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1、風力機空氣動力學基礎知識風能曾是蒸汽機發(fā)明之前最重要的動力,數(shù)千年前就有了帆船用于交通運輸,后來有了風車用 來磨面與抽水等。近年來,由于傳統(tǒng)能源逐漸枯竭、對環(huán)境污染嚴重,風能作為清潔的新能源得 到人們的重視。為方便風力機技術知識的學習,下面介紹一些風力機空氣動力學的基礎知識。升力與阻力風就是流動的空氣,一塊薄平板放在流動的空氣中會受到氣流對它的作用力,我們把這個力分 解為阻力與升力。圖1中F是平板受到的作用力,F(xiàn)D為阻力,F(xiàn)L為升力。阻力與氣流方向平行, 升力與氣流方向垂直。升力Fl 合力F圖1-升力與阻力示意圖我們先分析一下平板與氣流方向垂直時的情況,見圖2,此時平板受到的阻力最大,升力為零

2、。 當平板靜止時,阻力雖大但并未對平板做功;當平板在阻力作用下運動,氣流才對平板做功;如 果平板運動速度方向與氣流相同,氣流相對平板速度為零,則阻力為零,氣流也沒有對平板做功。一般說來受阻力運動的平板當速度是氣流速度的20%至 50%時能獲得較大的功率,阻力型風力機就 是利用葉片受的阻力工作的。圖2-阻力的形成當平板與氣流方向平行時,平板受到的作用力為零(阻力與升力都為零)。當平板與氣流方向有夾角時(見圖3),氣流遇到平板的向風面會轉向斜下方,從而給平板一個壓力,氣流繞過平 板上方時在平板的下風面會形成低壓區(qū),平板兩面的壓差就產(chǎn)生了側向作用力F,該力可分解為阻 力FD與升力FL。平板在氣流作用

3、下產(chǎn)生升岳阻力夾角阻如新能源課件網(wǎng)站 HYPERLINK I升力死 入小 I合力F圖3-升力與阻力的形成平板與氣流方向的夾角稱為攻角,當攻角較小時,平板受到的阻力FD較?。淮藭r平板受到的作用力主要是升力FL,見圖4。新能源課件網(wǎng)站k HYPERLINK 平板在氣流作用下產(chǎn)生升力與阻力圖4-小攻角時升力大阻力小飛機、風箏能夠升到空中就是依靠升力,升力型風力機就是靠葉片受到的升力工作的。翼型翼型本是來自航空動力學的名詞,是機翼剖面的形狀,翼型均為流線型,風力機的葉片都是采 用機翼或類似機翼的翼型,圖5是翼型的幾何參數(shù)圖中弧線翼型的幾何參數(shù)圖5-翼型的幾何參數(shù)與翼型上表面和下表面距離相等的曲線稱為中

4、弧線,翼型通過以下參數(shù)來描述:(1)前緣、后緣翼型中弧線的最前點稱為翼型的前緣,最后點稱為翼型的后緣。(2)弦線、弦長連接前緣與后緣的直線稱為弦線;其長度稱為弦長,用c表示。弦長是很重要的數(shù)據(jù),翼型上的 所有尺寸數(shù)據(jù)都是弦長的相對值。(3)最大彎度、最大彎度位置中弧線在y坐標最大值稱為最大彎度,用f表示,簡稱彎度;最大彎度點的x坐標稱為最大彎度位置,用xf表示。(4)最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y坐標上的最大距離稱為翼型的最大厚度,簡稱厚度,用t表示;最大厚度點的x坐 標稱為最大厚度位置,用xt表示。前緣半徑翼型前緣為一圓弧,該圓弧半徑稱為前緣半徑,用r1表示。后緣角翼型后緣上下兩弧線切線

5、的夾角稱為后緣角,用t表示。對稱翼型的彎度為0,上下表面對稱。對稱翼型的彎度f為0,t1=t2,上下表面對稱。弦線 中弧線弦長C圖6-對稱翼型翼型的升力與阻力民航飛機機翼的截面是常用的翼型,能產(chǎn)生較大的升力,且對氣流的阻力很小,常用的飛機翼型上表面彎曲,下表面平直,見圖7,即使葉片與氣流方向平行也會有升力產(chǎn)生,這是因為繞過翼 型上方的氣流速度比下方氣流快許多,跟據(jù)流體力學的伯努利原理,上方氣體壓強比下方小,翼 片就受到向上的升力FL。圖7-攻角為0時的非對稱翼型也有升力翼型的弦線與來流方向的夾角稱為攻角或迎角,當攻角增大時,翼型受到的升力會增大,有攻 角的翼型能受到較大的升力,阻力雖有增加但很

6、小,在來流不變時翼型受到的升力隨攻角的增大 而增大。圖8是攻角為12度時的氣流與升力圖。翼型的升力Fl新能源課件網(wǎng)站 HYPERLINK 一一 i 一相對氣流翼型在E攵角為12。的升力示意圖8-在合適攻角下翼型有最大升力雖然翼型受到的升力隨攻角的增大而增大,但攻角增大到某個臨界角度后,翼型上方氣流會發(fā) 生分離,產(chǎn)生渦流,升力會迅速下降,阻力會急劇上升,這一現(xiàn)象稱為失速。對于不同的翼型這 個角度也不同,一般為10至15度。關于失速下面有進一步介紹。風力發(fā)電用風力機有阻力型與升力型兩種,水平軸風力機基本 都是升力型,垂直軸風力機有升力型結構也有多種阻力型結構,一些實度比很高的風力機(水平 軸或垂直

