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第二章风力机的基本理论及工作原理第二章风力机的基本理论及工作原理2.1风力机基本理论 (1)2.1.1动量理论 (2)2.1.2叶素理论 (4)2.1.3动量-叶素理论 (5)2.2风力机空气动力设计 (7)2.2.1风轮几何参数 (7)2.2.2风力机空气动力设计参数 (8)2.2.3风力机翼型的阻力和升力 (8)2.2.4风力机气动外形设计 (14)2.3风力机性能 (14)2.3.1 风力机性能参数 (14)2.3.2 风力机叶片三维效应 (17)2.4风力机载荷 (17)2.4.1重力载荷 (17)2.4.2惯性载荷 (18)2.4.3气动载荷 (19)2.5垂直轴风力机 (19)2.5.1垂直轴风力机的分类 (19)2.5.2垂直轴风力机的主要特点 (20)2.5.3达里厄型垂直轴风力机 (20)2.5.4 S型垂直轴风力机 (24)2.5.5 其他垂直轴风力机 (27)2.5.6 直驱式垂直轴风力发电机 (29)2.6风电场中的空气动力问题 (33)2.6.1 风电场选址 (33)2.6.2 风力机尾流效应 (34)2.6.3 风力机布置 (34)2.6.4 风电场设计软件 (34)2.6.5 风能预测 (34)2.1风力机基本理论风力机是一种从风中吸取动能的装置。
通过动能的转移，风速会下降，但是只有那些通过风轮圆盘的空气才会受到影响。
假设将受影响的空气从哪些没有经过风轮圆盘、没有减速的空气分离出来，那么就可以画出一个包含受到影响的空气团的边界面，该边界面分别向上游和下游延伸，从而形成一个截面为圆形的长的气管流。
如果没有空气横穿界面，那么对于所有的沿气管流流向位置的空气质量流量都相等。
但是因为流管内的空气减速，而没有被压缩，所以流管的横截面积就要膨胀以适应减速的空气。
如图2.1所示。
图2.1 风力机吸收能量的流管能量虽然动能是从气流中吸取，但速度突变是不可能的，也是人们不希望发生的，由于巨大的加速度产生强大的作用力，这种速度突变又是需要的。
目录1前言22风轮气动载荷 (2)2.1 动量理论 (2)2.1.1 不考虑风轮后尾流旋转 (2)2.1.2 考虑风轮后尾流旋转 (3)2.2 叶素理论 (4)2.3 动量──叶素理论 (4)2.4 叶片梢部损失和根部损失修正 (6)2.5 塔影效果 (6)2.6 偏斜气流修正 (6)2.7 风剪切 (6)3风轮气动载荷分析 (7)3.1周期性气动负载................................................................................... 错误！未定义书签。
4.1载荷情况DLC1.3 (10)4.2载荷情况DLC1.5 (10)4.3载荷情况DLC1.6 (10)4.4载荷情况DLC1.7 (11)4.5载荷情况DLC1.8 (11)4.6载荷情况DLC6.1 (11)风力发电机组气动特性分析与载荷计算1 前言风力发电机是靠风轮吸取风能的，将气流动能转为机械能，再转化为电能输送电网，风力机气动力学计算是风力机设计中的一项重要工作。
特别是对于大、中型风机，其意义更为重大。
风力机处于自然大气环境中，大气紊流、风剪切、风向的变化（侧偏风）和塔影效应等，这些现象使叶片受到非常复杂气动载荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。
对一台大型风力发电机组来说，除风轮叶片产生机组的气动载荷外，机舱和支撑风轮和机舱的塔筒也产生气动载荷，这些都对机组的载荷产生影响。
2 风轮气动载荷目前计算风力发电机的气动载荷有动量—叶素理论、CFD 等方法。
动量—叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。
动量—叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。
风力发电装置的气动特性分析与优化风力发电是利用风能将其转化为电能的一种可再生能源。
随着环境意识的增强和对传统能源的依赖减少，风力发电正成为越来越受关注的领域。
而风力发电装置的气动特性分析与优化是保证风力发电效率的关键。
首先，让我们来了解一下风力发电装置的基本原理。
风力发电装置由风轮、轴承、齿轮箱、发电机和塔架组成。
当风吹过风轮时，风轮叶片会转动，带动发电机的转子转动，进而产生电能。
而风力发电装置的气动特性对其转动效率具有重要影响。
