风力机理论基础 (2)精选文档.ppt

风力机理论基础本讲稿第一页，共三十页序言风力发电机工作过程描述风力发电机（以下简称风力机）是一种将风能转换为电能的能量转换装置能量转换装置。本讲稿第二页，共三十页风力机的系统图：风风 电力电力 进一步有：进一步有：风风 电力电力 风力发电机风力发电机 传动系传动系 发电机发电机 叶叶 轮轮本讲稿第三页，共三十页1 1 空气动力学的基本概念空气动力学的基本概念 空气动力学主要研究空气流过物体外部时的运动规律。1.1 1.1 流线流线气体质点：气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。流线：流线：在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线。描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方向。一般情况下，各流线彼此不会相交。流场中众多流线的集合称为流线簇。如图所示。本讲稿第四页，共三十页本讲稿第五页，共三十页绕过障碍物的流线绕过障碍物的流线:当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。不同形状的物体对气流的阻碍效果也各不相同。考虑这样几种的物体，它们的截面尺寸相同，但对气流的阻碍作用（用阻力系数度量）各异。本讲稿第六页，共三十页1.2 1.2 阻力与升力阻力与升力当气流与物体有相对运动时，气体对物体有平行于气流方向的作用力阻力。定性考察飞机机翼附近的流线。当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的。考察二维翼型气体流动的情况。根据流体运动的1、质量守恒定律质量守恒定律，有连续性方程：A1V1=A2V2+A3V3其中A、V分别表示截面积和速度。下标1、2、3分别代表远前方或后方、上表面和下表面处。2、伯努利方程伯努利方程：P0=P+1/2*V2=常数其中：P0气体总压力；P气体静压力。本讲稿第七页，共三十页121131下翼面处流场横截面面积A3变化较小，流速V3几乎保持不变，进而静压力P3P1。上翼面突出上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速增大，V2V1。使得P2Ct时，CL将下降。当=0(0)时，CL=0，表明无升力。0称为零升力角，对应零升力线。本讲稿第十四页，共三十页三、翼剖面的阻力特性三、翼剖面的阻力特性用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。本讲稿第十五页，共三十页四、极曲线四、极曲线在风力机的设计中往往更关心升力和阻力的比值升阻比L/D以及最佳升阻比。通过极曲线（又称艾菲尔曲线）来讨论。CLmax CL CT有利CDminCDCDminCD00本讲稿第十六页，共三十页说明：极曲线上的每一点对应一种升阻比及相应的攻角状态，如0、CDmin、CT等。为了得到最佳升阻比，可从原点作极曲线的切线，由于此时的夹角最大，故切点处的升阻比CL/CD=tg最大，对应的攻角为最有利攻角有利。五、压力中心压力中心：气动合力的作用点，为合力作用线与翼弦的交点。作用在压力中心上的只有升力与阻力，而无力矩。压力中心的位置通常用距前缘的距离表示。本讲稿第十七页，共三十页六、雷诺数对翼型气动力特性的影响六、雷诺数对翼型气动力特性的影响关于雷诺数关于雷诺数层流与紊流：两种性质不同的流动状态。雷诺数是用来界定两种状态的判据。雷诺数的表达形式：Re=VC/临界雷诺数Recr：ReRecr紊流雷诺数的物理意义：惯性力与粘性力之比。雷诺数的影响雷诺数的影响考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着雷诺数的增加：升力曲线斜率，最大升力系数与失速攻角均增加；最小阻力系数减小；升阻比增加。本讲稿第十八页，共三十页1.2 1.2 叶轮空气动力学基础叶轮空气动力学基础 叶轮的作用叶轮的作用：将风能转换为机械能。1.2.1 1.2.1 几何描述几何描述叶轮轴线：叶轮旋转的轴线。旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角安装角（重要概念）。半径r处的桨叶剖面：距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面。安装角：桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角，又称桨距角，记为。本讲稿第十九页，共三十页本讲稿第二十页，共三十页半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺旋线的螺距。可以从几个方面来理解：几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角。此处的螺旋升角为该半径处的安装角r。该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。桨距值：H=2rtgr本讲稿第二十一页，共三十页1.2.2 1.2.2 贝兹理论贝兹理论1.1.贝兹理论中的假设贝兹理论中的假设 叶轮是理想的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；气流始终沿着叶轮轴线；叶轮处在单元流管模型中，如图。本讲稿第二十二页，共三十页流体连续性条件：S1V1=SV=S2V22.应用气流冲量原理应用气流冲量原理叶轮所受的轴向推力：F=m(V1-V2)式中m=SV，为单位时间内的流量质量。叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为：P=FV=SV2(V1-V2)本讲稿第二十三页，共三十页3.动能定理的应用动能定理的应用基本公式：E=1/2mV2（m同上）单位时间内气流所做的功功率：P=1/2mV2=1/2SVV2在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：P=1/2SV(V21_V22)此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。因此：SV2(V1-V2)=1/2SV(V21_V22)整理得：V=1/2(V1+V2)即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。本讲稿第二十四页，共三十页4.贝兹极限贝兹极限引入轴向干扰因子进一步讨论。令：V=V1(1-a)=V1U则有：V2=V1(1-2a)其中：a轴向干扰因子，又称入流因子。U=V1a轴向诱导速度。讨论：当a=1/2时，V2=0，因此a1/2。又Va0。a的范围：a0本讲稿第二十五页，共三十页由于叶轮吸收的功率为P=P=1/2SV(V21_V22)=2SV13a(1-a)2令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得Pmax=16/27(1/2SV13)注意到1/2SV13是远前方单位时间内气流的动能功率，并定义风能利用系数Cp为：Cp=P/(1/2SV13)于是最大风能利用系数Cpmax为：Cpmax=Pmax/(1/2SV13)=16/270.593此乃贝兹极限。本讲稿第二十六页，共三十页1.2.3 叶素理论一、基本思想一、基本思想将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶素；视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；作用在每个叶素上的力互不干扰；将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。二、叶素模型二、叶素模型1.端面：桨叶的径向距离r处取微段，展向长度dr。在旋转平面内的线速度：U=r。本讲稿第二十七页，共三十页2.翼型剖面：弦长 C，安装角。设V为来流的风速，由于U的影响，气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为W。本讲稿第二十八页，共三十页定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角，记为，则有叶片翼型的攻角为：=-。三、叶素上的受力分析三、叶素上的受力分析在W的作用下，叶素受到一个气动合力dR，可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。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：dFdLcos+dDsindTr(dLsin-dDcos)本讲稿第二十九页，共三十页由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl分别求得dD和dL:dL=1/2CLW2CdrdD=1/2CDW2Cdr故dF和dT可求。将叶素上的力元沿展向积分，得：作用在叶轮上的推力：F=dF作用在叶轮上的扭矩：T=dT叶轮的输出功率：P=dT=T本讲稿第三十页，共三十页