第3章 能量轉(zhuǎn)換和傳輸理論

風力發(fā)電原理新能源學院關(guān)新1第3章能量轉(zhuǎn)換和傳輸理論3.1風能捕獲理論23.1風能捕獲理論流體力學的基本方程復習：風能、風功率、風功率密度不可壓縮流體所謂可壓縮性是指在壓力作用下，流體的體積會發(fā)生變化。通常情況下，液體在壓力作用下體積變化很小。對于宏觀的研究，這種變化可以忽略不計。這種在壓力作用下體積變化可以忽略的流體稱為不可壓縮流體。2024/5/733.1風能捕獲理論流體力學的基本方程流體黏性流體運動時，如果相鄰兩層流體的運動速度不同，在它們的界面上會產(chǎn)生切應力。速度快的流層對速度慢的流層產(chǎn)生拖動力，速度慢的流層對速度快的流層產(chǎn)生阻力。這個切應力叫做流體的內(nèi)摩擦力，或黏性切應力2024/5/743.1風能捕獲理論流體力學的基本方程阻力在流動空氣中的物體都會受到相對于空氣運動所受的逆物體運動方向或沿空氣來流速度方向的氣體動力的分力，這個力稱為流動阻力。2024/5/753.1風能捕獲理論流體力學的基本方程層流與湍流層流流動是指流體微團（質(zhì)點）互不摻混、運動軌跡有條不紊地流動形態(tài)。湍流流動是指流體的微團（質(zhì)點）做不規(guī)則運動、互相混摻、軌跡曲折混亂的形態(tài)。2024/5/763.1風能捕獲理論流體力學的基本方程雷諾數(shù)式中，

為雷諾數(shù)；

為流動速度，m/s；

為與流動有關(guān)的長度，m；

為動力黏性系數(shù)，N·s/m2；

為密度，kg/m3；

為運動黏性系數(shù)，m2/s2024/5/773.1風能捕獲理論流體力學的基本方程邊界層邊界層是流體高雷諾數(shù)流過壁面時，在緊貼壁面的黏性力不可忽略的流動薄層，又稱為流動邊界層或附面層2024/5/783.1風能捕獲理論流體力學的基本方程伯努利方程式中，

