能量转换和传输理论.ppt

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1、新能源学院新能源学院风风力力发电发电原理原理新能源学院 关新1新能源学院新能源学院第第3章章 能量能量转换转换和和传输传输理理论论 3.1 风能捕获理论2新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论1.1.流体力学的基本方程流体力学的基本方程u复习：风能、风功率、风功率密度u不可压缩流体所谓可压缩性是指在压力作用下，流体的体积会发生变化。通常情况下，液体在压力作用下体积变化很小。对于宏观的研究，这种变化可以忽略不计。这种在压力作用下体积变化可以忽略的流体称为不可压缩流体。2023/2/223新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论1.1.流体力学的基本方程流体力学的基本方程

2、u流体黏性流体运动时，如果相邻两层流体的运动速度不同，在它们的界面上会产生切应力。速度快的流层对速度慢的流层产生拖动力，速度慢的流层对速度快的流层产生阻力。这个切应力叫做流体的内摩擦力，或黏性切应力2023/2/224新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论1.1.流体力学的基本方程流体力学的基本方程u阻力在流动空气中的物体都会受到相对于空气运动所受的逆物体运动方向或沿空气来流速度方向的气体动力的分力，这个力称为流动阻力。2023/2/225新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论1.1.流体力学的基本方程流体力学的基本方程u层流与湍流层流流动是指流体微团（质点）互不掺

3、混、运动轨迹有条不紊地流动形态。湍流流动是指流体的微团（质点）做不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态。2023/2/226新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论1.1.流体力学的基本方程流体力学的基本方程u雷诺数l式中，为雷诺数；为流动速度，m/s；为与流动有关的长度，m；为动力黏性系数，Ns/m2；为密度，kg/m3；为运动黏性系数，m2/s2023/2/227新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论1.1.流体力学的基本方程流体力学的基本方程u边界层边界层是流体高雷诺数流过壁面时，在紧贴壁面的黏性力不可忽略的流动薄层，又称为流动边界层或附面层2023/2/22

4、8新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论1.1.流体力学的基本方程流体力学的基本方程u伯努利方程l式中，为流体的密度；v为流体的速度；p为流体压力；g为重力加速度；z为流体在流动过程中高度。伯努利方程是流体的机械能守恒方程。2023/2/229新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论1.1.流体力学的基本方程流体力学的基本方程u升力放在气流中的翼型，前缘对着气流向上斜放的平板以及在气流中旋转的圆柱或圆球（例如高尔夫球）都会有一个垂直于气流运动方向的力，这个力称为升力2023/2/2210新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳

5、态数学模型数学模型u贝兹理论的建立如下假定风轮叶片无限多，是一个圆盘，轴向力沿圆盘均匀分布且圆盘上没有摩擦力气流是不可压缩的且是水平均匀定常流，风轮尾流不旋转风轮前后远方气流静压相等u这时的风轮称为“理想风轮”。2023/2/2211新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u贝兹理论2023/2/2212新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u贝兹理论质量守恒欧拉定理（动量定理）风轮吸收额功率为动能定理2023/2/2213新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论

6、论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u贝兹理论能量守恒2023/2/2214新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u贝兹理论求P的最大值当则2023/2/2215新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u贝兹理论理论最大效率（理论风能利用系数）风力机实际吸收的有用功率为2023/2/2216新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论1.涡流理论1.忽略叶片翼型阻力和叶梢损失的影响。2.忽略有限

7、叶片数对气流的周期性影响。3.叶片各个径向环断面之间相互独立。2023/2/2217新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论1.涡流理论2023/2/2218新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论1.涡流理论1.中心涡。集中在轮毂转轴上。2.附着涡。每个叶片的边界涡。3.螺旋涡（自由涡）。每个叶片尖部形成的螺旋涡l风轮半径r处的切向速度为2023/2/2219新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学

