 風(fēng)風(fēng) 電力電力 風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 傳動系傳動系 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) 葉葉 輪輪1 1 空氣動力學(xué)的基本概念空氣動力學(xué)的基本概念 空氣動力學(xué)主要研究空氣流過物體外部時的運動規(guī)律。1. 1 1. 1 流線流線氣

2、體質(zhì)點：氣體質(zhì)點：體積無限小的具有質(zhì)量和速度的流體微團(tuán)。流線：流線： 在某一瞬時沿著流場中各氣體質(zhì)點的速度方向連 成的一條平滑曲線。 描述了該時刻各氣體質(zhì)點的運動方向：切線方向。 一般情況下，各流線彼此不會相交。 流場中眾多流線的集合稱為流線簇。如圖所示。繞過障礙物的流線繞過障礙物的流線: 當(dāng)流體繞過障礙物時，流線形狀會改變，其形狀取決于所繞過的障礙物的形狀。 不同形狀的物體對氣流的阻礙效果也各不相同?？紤]這樣幾種的物體，它們的截面尺寸相同，但對氣流的阻礙作用（用阻力系數(shù)度量）各異。1.110.341.330.470.0441. 2 1. 2 阻力與升力阻力與升力當(dāng)氣流與物體有相對運動時，氣體

3、對物體有平行于氣流方向的作用力阻力。定性考察飛機(jī)機(jī)翼附近的流線。 當(dāng)機(jī)翼相對氣流保持圖示的方向與方位時，在機(jī)翼上下面流線簇的疏密程度是不盡相同的。 考察二維翼型氣體流動的情況。根據(jù)流體運動的 1、質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律，有連續(xù)性方程： A1V1 = A2V2 + A3V3 其中A、V分別表示截面積和速度。下標(biāo)1、2、3分別代表遠(yuǎn)前方或后方、上表面和下表面處。 2、伯努利方程伯努利方程： P0 = P +1/2 * V2=常數(shù) 其中： P0 氣體總壓力； P 氣體靜壓力。 1 2 1 1 3 1下翼面處流場橫截面面積A3變化較小，流速V3幾乎保持不變，進(jìn)而靜壓力P3 P1。上翼面突出上翼面突出

4、，流場橫截面面積減小，空氣流速增大，V2V1。使得 P2 Ct時，CL將下降。當(dāng)=0(0)時， CL=0，表明無升力。0稱為零升力角，對應(yīng)零升力線。三、翼剖面的阻力特性三、翼剖面的阻力特性 用阻力特性曲線來描述。 CD CDmin CDmin 兩個特征參數(shù)：最小阻力系數(shù)CDmin及對應(yīng)攻角CDmin 。四、極曲線四、極曲線 在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計中往往更關(guān)心升力和阻力的比值 升阻比L/D以及最佳升阻比。通過極曲線（又稱艾菲爾曲線）來討論。 CLmax CL CT有利CDmin CDCDminCD00說明：極曲線上的每一點對應(yīng)一種升阻比及相應(yīng)的攻角狀態(tài)，如0、 CDmin、CT等。為了得到最佳升阻比，可

5、從原點作極曲線的切線，由于 此時的夾角最大，故切點處的升阻比CL/CD=tg 最大，對應(yīng)的攻角為最有利攻角有利。五、壓力中心 壓力中心：氣動合力的作用點，為合力作用線與翼 弦的交點。 作用在壓力中心上的只有升力與阻力，而無力矩。 壓力中心的位置通常用距前緣的距離表示。六、雷諾數(shù)對翼型氣動力特性的影響六、雷諾數(shù)對翼型氣動力特性的影響關(guān)于雷諾數(shù)關(guān)于雷諾數(shù)層流與紊流：兩種性質(zhì)不同的流動狀態(tài)。雷諾數(shù)是用來界定兩種狀態(tài)的判據(jù)。雷諾數(shù)的表達(dá)形式： Re=VC/臨界雷諾數(shù)Recr： ReRecr 紊流雷諾數(shù)的物理意義：慣性力與粘性力之比。雷諾數(shù)的影響雷諾數(shù)的影響 考慮對NACA翼型升力曲線和阻力曲線的影響。

