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1、第一節(jié) 水平軸風力機的結(jié)構(gòu) 一、風輪葉片 葉片具有空氣動力形狀，是接受風能使風輪轉(zhuǎn)動的主要構(gòu)件。風輪葉片的結(jié)構(gòu)主要有梁、殼,具體形狀（翼型)很多。制造葉片的材料有玻璃纖維增強塑料、碳纖維增強塑料、木材、鋼、鋁等。 目前，水平軸風力發(fā)電機的風輪葉片一般為2片或3片，３片占多數(shù). 當風輪葉片幾何外形相同時，兩葉片風輪與三葉片風輪的最大風能利用系數(shù)基本相同,但兩葉片葉片風輪對應(yīng)最大風能利用系數(shù)的轉(zhuǎn)速較高。 當風輪直徑和風輪轉(zhuǎn)速相同時，作用在兩葉片風輪的脈動載荷大于三葉片風輪。實際上，兩葉片風輪要比三葉片風輪轉(zhuǎn)速高,因此,在相同風輪直徑時，由脈動載荷引起的軸向力變化要大一些

2、。 兩葉片風輪轉(zhuǎn)速高，空氣動力噪聲大。 從景觀上考慮，三葉片風輪更容易為大眾所接受。 二、輪轂 輪轂是將葉片固定在轉(zhuǎn)軸上的裝置，它將風輪的力和力矩傳遞到主傳動機構(gòu)中去。 輪轂有固定式和鉸鏈式兩種。 1、固定式輪轂 三葉風機大多采用固定式輪轂。 2、鉸鏈式輪轂 鉸鏈式輪轂常用于單葉片和二葉片風力機。 揮舞鉸鏈輪轂：兩葉片固定連接，相對位置不變,但可繞鉸鏈軸沿風輪俯仰方向相對中間位置作±(5—10°)的擺動（揮舞,類似蹺蹺板）。 揮舞、擺振鉸鏈輪轂：每個葉片互不依賴，不僅可單獨作俯仰方向的擺動,也可單獨作旋轉(zhuǎn)方向的擺振。 第二節(jié) 葉片的空氣動力特性 １、葉片的基本

3、幾何定義 （１)、葉尖 葉片距離風輪回轉(zhuǎn)軸線的最遠點稱為葉尖。 （2）葉片投影面積 葉片在風輪掃掠面上的投影面積稱為葉片投影面積. （３)葉片翼型 翼型也叫葉片剖面，是指用垂直于葉片長度方向的平面去截葉片而得到的截面形狀.葉片的幾何特征見下圖。 1)中弧線：翼型表面內(nèi)切圓圓心連接起來的光滑曲線(圖中虛線）。 2）前緣:翼型中弧線的最前點（A點）. 3）后緣：翼型中弧線的最后點（B點). ４)幾何弦：連接前緣與后緣的直線（AＢ線段）。用表示。 ５)平均幾何弦：葉片投影面積與葉片長度的比值。 6）氣動弦線：通過后緣使翼型升力為零的直線。氣流與氣動弦線平行時，翼型獲得

4、的升力為零。 7）厚度:垂直與幾何弦的直線被翼型周線所截取的長度.其最大值為，通常用來表示翼型的厚度.最大厚度點到前緣的距離用表示，其相對值為。 8)相對厚度:厚度的最大值與幾何弦長的比值，。取值范圍為3％~20％，常用的為10%~15％。 9）彎度：中弧線與幾何弦線的距離，最大值為。 (4)葉片安裝角 葉根確定位置處翼型幾何弦與葉片旋轉(zhuǎn)平面所夾的角度稱為葉片安裝角。 （5)葉片扭角 葉片尖部幾何弦與根部幾何弦夾角的絕對值稱為葉片幾何扭角。 （6)葉片幾何攻角 翼型上合成氣流方向與翼型幾何弦的夾角稱為幾何攻角,用表示。 2、作用在葉片上的空氣動力 先定性地考察一番飛機

5、機翼附近的流線。當機翼相對氣流保持圖示的方向與方位時，在機翼上下面流線簇的疏密程度是不盡相同的。 根據(jù)流體運動的質(zhì)量守恒定律,有連續(xù)性方程 　　 　　 　 其中：A、V分別表示截面積和速度。下標1、2、３分別代表前方或后方、上表面和下表面處。 根據(jù)伯努利方程： 　 　 即:氣體總壓力=靜壓力+動壓力=恒定值 考察翼型剖面氣體流動的情況： ① 上翼面突出，流場橫截面面積減小,空氣流速大,即V2＞V1。而由伯努利方程，必使： P2 < P1,即靜壓力減小。 ②　下翼面平緩， V3≈Ｖ1,使其幾乎保持原來的大氣壓，即: P３ ≈ P1。 結(jié)論

