风力机翼型转捩与失速特性的数值计算
叶片翼型,失速,升力计算
叶片的空气动力学基础 鹏芃 在风力机基础知识一节中介绍过叶片的升力与阻力基本知识，本节将进一步介绍相关理论知识。在风力础知识一节中已作介绍的不再重复，仅介绍有关内容的提高部分。 常用叶片的翼型 下面是一幅常见翼型的几何参数图，该翼型的中弧线是一条向上弯曲的弧线，称这种翼型为不对称翼型弯度翼型。 当弯度等于0时，中弧线与弦线重合，称这种翼型为对称翼型，下图为一个对称翼型。
下图是一个性能较好的低阻翼型，是带弯度翼型，在水平轴风力机中应用较多。 带弯度翼型的升力与失速 下面为一个低阻翼型的气流动力图，翼型弦线与气流方向的夹角（攻角）为α，正常运行时气流附着翼面流过，靠近翼型上方的气流速度比下面的气流速度快，根据流体力学的伯努利原理，翼型受到一个上力Fl，当然翼型也会受到气流的阻力Fd。
这是正常的工作状态，有较大的升力且阻力很小。但翼型并不是在任何情况下都能产生大的升力。如果大到一定程度，气体将不再附着翼型表面流过，在翼型上方气流会发生分离，翼型前缘后方会产生涡致阻力急剧上升升力下降，这种情况称为失速。见下图 翼型什么时候开始失速，下面是这种翼型的升力系数与阻力系数随攻角的变化曲线参考图，图中绿色的力曲线、棕色的是阻力曲线。在曲线中可看出，攻角α在11度以下时升力随α增大而增大，当攻角α大
度时进入失速状态，升力骤然下降，阻力大幅上升，在α等于45度时升力与阻力基本相等。翼型开始失攻角α的值称为失速角。 大多数有弯度的薄翼型与该曲线所示特性相近。在曲线图中看出翼型在攻角为0时依然有升力，这是因使攻角为0，翼型上方气流速度仍比下方快，故有升力，当攻角为一负值时，升力才为0，此时的攻角称升攻角或绝对零攻角。 翼型在失速前阻力是很小的，在近似计算中可忽略不计。 当攻角为0时，有弯度的翼型的压力中心在翼型的中部，随着攻角的增加（不大于失速角）压力中心向动到1/4弦长位置。
翼型理论
第十二章机翼理论课堂提问：雁群迁徙时为什么呈”人字形”飞行? 机翼理论：研究支持飞机升空,水翼船飞腾的机翼理论。 在航空，舰船等工程上应用最多，舵、螺旋桨，减摇鳍、水翼、扫雷展开器，研究船舶的操纵性时可以把船体的水下部分看作是一个机翼（短翼）。此外在风扇，鼓风机，压缩机，水上运动器械如帆板，脚蹼等都与机翼理论有关。 本章内容： 1.几何特性 2. 流体动力特性 3.有限翼展机翼（三元机翼） 本章重点： 1. 机翼几何特性。 2. 机翼几何特性对流体动力特性的影响。 3. 下洗速度形成的概念及计算，自由涡、附着涡形成的概念。 4．升力线理论的概念。 5. 诱导阻力的概念，诱导阻力的计算。 6. 展弦比换算的思路及计算。 本章难点： 1. 机翼几何特性对流体动力特性的影响。 2. 升力线理论的概念。 3. 展弦比换算。 §１２-１机翼的几何特性 一、翼型（profile） 翼剖面的重要参数： 中线（center line），翼弦（chord）b，拱度（camber）f，相对拱度f/b，展长l，厚度t，相对厚度 t/b，（thicheness），攻角（angle of attach）α，翼型面积S，展弦比 等。根据工程应用的需要， 机翼的平面形状多样。
展弦比 2 l S λ= 对于矩形机翼S lb =, 所以 2l l lb b λ= = 无限翼展机翼：12λ=∞ 短翼：?<2， 大展弦比机翼：λ?2 船用舵0.5 1.5λ=， 水翼57λ= 战斗机24λ=，轰炸 机712λ =，风洞试验一般采用标 准机翼56λ =。 机翼的攻角又分为： 几何攻角?：来流速度0U 与弦线之间的夹角。 基本形状： 后缘总是尖的（产生环量） 圆前缘：减小形状阻力 尖前缘：减小压缩性所引起的激波阻力或自由 表面所引起的兴波阻力 翼型： 几种常见的翼型 ＮＡＣＡ翼型（美国国家航空咨询委员会（National Advisori committee for Aeronautics ，简称NACA ）设计发表的） 目前在舰船的舵、螺旋桨上用得较多的是NACA 翼型系列。 