6、隨著雷諾數(shù)的增加：升力曲線斜率，最大升力系數(shù)與失速攻角均增加；最小阻力系數(shù)減??；升阻比增加。 1.2 1.2 葉輪葉輪空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)基礎(chǔ)基礎(chǔ) 葉輪的作用葉輪的作用：將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。1.2.1 1.2.1 幾何描述幾何描述葉輪軸線：葉輪旋轉(zhuǎn)的軸線。旋轉(zhuǎn)平面：槳葉掃過的垂直于葉輪軸線的平面。葉片軸線：葉片繞其旋轉(zhuǎn)以改變相對于旋轉(zhuǎn)平面的偏轉(zhuǎn)角安裝角（重要概念）。半徑r處的槳葉剖面：距葉輪軸線r處用垂直于葉片軸線的平面切出的葉片截面。安裝角：槳葉剖面上的翼弦線與旋轉(zhuǎn)平面的夾角，又稱槳距角，記為。半徑r處葉片截面的幾何槳距：在r處幾何螺旋線的螺距。 可以從幾個方面來理解： 幾何螺旋線的描述：半

7、徑r，螺旋升角。 此處的螺旋升角為該半徑處的安裝角r。 該幾何螺旋線與r處翼剖面的弦線相切。 槳距值：H=2r tg r 1.2.2 1.2.2 貝茲理論貝茲理論1.1.貝茲理論中的假設(shè)貝茲理論中的假設(shè) 葉輪是理想的； 氣流在整個葉輪掃略面上是均勻的； 氣流始終沿著葉輪軸線； 葉輪處在單元流管模型中，如圖。 流體連續(xù)性條件：S1V1 = SV = S2V22. 應(yīng)用氣流沖量原理應(yīng)用氣流沖量原理葉輪所受的軸向推力： F=m(V1-V2) 式中m=SV，為單位時間內(nèi)的流量質(zhì)量。葉輪單位時間內(nèi)吸收的風(fēng)能葉輪吸收的功率為：P=FV= SV2(V1-V2)3. 動能定理的應(yīng)用動能定理的應(yīng)用基本公式：E=

8、1/2 mV2 （m同上） 單位時間內(nèi)氣流所做的功功率： P=1/2 mV2= =1/2 SV V2在 葉輪前后，單位時間內(nèi)氣流動能的改變量： P= 1/2 SV (V21_ V22) 此既氣流穿越葉輪時，被葉輪吸收的功率。 因此： SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_ V22) 整理得： V=1/2 (V1+V2) 即穿越葉輪的風(fēng)速為葉輪遠(yuǎn)前方與遠(yuǎn)后方風(fēng)速的均值。4. 貝茲極限貝茲極限 引入軸向干擾因子進(jìn)一步討論。 令： V = V1( 1- a ) = V1 U 則有：V2 =V1 ( 1- 2a ) 其中： a軸向干擾因子，又稱入流因子。 U=V1a軸向誘導(dǎo)速度。討論：當(dāng)a=

9、1/2時，V2=0，因此a1/2。 又Va0。 a的范圍： a 0 由于葉輪吸收的功率為 P=P= 1/2 SV (V21_ V22) = 2 S V13a( 1- a )2 令dP/da=0，可得吸收功率最大時的入流因子。 解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得 Pmax =16/27 (1/2 SV13 ) 注意到1/2 SV13 是遠(yuǎn)前方單位時間內(nèi)氣流的動能功率，并定義風(fēng)能利用系數(shù)Cp為： Cp=P/(1/2 SV13 ) 于是最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax為： Cpmax=Pmax/(1/2 SV13 )=16/270.593 此乃貝茲極限。1.2.3 葉素理論一、基本思想一、基本思想

10、將葉片沿展向分成若干微段葉片元素葉素；視葉素為二元翼型，即不考慮展向的變化；作用在每個葉素上的力互不干擾；將作用在葉素上的氣動力元沿展向積分，求得作用在葉輪上的氣動扭矩與軸向推力。二、葉素模型二、葉素模型1.端面： 槳葉的徑向距離r處取微段，展向長度dr。 在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的線速度：U=r。2.翼型剖面： 弦長 C，安裝角。 設(shè)V為來流的風(fēng)速，由于U的影響，氣流相對于槳葉的速度應(yīng)是兩者的合成，記為W。定義W與葉輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角為入流角，記為，則有葉片翼型的攻角為：=-。三、葉素上的受力分析三、葉素上的受力分析在W的作用下，葉素受到一個氣動合力dR，可分解為平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。另一方面，dR還可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT，由幾何關(guān)系可得： dFdLcos + d