6、： 由于機翼上下表面所受的壓力差,使得機翼得到向上的作用力--升力。 當風流經(jīng)翼型時，不僅會受到上述升力，還會受到氣流對它的推力，這樣，葉片翼型將受到一個合力.在垂直于來流方向的分量稱為升力,而在平行于來流方向的分量稱為阻力。合力對于前緣點的力矩,稱為氣動俯仰力矩。 翼型上的升力表示為 　 　 　　 　 　 　　　 　 　 　 　(４—1) 翼型上的阻力表示為 　 　　 　 　 　 　 　 （４-2） 氣動俯仰力矩表示為 　　 　 　 　 　 （4—3） 式中　—-空氣的

7、密度，單位； 　 -—相對速度，單位； 　　 —-幾何弦長，單位； -—升力系數(shù)，無量綱； 　　 　 —-阻力系數(shù)，無量綱； 　 ——俯仰力矩系數(shù)，無量綱； 　 ——翼型在葉片長度方向上的長度。 （其中的意義，對風功率密度進行分析,，即相當于推動空氣流動的力) 對于一個特定的功角，翼型上總對應(yīng)地有一點(上圖中C點),空氣動力對這個點的力矩為零，將該點稱為壓力中心點?？諝鈩恿υ谝硇蜕系淖饔昧捎蓡为氉饔糜谠擖c的升力和阻力來表示和分析計算。 升力系數(shù)、阻力系數(shù)與翼型的形狀和攻角有關(guān),其關(guān)系如下曲線所示.可見有一段直線區(qū),為實際運行的攻角范圍，在這段

8、區(qū)內(nèi)升力系數(shù)隨攻角直線增加，但在較大攻角時略有向下彎曲。當攻角增大到時,達到最大值，其后則突然下降，這一現(xiàn)象叫做“失速”。攻角稱為臨界攻角。 “失速”是由于氣流在前緣附近發(fā)生分離造成的。當失速時,風力發(fā)電機的輸出功率顯著減小.定槳距風力發(fā)電機靠失速在大風時使發(fā)電功率不超過額定值。 阻力系數(shù)在攻角不大時有最小值,后隨攻角的增加而增加.臨界攻角以后，增加更為顯著。 極曲線：以為橫坐標，為縱坐標,將對應(yīng)于每個攻角，有確定的、,將點（,）繪制在坐標圖上，并在旁邊標注攻角。將這些連接組成的曲線叫極曲線。極曲線放映了在攻角變化時,升力系數(shù)與阻力系數(shù)的關(guān)系.如下圖： 從極曲線原點到曲線上任何

9、一點的矢徑表示了對應(yīng)攻角下總氣動力系數(shù)的大小和方向.該矢徑的斜率為對應(yīng)攻角下升力和阻力之比，稱為升阻比，又稱氣動力效率。 過原點做極曲線的切線，原點與切點之間的連線的斜率為所有矢徑中斜率最大者，即為最大升阻比。切點對應(yīng)風力發(fā)電機的最佳運行狀態(tài)。 第三節(jié) 風輪的空氣動力特性 1、風輪的幾何定義和參數(shù) １)風輪直徑:葉尖旋轉(zhuǎn)圓的直徑,用D表示。 2）風輪掃掠面：風輪旋轉(zhuǎn)時，葉片的回轉(zhuǎn)面積。 3）風輪偏角：風輪軸線與氣流方向的夾角在水平面的的投影。 4）風輪錐角：風輪葉片與垂直與軸線的平面的夾角。 5)風輪仰角：風輪軸線與水平面的夾角。 ６)槳距角:在葉片徑向指定位置(通常葉尖

10、)處葉片弦線與風輪旋轉(zhuǎn)面間的夾角。（故名思義,就是槳葉距離上的夾角） 7）風輪額定轉(zhuǎn)速：輸出額定功率時風輪的轉(zhuǎn)速。 8）風輪最高轉(zhuǎn)速:風力機處于正常狀態(tài)下（空載或負載)，風輪允許的最大轉(zhuǎn)速。 9)風輪實度：風輪葉片投影面積的總和與風輪掃掠面積的比值。 １０）葉尖速比:葉尖切向速度與風輪前的風速之比,用表示。 ２、作用在風輪上的空氣動力 在葉片的徑向處，取長度為的微元，稱為葉素,如下圖.在風輪旋轉(zhuǎn)時,葉素掃掠出一個圓環(huán)。 令風輪旋轉(zhuǎn)角速度為，上游無窮遠處的風速為。當風輪旋轉(zhuǎn)時，如果在風輪旋轉(zhuǎn)切線方向空氣靜止，則葉素與空氣在旋轉(zhuǎn)切向上有速度為的相對運動，實踐上由于風輪對空氣的反作