8、模型u经典理论2.叶素理论l1889年，Richard Froude提出叶素理论l作用：从叶素附近流动来分析叶片上的受力和功能交换l叶素：风轮叶片在风轮任意半径r处的一个基本单元，它是由r处翼型剖面延伸一小段厚度dr而形成2023/2/2220新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论2.叶素理论2023/2/2221新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论2.叶素理论假设l叶片分割成无限多个叶素，每个叶素厚度无限小，叶素为二元翼型l叶素都是独立，之间不存在

9、相互作用，通过各叶素气流不相互干扰l忽略叶片长度的影响2023/2/2222新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论2.叶素理论l叶素剖面和气流角、受力关系2023/2/2223新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论2.叶素理论：叶素剖面和气流角、受力关系l升力l阻力l合速度2023/2/2224新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论2.叶素理论：叶素剖面和气流角、受力关系l进一步计

10、算的l其中2023/2/2225新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论2.叶素理论：叶素剖面和气流角、受力关系l周推力l转矩2023/2/2226新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论2.叶素理论：叶素剖面和气流角、受力关系l周推力l转矩2023/2/2227新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论3.动量理论2023/2/2228新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论

11、2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论4.动量叶素理论l动量叶素理论结合了动量和叶素理论，计算出风轮旋转面中的轴向干扰系数a和周向干扰系数b2023/2/2229新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论5.叶片梢部损失和根部损失修正l当气流绕风轮叶片剖面流动时，剖面上下表面产生压力差，则在风轮叶片的梢部和根部处产生绕流。这就意味着在叶片的梢部和根部的环量减少，从而导致转矩减小，必然影响到风轮性能。l式中，F为梢部根部损失修正因子；Ft为梢部损失修正因子；Fr为根部损失修正因子2023/2/2230新能源学

12、院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论6.塔影效应l所谓塔影效应是指叶片在旋转过程中，当叶片经过塔筒位置处时，加速叶片与塔筒之间的空气运动速度，致使叶片翼型上下表面出现压力差，而导致叶片向塔筒侧弯曲2023/2/2231新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论7.偏斜气流修正l式中，as为修正后的轴向诱导因子；r为当地叶素半径，R为风轮半径；为尾涡偏斜角；为气流偏斜角，为风轮偏航角（相对于下风向气流方向为0度）。2023/2/2232新能源学院新能源学院3.1

13、风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机的力机的稳态稳态数学模型数学模型u经典理论8.风剪切2023/2/2233新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u翼型的几何定义2023/2/2234新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u翼型的几何定义1.翼的上表面：翼弦上面的弧面。2.翼的下表面：翼弦下面的弧面。3.中弧线：翼型内切圆圆心的连线为中弧线，也可将垂直于弦线度量的上下表面间距离的中间点称为中弧线，对称翼型的中弧线与翼弦重合4.翼的前缘：翼的前部A为圆

14、头，翼型中弧线的最前点成为翼型前缘。2023/2/2235新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u翼型的几何定义5.翼的后缘；翼的尾部B为尖型，翼型中弧线的最后点成为翼型后缘。6.翼弦：连接翼的前缘A与后缘B的直线称为翼的弦，AB的长是翼的弦长C7.平均几何弦长：叶片投影面积与叶片长度的比值8.气动弦长：通过后缘的直线，合成气流方向与其平行的弦线（升力为零）2023/2/2236新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u翼型的几何定义9.叶片扭矩：叶片根部几

15、何弦与根部几何弦夹角的绝对值10.前缘半径：翼型前缘处内切圆的半径称为翼型前缘半径，前缘半径与弦长的比值称为相对前缘半径11.后缘角：位于翼型后缘处，上下两弧线之间的夹角称为翼型后缘角2023/2/2237新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u翼型的几何定义12.翼展：叶片旋转直径，即风轮转动直径13.叶片安装角：叶根确定位置处翼型几何弦与叶片旋转平面的夹角14.桨距角：风轮旋转平面与叶片各剖面的翼弦所成的角，又称扭转角，在扭曲叶片中，沿翼展方向不同位置叶片的安装角各不相同。15.攻角：翼型上合成气流方向与翼型几何弦的夹角

