風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論及方法第3章 風(fēng)力機(jī)的基本設(shè)計(jì)理論1.ppt

1、第3章 風(fēng)力機(jī)的基本設(shè)計(jì)理論,3.1、貝茲理論： 第一個(gè)關(guān)于風(fēng)輪的完整理論是山哥廷根研究所的A貝茨建立的。 貝茲理論是應(yīng)用一元定常流動(dòng)的動(dòng)量方程來討論理想狀態(tài)下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大風(fēng)能利用系數(shù)。貝茲理論的假設(shè)條件如下：,風(fēng)輪流動(dòng)模型可簡化成一個(gè)單元流管； 風(fēng)輪沒有錐角、傾角和偏角，這時(shí)風(fēng)輪可簡化成一個(gè)平面槳盤, ； 風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)沒有摩擦阻力；對通過風(fēng)輪的氣流沒有阻力。 風(fēng)輪前未受擾動(dòng)的氣流靜壓和風(fēng)輪后的氣流靜壓相等，即P1=P2 ，氣流速度的方向無論在風(fēng)輪前后還是通過時(shí)都是沿著風(fēng)輪軸線的； 作用在風(fēng)輪上的推力是均勻的。,將動(dòng)量方程用于圖3-1所示的控制體中，可得作用在風(fēng)輪上的推力為,式中,風(fēng)輪

2、前方的風(fēng)速，m/s；,葉片掃掠后的風(fēng)速，m/s；,單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量流量，kg/s。,式中 空氣密度，kg/m3； 葉片掃掠的面積，m2； 實(shí)際通過風(fēng)輪的風(fēng)速，m/s。,根據(jù)風(fēng)輪前后的壓力差，作用在風(fēng)輪上的推力又可寫成,式中,風(fēng)輪前壓力，Pa或kPa；,風(fēng)輪后壓力，Pa或kPa。,應(yīng)用伯努利方程,可得,式中,風(fēng)經(jīng)過葉片時(shí)的速度，m/s。,令 則 式中 軸向干擾因子， 當(dāng) 時(shí)， ； 時(shí)； 對正常風(fēng)車狀態(tài) 。,風(fēng)輪的軸功率可用下式計(jì)算 將 代入,得 風(fēng)輪最大軸功率發(fā)生在 時(shí)， 求得 或 。,出現(xiàn)最大風(fēng)輪軸功率 由風(fēng)能利用系數(shù)的定義,這就是著名的貝茲極限。 式中 風(fēng)能利用系數(shù)。,3.2、 經(jīng)典設(shè)計(jì)理論

3、： 目前水平軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)分析基礎(chǔ)理論除了貝茲理論外，還有渦流理論、葉素理論、動(dòng)量理論等，并且在設(shè)計(jì)的過程中，是這些理論的一個(gè)綜合應(yīng)用。,3.2.1、渦流理論,當(dāng)輪轂旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)葉片對輪轂的渦流形成產(chǎn)生一定的作用。此外，為了確定速度場，可將各葉片的作用以一邊界渦代替。所以風(fēng)輪的渦線系統(tǒng)可以如圖所示。,圖3.2 風(fēng)輪的渦流系統(tǒng),對于空間的某一給定點(diǎn)，其風(fēng)速可認(rèn)為是由非擾動(dòng)的風(fēng)速和渦流系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)速之后，由渦流引起的風(fēng)速可看成是由下列3個(gè)渦流系統(tǒng)疊加的結(jié)果。 （1）中心渦，集中在轉(zhuǎn)軸上 （2）每個(gè)葉片的邊界渦 （3）每個(gè)葉片尖部形成的螺旋渦 渦系的存在，引入誘導(dǎo)因子，有風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面處氣流的軸向速度

4、：,旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)氣流相對于葉片的角速度為：,（3-2）,（3-3）,（3-4）,3.2.2、葉素理論,圖3.3 葉剖面和氣流角的受力關(guān)系圖,在這里和下面將要提到的動(dòng)量理論中干擾系數(shù)共有2個(gè)：（1）軸向干擾系數(shù)a；（2）切向干擾系數(shù)b。其物理意義表示氣流在通過風(fēng)輪時(shí)，氣流的軸向速度與切向速度都有發(fā)生變化。而這個(gè)變化就是以a、b為系數(shù)時(shí)對氣流速度所打的折扣，可從葉素氣動(dòng)力三角形中看得很清楚。,（3-5）,（3-6）,3.2.3、動(dòng)量理論,動(dòng)量理論是William Rankime 于1865年提出的。假設(shè)作用于葉素上的力僅與通過葉素掃過圓環(huán)的氣體動(dòng)量變化有關(guān)，并假定通過臨近圓環(huán)的氣流之間不發(fā)生徑向互相

