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风力发电技术风力发电机的空气动力特性试讲科目：《风力发电机组原理与应用》（姚兴佳、宋俊）第二章参考资料：《风力发电原理》（吴双群、赵丹平）主要内容2.1风力发电机的概念及结构2.2风轮的几何参数2.3翼型的几何参数2.4翼型的空气动力特性2.5叶素上的气动推力和转矩2.6风轮上的总气动推力和总转矩2.1风力发电机的概念及结构风力发电就是将风的动能转换为风轮的机械能，风轮再带动发电机发电，将机械能转换为电能。图3-1水平轴式风力发电机结构简图2.2风轮的几何参数1）风轮的几何定义及参数（1）风轮：风轮就是叶片安装在轮毂上的总成，包括叶片、轮毂和变桨机构。（2）风轮旋转平面：风轮转动时所形成的圆面。（3）风轮直径D：风轮扫略的圆面对应的直径。（4）风轮的轮毂比：风轮的轮毂直径Dh与风轮直径之比。（5）叶片长度H：叶片的有效长度，H=(D-Dh)/2（6）叶片数：风轮上的叶片数目。2）叶片风轮叶片主要是为了接受风能，使风轮绕轴转动。其平面形状和剖面几何形状（翼型）与风力机空气动力学特性密切相关，从而影响风能转化为电能的效率。（1）叶片翼型：也叫叶片剖面，它是指垂直于叶片长度方向的叶片截面而得到的形状。3）叶素理论：将叶片沿展向划分成很多小的微元段，这些微元段统称为叶素。作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。叶素理论假设：（1）沿叶片展长方向，各相邻叶素间的流动互不干扰；（2）每个叶素所受的力仅取决于叶素的翼型的空气动力学特性。微元rδr1)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。2)上翼面：凸出的翼型表面。3)下翼面：平缓的翼型表面。4)前缘：翼型中弧线的最前点（A点）5)后缘：翼型中弧线的最后点（B点）2.3翼型的几何参数厚度ABt6)翼弦（弦线）：连接前缘与后缘的直线，即直线AB。其长度为几何弦长，通常用C表示。7)厚度t：翼弦垂直方向上上下翼面间的距离。——厚度分布：沿着翼弦方向的厚度变化。8)弯度f：翼型中弧线与翼弦间的距离。——弯度分布：沿着翼弦方向的弯度变化。2.3翼型的几何参数厚度ABt风轮旋转平面：风轮转动所形成的平面，与风速V垂直。翼型攻角在翼型平面上，实际气流来流W与翼弦之间的夹角定义为翼型攻角，记做，又称迎角。安装角β风轮旋转平面与翼弦之间的夹角，记做β，又叫桨距角、节距角。入流角φ实际气流入流速度W与旋转平面的夹角。Φ=+β注：风力发电机叶片运动时所感受到的气流速度是外来风速V与叶片运动速度u的合成速度，称为相对风速W。2.4翼型的空气动力特性2.4翼型的空气动力特性考察二维叶片截面（翼型）的受力情况。根据流体运动的1、质量守恒定律，有连续性方程：A1W1=A2W2+A3W3(A:面积；W:速度)2、伯努利方程：P0=P+1/2*W2=常数(P0:气体总压力；P:气体静压力)下翼面处流场横截面面积A3变化较小，流速W3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，V2V1。使得P2P1，即压力减小。由于翼型上下表面所受的压力差，使得翼型受到向上的作用力——升力。再由于气流和翼型有相对运动，翼型受到平行于气流方向的阻力。112311二维叶片截面的气体流动特性2.4翼型的空气动力特性FDFLFuVW设风的气流速度为W(如下图所示），风吹过叶片时，叶素微元受到垂直气流方向的升力，记为FL和平行于气流方向的阻力，记为FD。FDFLFuVW2.4翼型的空气动力特性式中，Cr---空气动力系数。由于升力和阻力是相互垂直的,故实际上叶素微元受到的是合力F，F可用下式表示。2.4翼型的空气动力特性翼剖面的升力特性翼型的升力特性用升力系数CL随攻角的变化曲线（升力特性曲线）来描述。如图。CLCLmax0CT当=0°时，CL﹥0，气流为层流。在0～CT之间，CL与呈近似的线性关系，即随着的增加，升力FL逐渐加大。当=CT时，CL达到最大值CLmax。CT称为临界攻角或失速攻角。当Ct时，CL将下降,气流变为紊流。当=0(0)时，CL=0，表明无升力。0称为零升力角，对应零升力线。翼剖面的阻力特性用阻力系数CD随攻角变化的曲线（阻力特性曲线）来描述。CDCDminCDmin——两个特征参数：最小阻力系数CDmin及对应攻角CDmin。当αCDmin时，CD随α的增加而逐渐增大；在α=αCDmin时，CD达最小值2.5叶素上的气动推力和转矩叶素微元受到的合力可以分解为平行于旋转平面的分量FQ，和垂直于旋转平面的分量T。FQ——驱动叶片围绕风轮轴旋转，进而产生转矩Q来驱动风力发电机工作。T——产生气动推力，作用在塔架上。δr2.6风轮上的总气动推力和总转矩叶素理论：将叶片沿展向划分成很多小的微元段，这些微元段统称为叶素。作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。2.6风轮上的总推力和总转矩