5.第四章 風(fēng)力機原理(1)

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1、第一節(jié) 水平軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu) 一、風(fēng)輪葉片 葉片具有空氣動力形狀，是接受風(fēng)能使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的主要構(gòu)件。風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪葉片一般為2片或3片，３片占多數(shù)。 當(dāng)風(fēng)輪葉片幾何外形相同時，兩葉片風(fēng)輪與三葉片風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)基本相同,但兩葉片葉片風(fēng)輪對應(yīng)最大風(fēng)能利用系數(shù)的轉(zhuǎn)速較高. 當(dāng)風(fēng)輪直徑和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速相同時，作用在兩葉片風(fēng)輪的脈動載荷大于三葉片風(fēng)輪。實際上，兩葉片風(fēng)輪要比三葉片風(fēng)輪轉(zhuǎn)速高，因此，在相同風(fēng)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(fēng)輪轉(zhuǎn)速高，空氣動力噪聲大. 從景觀上考慮,三葉片風(fēng)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(fēng)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?zhǔn)絻煞N。 1、固定式輪轂 三葉風(fēng)機大多采用固定式輪轂。 2、鉸鏈?zhǔn)捷嗇? 鉸鏈?zhǔn)捷嗇灣Ｓ糜趩稳~片和二葉片風(fēng)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(fēng)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(fēng)輪回轉(zhuǎn)軸線的最遠(yuǎn)點稱為葉尖. （２）葉片投影面積 葉片在風(fēng)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(dāng)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(biāo)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(dāng)風(fēng)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(fēng)功率密度進行分析，，即相當(dāng)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?？梢娪幸欢沃本€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(dāng)攻角增大到時，達(dá)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(dāng)失速時，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率顯著減小。定槳距風(fēng)力發(fā)電機靠失速在大風(fēng)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(biāo),為縱坐標(biāo)，將對應(yīng)于每個攻角，有確定的、，將點(，）繪制在坐標(biāo)圖上，并在旁邊標(biāo)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(fēng)力發(fā)電機的最佳運行狀態(tài)。 第三節(jié)　風(fēng)輪的空氣動力特性 1、風(fēng)輪的幾何定義和參數(shù) 1）風(fēng)輪直徑：葉尖旋轉(zhuǎn)圓的直徑,用D表示。 ２）風(fēng)輪掃掠面：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時,葉片的回轉(zhuǎn)面積。 3）風(fēng)輪偏角:風(fēng)輪軸線與氣流方向的夾角在水平面的的投影。 4)風(fēng)輪錐角:風(fēng)輪葉片與垂直與軸線的平面的夾角. ５)風(fēng)輪仰角：風(fēng)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(fēng)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(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速：輸出額定功率時風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。 8）風(fēng)輪最高轉(zhuǎn)速:風(fēng)力機處于正常狀態(tài)下(空載或負(fù)載），風(fēng)輪允許的最大轉(zhuǎn)速。 9）風(fēng)輪實度：風(fēng)輪葉片投影面積的總和與風(fēng)輪掃掠面積的比值。 1０）葉尖速比：葉尖切向速度與風(fēng)輪前的風(fēng)速之比,用表示。 2、作用在風(fēng)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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，葉素掃掠出一個圓環(huán)。 令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度為，上游無窮遠(yuǎn)處的風(fēng)速為。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時,如果在風(fēng)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(fēng)輪對空氣的反作

11、用力，使得空氣向風(fēng)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(yuǎn)處的風(fēng)到達(dá)風(fēng)輪前，由于受到風(fēng)輪阻擋而減速，實際到達(dá)風(fēng)輪的速度為，為軸向氣流誘導(dǎo)因子。葉素上風(fēng)速與受力如下圖： 葉素上的合成風(fēng)速 　 　　 　 　 （４-４） 合成風(fēng)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(fēng)速 　 　 　 　 　　 　 　　 　 　　 ?。?-8) 葉素上的阻力,平行與合成風(fēng)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(fēng)力機能從風(fēng)中汲取的最大功率問題。 基本風(fēng)輪是理想的： 1）風(fēng)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(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)時不受摩擦阻力,

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

14、-空氣密度; ——橫截面面積。 風(fēng)輪使得氣流速度發(fā)生變化,風(fēng)輪處的風(fēng)速 　 　 　 　 　　 　　　 　 (4—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(fēng)輪作用力的反作用力。氣流對風(fēng)輪作用力由風(fēng)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(fēng)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(fēng)輪后有： 　 　　 　 　 　 　(4—２0） 上兩式相減得： 　 　 　 　　 　 　(４－21） 將（4—21）代入（４-17）得 　　 （4—２2） 整理得 　

16、　 　 　 　 　　 　 ?。?-23） (4－23）表達(dá)了在風(fēng)輪后靜壓力等于風(fēng)輪前無窮遠(yuǎn)處靜壓力的地方風(fēng)速與風(fēng)輪前無窮遠(yuǎn)處風(fēng)速的關(guān)系。 由（4-13)和(4-23)還可推得: 風(fēng)輪吸收的功率等于到達(dá)風(fēng)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(fēng)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(dāng)時,風(fēng)輪汲取功率為最大 定義風(fēng)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(fēng)功率利用系數(shù) 　 （4-2９) 這個值稱為貝茲極限. 當(dāng)時，,. 18 / 18