為流體的密度；v為流體的速度；p為流體壓力；g為重力加速度；z為流體在流動過程中高度。伯努利方程是流體的機械能守恒方程。2024/5/793.1風能捕獲理論流體力學的基本方程升力放在氣流中的翼型，前緣對著氣流向上斜放的平板以及在氣流中旋轉(zhuǎn)的圓柱或圓球（例如高爾夫球）都會有一個垂直于氣流運動方向的力，這個力稱為升力2024/5/7103.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型貝茲理論的建立如下假定風輪葉片無限多，是一個圓盤，軸向力沿圓盤均勻分布且圓盤上沒有摩擦力氣流是不可壓縮的且是水平均勻定常流，風輪尾流不旋轉(zhuǎn)風輪前后遠方氣流靜壓相等這時的風輪稱為“理想風輪”。2024/5/7113.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型貝茲理論2024/5/7123.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型貝茲理論質(zhì)量守恒歐拉定理（動量定理）風輪吸收額功率為動能定理2024/5/7133.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型貝茲理論能量守恒2024/5/7143.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型貝茲理論求P的最大值當則2024/5/7153.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型貝茲理論理論最大效率（理論風能利用系數(shù)）風力機實際吸收的有用功率為2024/5/7163.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論渦流理論忽略葉片翼型阻力和葉梢損失的影響。忽略有限葉片數(shù)對氣流的周期性影響。葉片各個徑向環(huán)斷面之間相互獨立。2024/5/7173.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論渦流理論2024/5/7183.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論渦流理論中心渦。集中在輪轂轉(zhuǎn)軸上。附著渦。每個葉片的邊界渦。螺旋渦（自由渦）。每個葉片尖部形成的螺旋渦風輪半徑r處的切向速度為2024/5/7193.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論葉素理論1889年，RichardFroude提出葉素理論作用：從葉素附近流動來分析葉片上的受力和功能交換葉素：風輪葉片在風輪任意半徑r處的一個基本單元，它是由r處翼型剖面延伸一小段厚度dr而形成2024/5/7203.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論葉素理論2024/5/7213.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論葉素理論假設葉片分割成無限多個葉素，每個葉素厚度無限小，葉素為二元翼型葉素都是獨立，之間不存在相互作用，通過各葉素氣流不相互干擾忽略葉片長度的影響2024/5/7223.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論葉素理論葉素剖面和氣流角、受力關(guān)系2024/5/7233.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論葉素理論：葉素剖面和氣流角、受力關(guān)系升力阻力合速度2024/5/7243.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論葉素理論：葉素剖面和氣流角、受力關(guān)系進一步計算的其中2024/5/7253.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論葉素理論：葉素剖面和氣流角、受力關(guān)系周推力轉(zhuǎn)矩2024/5/7263.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論葉素理論：葉素剖面和氣流角、受力關(guān)系周推力轉(zhuǎn)矩2024/5/7273.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論動量理論2024/5/7283.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論動量—葉素理論動量—葉素理論結(jié)合了動量和葉素理論，計算出風輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向干擾系數(shù)a和周向干擾系數(shù)b2024/5/7293.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論葉片梢部損失和根部損失修正當氣流繞風輪葉片剖面流動時，剖面上下表面產(chǎn)生壓力差，則在風輪葉片的梢部和根部處產(chǎn)生繞流。這就意味著在葉片的梢部和根部的環(huán)量減少，從而導致轉(zhuǎn)矩減小，必然影響到風輪性能。式中，F(xiàn)為梢部根部損失修正因子；Ft為梢部損失修正因子；Fr為根部損失修正因子2024/5/7303.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論塔影效應所謂塔影效應是指葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，當葉片經(jīng)過塔筒位置處時，加速葉片與塔筒之間的空氣運動速度，致使葉片翼型上下表面出現(xiàn)壓力差，而導致葉片向塔筒側(cè)彎曲2024/5/7313.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論偏斜氣流修正式中，as為修正后的軸向誘導因子；r為當?shù)厝~素半徑，R為風輪半徑；

