风力机理论与设计 第3章 风力机的基本设计理论.ppt

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1、第三章风力机的基本设计理论【本章教学目标】掌握贝兹理论基本条件、推导过程；理解涡流理论、叶素理论、动量理论、动量-叶素理论的内容；熟悉叶片的功能，了解翼型的基本空气动力学知识。3.1贝兹理论世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整理论是1919年由贝兹（Betz）建立的。该理论所建立的模型是考虑若干假设条件的简化单元流管，主要用来描述气流与风轮的作用关系。贝兹理论的建立，是假定：风轮是一个圆盘，轴向力沿圆盘均匀分布且圆盘上没有摩擦力；风轮叶片无限多；气流是不可压缩的的况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。这时的风轮称为“理想风轮”。图3.1风轮气流图在能量的转换

2、过程中，由于各种损失的存在必将导致风轮输出功率的下降，一般随所采用的风力机和发电机的形式不同，其能量损失也不同。因此，风力机的实际风能系数，一般设计时根据叶片的数量、叶片翼型、功率等情况，取0.25～0.45。3.2经典设计理论.2.1涡流理论对于有限长的叶片，当风轮旋转时，通过每个叶片尖部的气流的迹线为一螺旋线，因此，每个叶片的尖部形成为螺旋形。在轮毂附近也存在同样的情况，每个叶片都对轮毂涡流的形成产生一定的作用。此外，为了确定速度场，可将各叶片的作用以一边界涡代替。所以风轮的涡流系统可以如图3.2表示。图3.2风轮的涡轮系统3.2.2叶素理论1889年，RichardFroude提出了叶

3、素理论，1892年，S.Drzewiecki提出了重大改进。将叶片沿展向分成若干个微段，每个微段称为一个叶素。这里假设每个叶素之间的气流流动没有干扰，作用于每个叶素上的力只由叶素的翼型升阻特性决定，叶素本身可以看成一个二元翼型。通过对作用在每个微段上的载荷进行分析并对其进行沿叶片展向求和，即可得作用于风轮上的推力和转矩。如图3.3所示，图3.3叶剖面和气流角的受力关系图3.2.3动量理论动量理论是WilliamRankime于1865年提出的。假设作用于叶素上的力仅与通过叶素扫过圆环的气体动量变化有关，并假定通过临近圆环的气流之间不发生径向相互作用。在风轮扫掠面内半径r处取一个圆环微元体，如

4、图3.4所示：应用动量定理，作用在风轮(R，)环形域上的推力为：图3.4风轮扫掠面上半径为dR的圆环微元体3.2.4动量-叶素理论3.2.5叶片稍部损失和根部损失修正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。所以要进行梢部和根部损失修正。3.2.6塔影效果3.2.7偏斜气流修正.2.8风剪切3.3风力机叶片的空气动力特性3.3.1翼型的几何定义叶片的气动性能直接与翼型外形有关，如图3.5所示，在风轮叶片取一翼型截面叶素。通常，翼型外形由下列几何参数决定。图3.5翼的概念

5、及翼的受力分析图3.8气流绕叶片的流动3.3.2作用于运动叶片上的空气动力图3.9作用在叶片上的力图3.11升力系数CL和阻力系数CD随迎角α的变化3.3.3升力系数和阻力系数的变化