在风力发电装置的气动特性中，叶片的设计和 aerodynamics(空气动力学)非常重要。
叶片的长度、形状和材料都会影响空气对其施加的力。
比如，较长的叶片可以捕捉更多的风能，但同时也会增加风阻。
因此，在设计阶段就需要权衡叶片长度和形状，以实现最佳气动性能。
另外一个重要的气动特性是阻力的控制。
在高速风的情况下，叶片所受的阻力会显著增加，从而降低风力发电装置的效率。
因此，降低叶片的阻力是提高风力发电效率的关键。
一种常见的优化方法是采用空气动力学计算模型，通过对不同形状和结构的叶片进行模拟和比较，找到最佳的参数组合。
此外，风力发电装置的气动特性还与风的速度和方向息息相关。
风速越大，风力发电装置所能捕获的风能就越多，从而提高发电效果。
因此，在设计风力发电装置时，需要考虑适当的位置和气象因素，以达到最佳效果。
然而，要充分了解风力发电装置的气动特性并进行优化，并不是一件容易的事。
它涉及到复杂的风场建模、CFD(计算流体力学)模拟、实验验证等多个方面。
必须采用多学科的方法来解决这些问题，包括工程力学、流体力学、数值模拟等。
为了更好地分析和优化风力发电装置的气动特性，有几个关键的研究方向值得关注。
首先是风力发电装置的叶片材料和结构研究，以降低阻力和提高转动效率。
其次是风场建模和风力预测的研究，以提高风力发电的可靠性和可预测性。
最后是气动特性测试与验证，确保模拟结果的准确性和可靠性。
总之，风力发电装置的气动特性分析与优化是提高风力发电效率和可靠性的关键。
风力发电的空气动力学原理剖析风力发电是一种利用自然风力来转化能源的发电方式。
它是一种清洁、可再生的能源，对环境友好，并且具有广阔的发展前景。
为了深入了解风力发电的原理，我们需要对其空气动力学原理进行剖析。
首先，风力发电的核心设备是风力发电机组，而其中最重要的部件是风力涡轮机。
风力涡轮机通常包括三个主要部分，即风轮、轴承和发电机。
风轮是最直接与风能接触的部分，其主要功能是接收风能，并将其转化为机械能。
轴承则用于支撑和旋转风轮，确保其能够在风力作用下转动。
而发电机则负责将机械能转化为电能。
风力涡轮机的工作原理可以通过两个主要的空气动力学原理来解释，即伯努利原理和牛顿第三定律。
首先，根据伯努利原理，当风通过风轮时，会在风轮的一侧产生一个低压区域，而在另一侧产生一个高压区域。
这是由于风轮的形状和旋转引起的。
根据伯努利原理，风的速度越高，其压力就越低。
因此，风轮受到的压力差将会产生一个向轴线方向的力，从而推动风轮旋转。
这样，风轮就将风能转化为机械能。
其次，根据牛顿第三定律，当风轮受到风的作用力时，它会产生一个等大反向的反作用力。
这意味着，风轮受到的力会使整个发电机组产生一个相反方向的力，从而推动整个发电机组朝向风的方向移动。
为了使整个发电机组保持稳定，通常会设置一个朝向风的机械装置，使其能够转向并调整风轮的角度，以确保与风的方向保持一致。
除了这两个主要的空气动力学原理外，还有一些其他因素也会影响风力发电的效率，例如风速、风向、风轮的形状和尺寸等。
风速是决定风力发电效果的重要因素之一，因为风速越高，风轮受到的风力就越大，转化的能量也就越多。
同时，风向也会影响风轮的受力情况，因为只有朝向风的风轮才能最大程度地接收风能。
总的来说，风力发电是一种利用风能来转化为机械能再转化为电能的发电方式。
它借助空气动力学原理，通过风轮的旋转和风力的作用，将风能转化为机械能。
随着技术的不断发展和进步，风力发电将会扮演越来越重要的角色，为解决能源问题和保护环境做出更大的贡献。
风力发电机的气动力学分析风力发电机作为一种可再生能源发电设备，其气动力学分析对于提高发电效率和稳定性具有重要作用。
本文将探讨风力发电机的气动力学原理，并进一步分析其影响因素以及相关的优化方法。
一、风力发电机的工作原理风力发电机利用风的动能来驱动发电机转子的旋转，从而产生电能。
其工作原理主要分为以下几个步骤：1. 风的捕捉：风力发电机通过叶片将风能转化为机械能。
风吹过风力发电机的叶片，叶片会受到风力的推力，进而开始旋转。
2. 发电机转子转动：风力的推力使叶片旋转，进而驱动发电机转子一同旋转。
3. 电能转换：发电机转子的旋转通过磁场与线圈之间的相互作用，将机械能转化为电能。
电能可以存储或传输供人们使用。
二、影响风力发电机性能的气动力学因素风力发电机的性能受多种气动力学因素的影响。
以下是几个主要因素：1. 风速：风速是影响风力发电机发电能力的关键因素。
风速越高，风力发电机叶片受到的风力越大，转速也会相应提高。