11、用力，使得空氣向風輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn),這樣葉素在切向與空氣有相對運動速度，為切向氣流誘導(dǎo)因子。上游無窮遠處的風到達風輪前，由于受到風輪阻擋而減速，實際到達風輪的速度為,為軸向氣流誘導(dǎo)因子.葉素上風速與受力如下圖： 葉素上的合成風速 　　 　 　　　 　 （４-4） 合成風速與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角是,則 ?? 　 　 　　 （４-5) 　 　 　 　 　　 　 　　 　　 　　 （4-6） 攻角為 　　 　　 　 　 　 　　　　　 （4－7)

12、 為葉素處槳距角。 葉素上的升力，垂直與合成風速 　　 　 　 　 　　 　 　(4-8） 葉素上的阻力，平行與合成風速 　 　 　 　 　 　 　　　 　 　 　 (４－９） 作用在軸向上的力和切向上的力分別為 　 　　 　 　 （4—１0） 和 　 　 　 　 　 　 （4-11） 第四節(jié) 貝茲極限 討論水平軸風力機能從風中汲取的最大功率問題. 基本風輪是理想的： 1）風輪簡化為一個平面槳盤,葉片數(shù)無窮多。平面槳盤稱為致動盤。 2）風輪葉片旋轉(zhuǎn)時不受摩擦阻力，

13、不考慮能量損耗。 3)風輪前、風輪掃掠面、風輪后氣流都是均勻的定常流。風機采能簡化為單元流管模型。 4)風輪前未受擾動的氣流靜壓力和風輪后遠方的氣流靜壓力相等。 5）作用在風輪上的推力是均勻的. ６）不考慮風輪后的尾流旋轉(zhuǎn). 7)不考慮空氣的壓縮。 風輪才能物理過程用下圖表示： —-風輪前無窮遠處的風速； ——風輪前無窮遠處的氣流靜壓； ——風輪處的風速; ——風輪處，風輪前的氣流靜壓; ——風輪處，風輪后的氣流靜壓; --風輪后遠端風速; ——風輪后遠端氣流靜壓。 根據(jù)流量連續(xù)性有： ? 　 　 　 　 　　 　　　 　 　 （4—12） —

14、—空氣密度； —-橫截面面積。 風輪使得氣流速度發(fā)生變化，風輪處的風速 　 　 　 　 　 　　 　 ?。?-1３) ——為軸向誘導(dǎo)因子 　　 　 　 　 　 　 （４-1４） 應(yīng)用動量定律 　 　　 　 （4-15) -—氣流所受到的作用力。 氣流所受到的作用力是氣流對風輪作用力的反作用力。氣流對風輪作用力由風輪前后氣壓不同而產(chǎn)生。即 　　 　 　　　 　 (４-16） 從而有 　 　 　 　 　 （

15、4-17） 根據(jù)伯努利方程（對于重力場中的不可壓縮均質(zhì)流體　，滿足方程式中、、分別為流體的壓強、密度和速度；為鉛垂高度；為重力加速度；為常量.)風輪前，有: 　 （４—18） 由于氣體不可壓縮，水平高度一致,，(4—18)變?yōu)? 　 　 　 　 　 　 　 （4－１9） 同樣，風輪后有： 　　　 　 　 　　 ?。?-2０) 上兩式相減得： 　　　 　　　 　　（4—21) 將（4-21）代入（4-17)得 　 (4-２2) 整理得 　 　

16、 　 　 　 　（4—23) （４-２3)表達了在風輪后靜壓力等于風輪前無窮遠處靜壓力的地方風速與風輪前無窮遠處風速的關(guān)系。 由（4-13)和(4-23）還可推得： 風輪吸收的功率等于到達風輪的氣流單位時間內(nèi)動能的變化 　 （4－２４） 將（4—13)和（4—2３）代入： 　　 　 （４－25） 可見風輪汲取的功率是軸向誘導(dǎo)因子的函數(shù),為求取最大功率，對(4-25）式求對的導(dǎo)數(shù): 　 　 　 　 （4-26） 令（４-26)等于0,得解1、，當時,風輪汲取功率為最大 定義風能利用系數(shù) 　　 　 　 　 　 （４-27） 其分母為截面積為的自由流所具有的功率。 將（4—25）代入（4—27）得 　 （４—28） 將代入（4-28）得最大風功率利用系數(shù) (4-29） 這個值稱為貝茲極限。 當時，，。 18 / 18