NACA 四组翼型: １）NACA 四位数字翼型 ) ()] 2)21[() 1() ()2(22 2f f f f f f f f f x x x x x x x f y x x x x x x f y >-+--=≤-?== (12-2) 该翼型系列的厚度表达式为 4325075.04215.17580.16300.08485.1(x x x x x t y t -+--= (12-3) 翼型系列的30=t x % ，40 %,前缘半径,1019.12t r =前。翼型系列有九种相对厚度：6%， 8%， 9%， 10% 12%， 15%， 18%， 21%， 24%；有三种相对拱度：0， 1%， 2%。
风力机设计原理
第二章风力机设计理论 2.1 翼型基本知识 翼型几何参数： 如图所示在风轮半径:处取一宽度为dr的叶素，翼型的气动性能直接与翼型外形有关。通常，翼型外形由下列几何参数确定: (l)翼的前缘: 翼的前头A为一圆头; (2)翼的后缘: 翼的尾部B为尖型; (3)翼弦:翼的前缘左与后缘B的连线称翼的弦，左B的长是翼的弦长 (4)翼的上表面: 翼弦上面的弧面; (5)翼的下表面: 翼弦下面的弧面; (6)翼的最大厚度h: 翼上表面与下表面相对应的最大距离; (7)叶片安装角e: 风轮旋转平面与翼弦所成的角; (8)迎角(攻角)a: 翼弦与相对风速所成的角度; (9)入流角功: 旋转平面与相对风速所成的角。
2.2叶片设计的空气动力学理论 2.2.1贝茨理论 世界上第一个关于风力发电机叶轮叶片接受风能的完整理论是1919年由德国的贝茨(Bee)建立的。贝茨理论的建立，是假定叶轮是“理想”的：全部接受风能(没有轮毂)，叶片无限多；对空气流没有阻力；空气流是连续的、不可压缩的；叶片扫掠面上的气流是均匀的；气流速度的方向不论在叶片前或叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称平行叶轮轴线的)，这时的叶轮称“理想叶轮”。其计算简图如图。
V1——距离风力机一定距离的上游风速； V ——通过风轮时的实际风速； V2——离风轮远处的下游风速。 风力贝茨理论计算模型： 风作用在风轮上的力可由Euler 理论(欧拉定理) )(12V V SV F -=ρ 风轮所接受的功率为: )(122V V SV FV P -==ρ 经过风轮叶片的风的动能转化: )(2 12221V V SV T -=?ρ 由2和3式得到 221V V V += 因此风作用在风轮叶片上的力F 和风轮输出的功率P 分别为 )(2 1 2221V V S F -=ρ
翼型理论
第十二章机翼理论 课堂提问：雁群迁徙时为什么呈”人字形”飞行? 机翼理论：研究支持飞机升空,水翼船飞腾的机翼理论。 在航空，舰船等工程上应用最多，舵、螺旋桨，减摇鳍、水翼、扫雷展开器，研究船舶的操纵性时可以把船体的水下部分看作是一个机翼（短翼）。此外在风扇，鼓风机，压缩机，水上运动器械如帆板，脚蹼等都与机翼理论有关。 本章内容： 1. 几何特性 2. 流体动力特性 3. 有限翼展机翼（三元机翼） 本章重点： 1. 机翼几何特性。 2. 机翼几何特性对流体动力特性的影响。 3. 下洗速度形成的概念及计算，自由涡、附着涡形成的概念。 4．升力线理论的概念。 5. 诱导阻力的概念，诱导阻力的计算。 6. 展弦比换算的思路及计算。 本章难点： 1. 机翼几何特性对流体动力特性的影响。 2. 升力线理论的概念。 3. 展弦比换算。 §１２-１机翼的几何特性 一、翼型（profile） 翼剖面的重要参数： 中线（center line），翼弦（chord）b，拱度（camber）f，相对拱度f/b，展长l，厚度t，相 对厚度t/b，（thicheness），攻角（angle of attach）α，翼型面积S，展弦比λ等。根据 工程应用的需要，机翼的平面形状多样。 展弦比 2 l S λ=