2. 叶片设计：风力发电机叶片的设计对其性能有直接影响。
合理的叶片设计可以提高叶片捕捉风能的效率，从而提高发电效率。
3. 刀片数目：风力发电机的刀片数目也会影响其性能。
一般来说，刀片数目越多，叶片受到的风力越均匀，转速也越稳定。
4. 叶片材料：叶片材料的选择会影响风力发电机的整体质量、强度和耐用性。
合适的叶片材料可以延长风力发电机的使用寿命。
三、风力发电机的优化方法为了提高风力发电机的性能，有以下几种常见的优化方法：1. 叶片优化：通过改变叶片的形状、结构和材料，来提高叶片捕捉风能的效率和减小阻力，以提高发电效率。
2. 控制系统优化：通过改进风力发电机的控制系统，可以实现更精确的风向和风速控制，提高发电机的稳定性和适应性。
3. 风场规划：选择适合风力发电机布局的地理位置和风场条件，可以最大程度地利用风能资源，提高整体发电能力。
4. 故障检测与维护：建立完善的故障检测和维护体系，及时发现并修复风力发电机的故障，保障其正常工作和延长使用寿命。
2.3 风能的贝茨理论
风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹于1926年建立的。
他假定以下两
个条件成立：
（1）风轮是理想的，也就是说它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风 轮时没有阻力；
（2）气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度位 轴向方向。
设v 为通过风轮截面 S 的实际速度，v1为风轮前方远处的风速，v2为风轮后
方远处的风速。
显然在单位时间内，从风轮前到风轮后气流动能的变化量就是为风轮所吸收并使风轮旋转的风能 E ，即：
)(2
122222122
21
v v v v sv m m E -=-=ρ (2.7) 式中m 为单位时间内流过风轮截面的空气的质量，m =sv ρ。
风轮在单位时间内所接受的动能也可用风作用在风轮上的力与风轮截面处的风速之乘积来表示，即：
Fv E = (2.8) 由式(2.7)和(2.8)可得：
)(2
12221v v A F -=ρ (2.9) 根据流体的动量方程，风作用在风轮上的力等于单位时间内通过风轮旋转面的气流动量的变化，即：
)(2121v v v v A m m F -=-=ρ (2.10)
由式(2.9)和(2.10)可得：
22
1v v v += (2.11)
将式(2.11)代入式(2.7)，可得：
))((4
1222121v v v v A E -+=ρ (2.12) 通常是v 1已知的，所以 E 可以看成是v 2 的函数，求其导数。
风力机的基本参数与理论风力发电机风轮系统2.1.1风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。
下面是翼型的几何参数图1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。
2）弦线、弦长连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c 表示。
弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。
3）最大弯度、最大弯度位置中弧线在y 坐标最大值称为最大弯度，用f 表示，简称弯度；最大弯度点的x 坐标称为最大弯度位置，用x f 表示。
4）最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y 坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t 表示；最大厚度点的x 坐标称为最大厚度位置，用x t 表示。
5）前缘半径翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1 表示。
6）后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用T表示。
7）中弧线翼型内切圆圆心的连线。
对称翼型的中弧线与翼弦重合。
8）上翼面凸出的翼型表面。
9）下翼面平缓的翼型表面。
（2）风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。
下图是一个四叶片的H 型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。