5、作用。在風(fēng)輪掃掠面內(nèi)半徑r處取一個(gè)圓環(huán)微元體，如圖所示，應(yīng)用動(dòng)量定理，作用在風(fēng)輪（R,R+dR）環(huán)形域上的推力為：,（3-7）,（3-8）,（3-9）,動(dòng)量理論說明了作用于風(fēng)輪上的力和來流速度間的關(guān)系，能夠解答風(fēng)輪轉(zhuǎn)換機(jī)械能和基本效率問題。,3.2.4、動(dòng)量-葉素理論,動(dòng)量-葉素理論結(jié)合了動(dòng)量和葉素理論，計(jì)算出風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向干擾系數(shù)a和軸向干擾系數(shù)b。 由動(dòng)量理論可得作用在風(fēng)輪掃掠面內(nèi)半徑r處取一個(gè)圓環(huán)微元體上的推力和轉(zhuǎn)矩分別為：,3.2.5、葉片梢部損失和根部損失修正,3.2.6、塔影效果,式中，D為塔架直徑；x和y表示軸向和側(cè)向相對于塔架中心的坐標(biāo)；括號中的第二項(xiàng)為氣流減少量，把塔影效

6、果引起的流速減少量化到風(fēng)速誘導(dǎo)因子中去，即U(1-a)，然后應(yīng)用葉素-動(dòng)量理論。,3.2.7、偏斜氣流修正,最初的動(dòng)量理論設(shè)計(jì)依據(jù)是軸向氣流，而風(fēng)力機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在偏斜氣流情況下，這樣風(fēng)輪后尾渦產(chǎn)生偏斜，為此須對動(dòng)量理論做修正。,3.3、 風(fēng)力機(jī)葉片的空氣動(dòng)力特性： 不論風(fēng)力機(jī)的形式如何，葉片都是至關(guān)重要的部件，為了很好的理解葉片的功能，必須懂得有關(guān)翼型的基本空氣動(dòng)力學(xué)知識。,3.3.1、翼型的幾何定義,圖3.5 翼的概念及翼的受力分析,3.3.2 翼型介紹,（1）NACA XYZZ X表示翼型最大相對彎度的百倍數(shù)值；Y表示最大彎度相對位置的10倍數(shù)值；ZZ表示最大相對厚度的百倍數(shù)值。 NACA

7、2412表示翼型的相對彎度為2%，最大彎度在弦長的0.4位置處，相對厚度為12%,（2）NACA XYWZZ X表示翼型彎度，這個(gè)數(shù)乘以3/2就是設(shè)計(jì)升力系數(shù)的10倍；Y表示最大彎度相對位置的20倍；W表示中弧線后段的類型：直線取1，其他取0；ZZ表示最大相對厚度的百倍數(shù)值。 NACA 23012表示設(shè)計(jì)升力系數(shù)為2 (3/20)=0.3 ,最大彎度在30/20=1.5，中弧線后段為直線，相對厚度為12%,（4） NACA 653-218 6表示六系列；5表示厚度分布使零升力下的最小壓力位置的0.5位置處；3表示有利升力系數(shù)范圍為0.3；2表示設(shè)計(jì)升力系數(shù)為0.2；18表示相對厚度為18%。,

8、（3）NACA XXXX-YY或NACA XXXXX-YY X為未修改的NACA四、五位數(shù)字翼型的表達(dá)式；第一個(gè)Y表示前緣半徑的大小，第二個(gè)Y表示最大厚度相對位置的10倍數(shù)值。,這種翼型具有較高的升阻比和較大的升力系數(shù)，其失速時(shí)對翼型表面的粗糙度敏感也較低。對于直徑為10-30m風(fēng)輪的葉片設(shè)計(jì)了SERI S805 A翼型，應(yīng)用該翼型系列時(shí)主要用于年平均風(fēng)速在10m高度處為4.5-6.2之間的風(fēng)場。,該翼型由美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室所研制，主要應(yīng)用與大中型葉片，有3個(gè)薄翼型族和3個(gè)厚翼型族。這些翼型能有效減小由于昆蟲殘骸和灰塵積累使槳葉表面粗糙度增加而造成的風(fēng)輪性能下降，并且能增加能量最大輸出和改