对于矩形机翼S lb =, 所以 2l l lb b λ= = 无限翼展机翼：12λ=∞: 短翼：?<2， 大展弦比机翼：λ?2 船用舵0.5 1.5λ=:， 水翼57λ=: 战斗机24λ=:，轰炸 机712λ =:，风洞试验一般采用标 准机翼56λ =:。 机翼的攻角又分为： 几何攻角?：来流速度0U 与弦线之间的夹角。 基本形状： 后缘总是尖的（产生环量） 圆前缘：减小形状阻力 尖前缘：减小压缩性所引起的激波阻力或自由 表面所引起的兴波阻力 翼型：几种常见的翼型 ＮＡＣＡ翼型（美国国家航空咨询委员会（National Advisori committee for Aeronautics ，简称NACA ）设计发表的） 目前在舰船的舵、螺旋桨上用得较多的是NACA 翼型系列。 NACA 四组翼型: １）NACA 四位数字翼型 ) ()] 2)21[() 1() ()2(222f f f f f f f f f x x x x x x x f y x x x x x x f y >-+--=≤-?== (12-2) 该翼型系列的厚度表达式为 4325075.04215.17580.16300.08485.1(x x x x x t y t -+--= (12-3) 翼型系列的30=t x % ，40 %,前缘半径,1019.12t r =前。翼型系列有九种相对厚度：6%， 8%， 9%， 10% 12%， 15%， 18%， 21%， 24%；有三种相对拱度：0， 1%， 2%。 ２）NACA 五位数字翼型 五位数字翼型的厚度分布仍与四位数字翼型相 同，都是（１２-３）式，相对厚度有12%，15%， 18%， 21%， 24%五种; f x 都是15%；设计
风力机空气动力学
第三章风力机气动力学 §3.1 总论 风力机功率的产生依赖于转子和风的相互作用。 风由平均风和附加于上的强烈的湍流脉动合成。 风力机的平均功率输出和平均载荷等主要性能由平均气流的气动力决定。周期性的气动力是疲劳载荷源和风力机峰值载荷的一个因素。周期性的气动力可以由切变风、偏轴风（off-axis winds）、转子旋转、由空气紊流和动力学影响诱发的随机脉动力引起。 本章首先关注的是稳态运行的空气动力学现象，关于非稳态空气动力学的复杂现象将在本章结尾简要介绍。 本章为读者提供理解翼型产生功率的背景，以计算一个优化的叶片形状作为设计叶片的起点，对已知翼型特性线和叶型的转子分析其气动性能。 本章的大部分内容详细说明了采用古典分析方法分析水平轴风力机。动量理论和基元叶片理论（blade element theory）构成了片条理论（strip theory）或基元叶片动量理论（BEM）。以此计算转子环形截面的特性，然后通过积分就可以获得整个转子的特性。 内容分为：1、理想风力机的分析（Betz极限） 2、翼型的运行和一般气动力概念 3、重点放在水平轴风力机的经典分析方法和一些应用和例子 §3.2 一维动量理论和贝兹极限 控制体积和理想透平如图，气流通过透平只产生压力不连续，并假设 ●气流均匀，不可压缩，定常流 动 ●气流无磨擦阻力 ●透平具有无限多叶片 ●推力均匀作用在转子叶轮旋转 面上
● 尾流无旋转 ● 转子远上游和远下游静压等于无干扰时环境的静压 设T 为风作用于风力机上的力，由动量定理可知，透平对风的作用力为： 4114()()T mU mU m U U ??? =---=- (3.2.2) 对于稳态流动，14()()AU AU m ρρ==，m 是质量流量，这里ρ是空气密度， A 是横截面，U 是空气速度。 此外，还由理想流体伯努利方程可知： 22 11221122 p U p U ρρ+=+ (3.2.3) 22 33441122 p U p U ρρ+=+ (3.2.4) 因为14p p =，且通过透平的前后速度一样（23U U =）。 由实际作用力223()T A p p =- (3.2.5) 利用3.2.3式和3.2.4式求得23()p p -，将其带入3.2.5式，得到： 222141 ()2 T A U U ρ= - (3.2.6) 从式3.2.2和式3.2.6得到推力值，设质量流量是22A U ，得到： 14 22 U U U += (3.2.7) 定义诱导速度（induction factor ）a 为： 12 1 U U a U -= (3.2.8) 21(1)U U a =- (3.2.9) 且 41(12)U U a =-
