5.第四章 風(fēng)力機(jī)原理(1)

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1、第一節(jié) 水平軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu) 一、風(fēng)輪葉片 葉片具有空氣動(dòng)力形狀,是接受風(fēng)能使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料、木材、鋼、鋁等。 目前,水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí),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(duì)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(shí),作用在兩葉片風(fēng)輪的脈動(dòng)載荷大于三葉片風(fēng)輪。實(shí)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(shí),由脈動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)。 揮舞鉸鏈輪轂:兩葉片固定連接,相對(duì)位置不變,但可繞鉸鏈軸沿風(fēng)輪俯仰方向相對(duì)中間位置作±(5-10°)的擺動(dòng)(揮舞,類似蹺蹺板)。 揮舞、擺振鉸鏈輪轂:每個(gè)葉片互不依賴,不僅可單獨(dú)作俯仰方向的擺動(dòng),也可單獨(dú)作旋轉(zhuǎn)方向的擺振。 第二節(jié) 葉片的空氣動(dòng)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(diǎn)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(zhǎng)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(lái)的光滑曲線(圖中虛線)。 2)前緣:翼型中弧線的最前點(diǎn)(A點(diǎn))。 3)后緣:翼型中弧線的最后點(diǎn)(B點(diǎn))。 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(zhǎng)度的比值。 6)氣動(dòng)弦線:通過(guò)后緣使翼型升力為零的直線。氣流與氣動(dòng)弦線平行時(shí),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(zhǎng)度。其最大值為,通常用來(lái)表示翼型的厚度。最大厚度點(diǎn)到前緣的距離用表示,其相對(duì)值為。 8)相對(duì)厚度:厚度的最大值與幾何弦長(zhǎng)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(duì)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(dòng)力 先定性地考察一番飛機(jī)

5、機(jī)翼附近的流線。當(dāng)機(jī)翼相對(duì)氣流保持圖示的方向與方位時(shí),在機(jī)翼上下面流線簇的疏密程度是不盡相同的。 根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)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(dòng)壓力=恒定值 考察翼型剖面氣體流動(dòng)的情況: ① 上翼面突出,流場(chǎng)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(lái)的大氣壓,即: P3 ≈ P1。 結(jié)論

6、: 由于機(jī)翼上下表面所受的壓力差,使得機(jī)翼得到向上的作用力—-升力。 當(dāng)風(fēng)流經(jīng)翼型時(shí),不僅會(huì)受到上述升力,還會(huì)受到氣流對(duì)它的推力,這樣,葉片翼型將受到一個(gè)合力。在垂直于來(lái)流方向的分量稱為升力,而在平行于來(lái)流方向的分量稱為阻力.合力對(duì)于前緣點(diǎn)的力矩,稱為氣動(dòng)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(dòng)俯仰力矩表示為               (4—3) 式中 ——空氣的

7、密度,單位;    —-相對(duì)速度,單位;   —-幾何弦長(zhǎng),單位;   -—升力系數(shù),無(wú)量綱;    -—阻力系數(shù),無(wú)量綱; ——俯仰力矩系數(shù),無(wú)量綱;    ——翼型在葉片長(zhǎng)度方向上的長(zhǎng)度。 (其中的意義,對(duì)風(fēng)功率密度進(jìn)行分析,,即相當(dāng)于推動(dòng)空氣流動(dòng)的力) 對(duì)于一個(gè)特定的功角,翼型上總對(duì)應(yīng)地有一點(diǎn)(上圖中C點(diǎn)),空氣動(dòng)力對(duì)這個(gè)點(diǎn)的力矩為零,將該點(diǎn)稱為壓力中心點(diǎn)。空氣動(dòng)力在翼型上的作用力可由單獨(dú)作用于該點(diǎn)的升力和阻力來(lái)表示和分析計(jì)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(shí)際運(yùn)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(shí)略有向下彎曲.當(dāng)攻角增大到時(shí),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(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率顯著減小。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)靠失速在大風(fēng)時(shí)使發(fā)電功率不超過(guò)額定值. 阻力系數(shù)在攻角不大時(shí)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(duì)應(yīng)于每個(gè)攻角,有確定的、,將點(diǎn)(,)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(shí),升力系數(shù)與阻力系數(shù)的關(guān)系。如下圖: 從極曲線原點(diǎn)到曲線上任何

9、一點(diǎn)的矢徑表示了對(duì)應(yīng)攻角下總氣動(dòng)力系數(shù)的大小和方向。該矢徑的斜率為對(duì)應(yīng)攻角下升力和阻力之比,稱為升阻比,又稱氣動(dòng)力效率. 過(guò)原點(diǎn)做極曲線的切線,原點(diǎn)與切點(diǎn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。 第三節(jié) 風(fēng)輪的空氣動(dòng)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(shí),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(shí)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。 8)風(fēng)輪最高轉(zhuǎn)速:風(fēng)力機(jī)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(shí)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(dòng)力 在葉片的徑向處,取長(zhǎng)度為的微元,稱為葉素,如下圖。在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí),葉素掃掠出一個(gè)圓環(huán)。 令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度為,上游無(wú)窮遠(yuǎn)處的風(fēng)速為。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí),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(duì)運(yùn)動(dòng),實(shí)踐上由于風(fēng)輪對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度,為切向氣流誘導(dǎo)因子.上游無(wú)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(shí)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(jī)能從風(fēng)中汲取的最大功率問(wèn)題。 基本風(fēng)輪是理想的: 1)風(fēng)輪簡(jiǎn)化為一個(gè)平面槳盤,葉片數(shù)無(wú)窮多。平面槳盤稱為致動(dòng)盤。 2)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)采能簡(jiǎn)化為單元流管模型. 4)風(fēng)輪前未受擾動(dòng)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(guò)程用下圖表示: ——風(fēng)輪前無(wú)窮遠(yuǎn)處的風(fēng)速; ——風(fēng)輪前無(wú)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(dòng)量定律           (4-15) -—?dú)饬魉艿降淖饔昧Α? 氣流所受到的作用力是氣流對(duì)風(fēng)輪作用力的反作用力。氣流對(duì)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(duì)于重力場(chǎng)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(qiáng)、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、              (4-23) (4-23)表達(dá)了在風(fēng)輪后靜壓力等于風(fēng)輪前無(wú)窮遠(yuǎn)處?kù)o壓力的地方風(fēng)速與風(fēng)輪前無(wú)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(shí)間內(nèi)動(dòng)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(duì)(4-25)式求對(duì)的導(dǎo)數(shù):          (4-26) 令(4—26)等于0,得解1、,當(dāng)時(shí),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(gè)值稱為貝茲極限. 當(dāng)時(shí),,. 18 / 18

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