為尾渦偏斜角；γ為氣流偏斜角，

為風輪偏航角（相對于下風向氣流方向為0度）。2024/5/7323.1風能捕獲理論風力機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型經(jīng)典理論風剪切2024/5/7333.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性翼型的幾何定義2024/5/7343.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性翼型的幾何定義翼的上表面：翼弦上面的弧面。翼的下表面：翼弦下面的弧面。中弧線：翼型內(nèi)切圓圓心的連線為中弧線，也可將垂直于弦線度量的上下表面間距離的中間點稱為中弧線，對稱翼型的中弧線與翼弦重合翼的前緣：翼的前部A為圓頭，翼型中弧線的最前點成為翼型前緣。2024/5/7353.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性翼型的幾何定義翼的后緣；翼的尾部B為尖型，翼型中弧線的最后點成為翼型后緣。翼弦：連接翼的前緣A與后緣B的直線稱為翼的弦，AB的長是翼的弦長C平均幾何弦長：葉片投影面積與葉片長度的比值氣動弦長：通過后緣的直線，合成氣流方向與其平行的弦線（升力為零）2024/5/7363.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性翼型的幾何定義葉片扭矩：葉片根部幾何弦與根部幾何弦夾角的絕對值前緣半徑：翼型前緣處內(nèi)切圓的半徑稱為翼型前緣半徑，前緣半徑與弦長的比值稱為相對前緣半徑后緣角：位于翼型后緣處，上下兩弧線之間的夾角稱為翼型后緣角2024/5/7373.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性翼型的幾何定義翼展：葉片旋轉(zhuǎn)直徑，即風輪轉(zhuǎn)動直徑葉片安裝角：葉根確定位置處翼型幾何弦與葉片旋轉(zhuǎn)平面的夾角槳距角：風輪旋轉(zhuǎn)平面與葉片各剖面的翼弦所成的角，又稱扭轉(zhuǎn)角，在扭曲葉片中，沿翼展方向不同位置葉片的安裝角各不相同。攻角：翼型上合成氣流方向與翼型幾何弦的夾角，又稱迎角，用表示。2024/5/7383.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性翼型的幾何定義展弦比：翼展的平方與翼的投影面積Ay之比，即風輪半徑的平方與葉片投影面積之比來流角：旋轉(zhuǎn)平面與相對風速所成的角厚度：幾何弦上各點垂直于幾何弦的直線被翼型周線所截取的長度，用表示。最大厚度就是厚度最大值，通常以它作為翼型厚度的代表。最大厚點離前緣的距離用表示，通常采用其相對值。2024/5/7393.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性翼型的幾何定義相對厚度：厚度的最大值與幾何弦長的比值（）它通常的取值范圍為3％~20％，最常用的是（10％~15％）彎度與彎度分布。翼型中弧線和翼弦間的高度稱為翼型的彎度，弧高沿翼弦的變化稱為彎度分布，如圖3.13所示，以表示2024/5/7403.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性作用在葉片上的空氣動力2024/5/7413.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性作用在葉片上的空氣動力翼型上的升力為翼型上的阻力為氣動俯仰力矩為2024/5/7423.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性作用在葉片上的空氣動力2024/5/7433.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性作用在葉片上的空氣動力在實用范圍內(nèi)，基本上成一直線，但在較大攻角時，略向下彎曲。當攻角增大到

時，

達到其最大值

，其后則突然下降，這一現(xiàn)象稱為失速。2024/5/7443.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性作用在葉片上的空氣動力在某一攻角下的升力與阻力之比，簡稱升阻比，又稱氣動力效率2024/5/7453.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性風力機風輪的空氣動力特性風輪直徑：葉尖旋轉(zhuǎn)圓的直徑，用D表示。風輪掃掠面積：風輪旋轉(zhuǎn)時，葉片的回轉(zhuǎn)面積風輪偏角：風輪軸線與氣流方向的夾角在水平面的投影風輪額定轉(zhuǎn)速：輸出額定功率時，風輪的轉(zhuǎn)速風輪最高轉(zhuǎn)速：風力機處于正常狀態(tài)下（空載或負載），風輪允許的最大轉(zhuǎn)速值。2024/5/7463.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性風力機風輪的空氣動力特性風輪實度：風輪葉片投影面積的總和與風輪掃掠面積的比值。葉尖速比：葉尖切向速度與風輪前的風速只比，用λ表示。槳距角：在指定的徑向位置葉片幾何弦線與風輪旋轉(zhuǎn)面間的夾角。風輪錐角：風輪錐角是葉片與旋轉(zhuǎn)軸垂直平面的夾角2024/5/7473.1風能捕獲理論風力機葉片的空氣動力特性風力機風輪的空氣動力特性風輪仰角：風輪仰角是風輪旋轉(zhuǎn)軸與水平面的夾角。仰角的作用是防止葉片梢部與塔架碰撞2024/5/7483.2能量傳遞理論彈性力學基本方程平衡微分方程：位移的變化幾何方程：位移與應變的關(guān)系物理方程：應力及應變的大小傳動鏈數(shù)學模型剛性模型柔性模型2024/5/749習題請推導出貝茲理論，并說明推導的前提條件為什么？寫出并牢記翼的上表面、翼的下表面、中弧線、翼的前緣、翼的后緣、翼弦、平均幾何弦長、氣動弦長、葉片扭矩、前緣半徑、后緣角、翼展、葉片安裝角、槳距角、攻角、展弦比、來流角、厚度、相對厚度、和彎度與彎度分布的概念。2024/5/750習題