根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%十算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%十算所需扫风面积约为56吊,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m即可。
风力发电机的气动学与发电机理风力发电一直以来都是可再生能源中的主要代表之一。
通过利用风能将风转化为电能，风力发电机能够为我们提供清洁、环保的电力供应。
然而，要了解风力发电机的气动学与发电机理，我们需要先了解风的本质和风力发电机的结构。
风是大气运动的结果。
地球上的风是由于太阳能不均匀地加热地表所引起的。
由于地表的不同材质和不同高度，太阳辐射产生的热量受到了不同程度的吸收和释放。
这种热量差异导致了气压的差异，从而形成了风。
风力发电机的结构通常包括风轮、发电机和塔架。
其中，风轮是风力发电机的核心部件，起着将风能转化为机械能的作用。
风轮由多个叶片组成，其形状和数量可以根据实际需要进行设计和调整。
当风经过叶片时，由于受到叶片的阻力，风的动能被转化为叶片的旋转动能。
风轮连接着发电机，形成了一个整体系统。
发电机是将叶片旋转的机械能转化为电能的关键部件。
通常，发电机采用的是感应发电机，原理类似于自行车上的动力发电机。
当风轮转动时，转子中的导体与磁场相互作用，产生感应电流，从而产生电能。
风力发电机的关键在于如何充分利用风能。
由于风是一种变化的自然资源，风力发电机需要具备较高的适应性和灵活性。
为了提高发电效率，风力发电机需要根据不同的风速和风向做出相应的调整。
例如，当风速较小时，风力发电机的叶片倾斜角度会随之增大，以便更好地捕捉到风能。
而当风速较大时，风力发电机的叶片倾斜角度会减小，以防止叶片因风速过大而受损。
另外，风力发电机的气动学也是一个重要的研究领域。
气动学是研究气体在流动过程中产生的压力、速度和温度等物理量变化的学科。
在风力发电机中，气动学的研究可以帮助我们更好地理解风的行为和风力发电机的工作原理。
通过建立气流模型和风力风洞实验，我们可以预测和优化风力发电机的运行性能。
然而，要充分发挥风力发电机的潜力，我们还需要解决一些挑战和问题。
首先，风力发电机的效率仍有待提高。
当前，风力发电机的转换效率一般在30%到40%之间，仍然存在一定的损耗。
风电发电机组的气动设计随着全球对环境保护的需求不断增强，风电等可再生能源的开发成为了全球能源领域的热门话题。
而其中最重要的组成部分之一就是风力发电机组。
对于风力发电机组的气动设计来说，其实质就是通过对风力机叶片进行最优化的设计，以最大程度地提高发电机组的效率和可靠性。
风电发电机组的气动设计中，最重要的部分就是风力机叶片的设计。
风力机叶片是将风能转化成机械能的关键部件，通常采用复合材料进行制造。
在设计过程中，需要对叶片的形状、材料和构造进行优化，以达到最佳的效果。
其中，叶片翼型的选择是最为重要的一个因素。
不同的翼型对应不同的气动性能，在选择时需要考虑风力机运行时的空气密度、温度和湍流状况等环境因素。
在选择翼型之后，需要进行叶片外形的设计，使其能够尽可能地捕捉风能，并将其转化为旋转能量。
在设计过程中，通常还需要考虑到叶片的刚度、损伤和颤振等问题，以确保叶片在极端环境下的安全可靠性。
另外，在风电发电机组的气动设计中还需要考虑风力机的桨尖速度比。
桨尖速度比是指风力机叶尖的旋转速度与风速之比。
桨尖速度比越高，风力机的效率也就越高，但同时也会导致噪声和振动等问题。
因此，在气动设计过程中需要对桨尖速度比进行最优化的设计，以达到最佳的发电效果。
除了叶片设计和桨尖速度比以外，气动设计还需要考虑到风力机的桨叶数、叶片倾角、叶片长度和舵角等因素。
这些因素与叶片的气动特性密切相关，因此需要在设计过程中进行综合考虑，以达到最优的效果。
最后，气动设计还需要考虑到风力机的实际运行环境。
由于风力机的运行环境往往是恶劣的，因此在设计时需要考虑到风速、气温、气压等因素的变化对风力机性能的影响。
同时，还需要对风力机的防雷、防腐和防冻等措施进行充分的考虑，以确保风力机能够在极端环境下保持高效、稳定的运行状态。
总之，气动设计是风电发电机组设计中最为关键的部分之一。
通过对风力机叶片的最优化设计，以及对桨尖速度比、舵角等因素的综合考虑，可以最大程度地提高风力机的效率和可靠性，从而为风能发电提供更为可靠的动力保障。