16、，又称迎角，用 表示。2023/2/2238新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u翼型的几何定义16.展弦比：翼展的平方与翼的投影面积Ay之比，即风轮半径的平方与叶片投影面积之比17.来流角：旋转平面与相对风速所成的角18.厚度：几何弦上各点垂直于几何弦的直线被翼型周线所截取的长度，用 表示。最大厚度就是厚度最大值，通常以它作为翼型厚度的代表。最大厚点离前缘的距离用 表示，通常采用其相对值。2023/2/2239新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u翼

17、型的几何定义19.相对厚度：厚度的最大值与几何弦长的比值（）它通常的取值范围为320，最常用的是（1015）20.弯度与弯度分布。翼型中弧线和翼弦间的高度称为翼型的弯度，弧高沿翼弦的变化称为弯度分布，如图3.13所示，以 表示2023/2/2240新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u作用在叶片上的空气动力2023/2/2241新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u作用在叶片上的空气动力翼型上的升力为翼型上的阻力为气动俯仰力矩为2023/2/2242新

18、能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u作用在叶片上的空气动力2023/2/2243新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u作用在叶片上的空气动力在实用范围内，基本上成一直线，但在较大攻角时，略向下弯曲。当攻角 增大到 时，达到其最大值，其后则突然下降，这一现象称为失速。2023/2/2244新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u作用在叶片上的空气动力在某一攻角下的升力与阻力之比，简称升

19、阻比，又称气动力效率2023/2/2245新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u风力机风轮的空气动力特性1.风轮直径：叶尖旋转圆的直径，用D表示。2.风轮扫掠面积：风轮旋转时，叶片的回转面积3.风轮偏角：风轮轴线与气流方向的夹角在水平面的投影4.风轮额定转速：输出额定功率时，风轮的转速5.风轮最高转速：风力机处于正常状态下（空载或负载），风轮允许的最大转速值。2023/2/2246新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u风力机风轮的空气动力特性6.风轮实

20、度：风轮叶片投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值。7.叶尖速比：叶尖切向速度与风轮前的风速只比，用表示。8.桨距角：在指定的径向位置叶片几何弦线与风轮旋转面间的夹角。9.风轮锥角：风轮锥角是叶片与旋转轴垂直平面的夹角2023/2/2247新能源学院新能源学院3.1 风风能捕能捕获获理理论论2.2.风风力机叶片的空气力机叶片的空气动动力特性力特性u风力机风轮的空气动力特性10.风轮仰角：风轮仰角是风轮旋转轴与水平面的夹角。仰角的作用是防止叶片梢部与塔架碰撞2023/2/2248新能源学院新能源学院3.2 能量传递理论1.1.弹弹性力学基本方程性力学基本方程1.平衡微分方程：位移的变化2.几何方程：

21、位移与应变的关系3.物理方程：应力及应变的大小2.2.传动链传动链数学模型数学模型1.刚性模型2.柔性模型2023/2/2249新能源学院新能源学院习题1.请推导出贝兹理论，并说明推导的前提条件为什么？2.写出并牢记翼的上表面、翼的下表面、中弧线、翼的前缘、翼的后缘、翼弦、平均几何弦长、气动弦长、叶片扭矩、前缘半径、后缘角、翼展、叶片安装角、桨距角、攻角、展弦比、来流角、厚度、相对厚度、和弯度与弯度分布的概念。2023/2/2250新能源学院新能源学院习题3.写出并牢记风轮直径、风轮扫掠面积、风轮偏角、风轮额定转速、风轮最高转速、风轮实度、叶尖速比、桨距角、风轮锥角、风轮仰角的概念。2023/2/2251新能源学院新能源学院习题4.某10kW风力机，叶片长度为12m，翼型升力系数为0.386，阻力系数为0.129，叶片为等翼型结构，轴向诱导因子为0.211，径向诱导因子为0.018，当风速为10.3m/s时，空气密度为2.2kg/m3，风轮转速为21.3r/min，攻角为5度，安装角为7度。求：叶片升力和阻力；风轮的周推力和扭矩。2023/2/2252