7、軸)會工作在升力與阻力狀態(tài)。壓力中心正常工作的翼型受到下方的氣流壓力與上方氣流的吸力,這些力可用一個合力來表示,該力與弦線(翼型前緣與后緣的連線)的交點即為翼型的壓力中心。對稱翼型在不失速狀態(tài)下運行時,壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置(見圖9)。新能源課件網(wǎng)站 上 www_ 圖9-翼型的壓力中心運行在不失速狀態(tài)下的非對稱翼型在較大攻角時壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置,在小攻角時壓力中心會沿葉片弦長向后移。雷諾數(shù)雷諾數(shù)是衡量作用于流體上的慣性力與粘性力相對大小的一個無量綱參數(shù),雷諾數(shù)用Re表示,于是式中P 流體密度;V流場中的特征速度;L 征長度;p 流體的粘度,流體的 粘度主要隨

8、溫度變化,空氣的粘度隨氣溫升高加大;而液體則相反,溫度升高粘度減小。定義v為流體的運動粘度,由于空氣的密度P隨氣溫上升而減小、空氣的粘度p隨氣溫上升而增加,所以雷諾數(shù)Re隨氣 溫上升而減明顯減小。在研究翼型的氣動特性時,V取翼型的運動速度,L取翼型的弦長,得到的就是該翼型的雷諾 數(shù)。雷諾數(shù)對翼型氣動特性影響較大,一般翼型的失速迎角隨雷諾數(shù)的增大而增大、最大升力系數(shù) 也隨失速攻角的增大而增大;阻力系數(shù)在總體上會有降低。有關雷諾數(shù)的簡單計算見NACA0012翼型的截面與升力曲線圖章節(jié)失速迎角當翼片運行較小迎角時,翼片處在正常升力狀態(tài),翼片上方與下方的氣流都是平順的附著翼型 表面流過,見圖10中的A

9、圖,此時有較大的升力且阻力很小。如果將翼片迎角變大,當超過某個 臨界角度時,翼片上表面氣流會發(fā)生分離,不再附著翼型表面流過,翼型上方會產(chǎn)生渦流,導致 阻力急劇上升而升力下降,這種情況稱為失速。見圖10中的B圖。新能源課件網(wǎng)站 www.pengky-cn圖10-攻角超過失速迎角就會失速發(fā)生轉變的臨界角度稱之為臨界迎角或失速迎角,對于不同的翼型失速迎角也不同,普通翼型 多在10度至15度,一般薄翼型失速迎角稍小,厚翼型失速迎角要大一些;對于同一個翼型影響 失速迎角的是翼片運行時的雷諾數(shù)與翼片的光潔度。風能與風能利用系數(shù)風能就是空氣運動的動能,當風速為v時每秒通過面積為S的空氣流的動能為E-O.fi

10、SvJ由于是每秒的動能,E也就是功率,稱為風功率,例如,風速為6m/s的空氣流,通過1平方 米所具有的功率為129.6W。風在通過風輪時推動風輪旋轉,把它的動能轉變?yōu)轱L輪旋轉的能量,但經(jīng)過風輪做功后的風速 不會為零,僅僅是減小,故風只能把一部分能量轉交給風輪,若流過風力機葉片掃掠面積的風功 率為E,風力機獲得的功率定為P,則風能利用系數(shù)為Cp風能利用系數(shù)也稱為功率系數(shù),有關風能利用系數(shù)更多知識見風能與風功率章節(jié)。貝茨極限風能就是空氣運動的動能,風在通過風輪時推動風輪旋轉,把它的動能轉變?yōu)轱L輪旋轉的能量, 但經(jīng)過風力機風輪做功后的風速不會為零,僅僅是減小,故風只把一部分能量轉交給風輪。那么風能把

11、多大的能量轉交給風輪呢,1927年德國人貝茨從理論上計算出最大值為59.3%,如 果在風輪前方的風速是v,計算認為通過風輪的風速為2v/3,通過風輪遠離位置的風速為1v/3。59.3%稱為貝茨極限,是風力發(fā)電機組的風能利用系數(shù)的最大值。目前高性能的風力發(fā)電機組 風能利用系數(shù)一般為40%至 45%。相對風速風力機葉片運動時所感受到的風速是實際風速與葉片運動速度的合成速度,稱為相對風速。圖 11是一個風力機的葉片截面,當葉片運動時,葉片感受到的相對風速為可一,它是葉片的線速度(矢量)uf與風進葉輪前的速度(矢量)vf的合成矢量=w=u+vff新能源課件網(wǎng)站、www.pengky-cn圖11-風速與

12、葉片運動速度的合成速度稱為相對風速相對風速與葉片弦線之間的夾角就是葉片的攻角a,見圖12。葉片運動方向-Ji _風向新能源課件網(wǎng)站LWWW.pG圖12-相對風速與攻角葉尖速比風輪葉片尖端線速度與風速之比稱為葉尖速比。圖13是一個風力機的葉輪,u是旋轉的風力 機風輪外徑切線速度,v是風進葉輪前的速度,葉尖速比入A =u/v圖13-葉尖速比U切線速度葉尖速比A=u/v新能源課件網(wǎng)站 匚 www. p ng 阻力型風力機葉尖速比一般為0.3至0.6,升力型風力機葉尖速比一般為3至8。在升力型風力機中,葉尖速比直接反映了相對風速與葉片運動方向的夾角,即直接關系到葉片的攻角,是分析風力機性能的重要參數(shù)。實度比風力機葉片的總面積與風通過風輪的面積(風輪掃掠面積)之比稱為實度比(容積比),是風力機的一個參考數(shù)據(jù)。圖14左圖為水平軸風力機葉輪,S為每個葉片對風的投影面積,B為葉片個數(shù),R為風輪半徑,a為實度比,a=BS/nR2風向垂直軸風

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