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风力发电技术-空气动力学基础

作者:易发棋牌最新网站 发布时间:2020-07-30 04:36 点击数:

  风力发电技术-空气动力学基础_电力/水利_工程科技_专业资料。风力发电技术 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) 风力发电机的空气动力特性 主要内容 2.1 风力发电机的概念及结构

  风力发电技术 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) 风力发电机的空气动力特性 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 δr r 2.3 翼型的几何参数 厚度 t A B 1) 中弧线:翼型内切圆圆心的连线。对称翼型的中弧线) 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) 后缘:翼型中弧线 翼型的几何参数 厚度 t A B 6) 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。 2.4 翼型的空气动力特性 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。 ? ? ? ? ? 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 2.4 翼型的空气动力特性 1 2 1 1 3 1 二维叶片截面的气体流动特性 ? 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: 2 P0 = P +1/2 * ? W =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 P2 P1,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。 ? ? 2.4 翼型的空气动力特性 ? 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。 F FL FD u V W 2.4 翼型的空气动力特性 ? 实际上叶素微元受到的是合力F,F可用下式表示。 F FL FD u 式中, Cr---空气动力系数。 V ? 由于升力和阻力是相互垂直的, 故 W 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。 CL CLmax ? ?0 ?CT ? ? ? ? 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。 CD CDmin ?CDmin ——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。 2.6 风轮上的总气动推力和总转矩 δr ? 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


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