论风力发电及风力机械特性(新版)
Safety is the goal, prevention is the means, and achieving or realizing the goal of safety is the basic connotation of safety prevention. （安全管理） 单位：___________________ 姓名：___________________ 日期：___________________ 论风力发电及风力机械特性(新 版)
论风力发电及风力机械特性(新版)导语：做好准备和保护，以应付攻击或者避免受害，从而使被保护对象处于没有危险、不受侵害、不出现事故的安全状态。显而易见，安全是目的，防范是手段，通过防范的手段达到或实现安全的目的，就是安全防范的基本内涵。 全球经济增长对能源需求日渐强烈，我国作为人口大国和工业大国，对能源的需求和能源短缺之间的矛盾日渐尖锐，石油市场的竞争耗费了我国大量人力物力，我国为了保证石油供应的稳定付出了巨大的代价。为了缓解能源供应紧张，我国对于可再生能源的重视程度逐渐加大，可再生能源占能源消耗的比例总比例也就见增大。作为清洁能源的重要组成部分，风力发电拥有巨大的发展潜力，是关乎国家能源环境未来的重要技术。本文就风力发电和锋利机械的特性进行简单探索，意在实现对风力机械的精确控制和对风力资源利用率的提高。 风力发电除了具有可再生的优势之外，还具有清洁无污染的特点，对比火力发电和核电，风力发电无排放。在几十年的经济建设中我们犯了很多错误，对环境无节制的利用和破坏导致了大自然的报复，雾霾、沙尘暴等等就是最直接的例子。从地理上研究，我国处于亚热带季风气候，全年大部分地方都有很强的劲风，而且我国幅员辽阔，有着大面积的丘陵和平原，对于风力发电需要的大面积风车群提供了广
什么是失速及其原因
什么是失速？失速的原因是什么？ 风机处于正常工况时，冲角很小（气流方向与叶片叶弦的夹角即为冲角），气流绕过机翼型叶片而保持流线状态，当气流与叶片进口形成正冲角，即α>0，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况开始恶化，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区，即所谓“失速”现象。冲角大于临界值越多，失速现象越严重，流体的流动阻力越大，使叶道阻塞，同时风机风压也随之迅速降低。 风机的叶片在加工及安装过程中，由于各种原因使叶片不可能有完全相同的形状和安装角。因此，当运行工况变化而使流动方向发生偏离时，在各个叶片进口的冲角就不可能完全相同。如果某一叶片进口处的冲角达到临界值时，就首先在该叶片上发生失速，而不会所有叶片都同时发生失速。假如u是对应叶片上某点的周向速度；w是气流对叶片的相对速度；α为冲角。假设叶片2和3间的叶道23首先由于失速出现气流阻塞现象，叶道受堵塞后，通过的流量减少，在该叶道前形成低速停滞区，于是气流分流进入两侧通道12和34，从而改变了原来的气流方向，使流入叶道12的气流冲角减小，而流入叶道34的冲角增大。可见，分流结果使叶道12绕流情况有所改善，失速的可能性减小，甚至消失；而叶道34内部却因冲角增大而促使发生失速，从而又形成堵塞，使相邻叶道发生失速。这种现象继续进行下去，使失速所造成的堵塞区沿着与叶轮旋转相反的方向推进，即产生所谓的“旋转失速”现象。风机进入到不稳定工况区运行，叶轮内将产生一个到数个旋转失速区。叶片每经过一次失速区就会受到一次激振力的作用，从而可使叶片产生共振。此时，叶片的动应力增加，可能致使叶片断裂，造成重大设备损坏事故。 大型火电机组的送风机一般是定转速运行的，即叶片周向速度u是一定值，这样影响叶片冲角大小的因素就是气流速度与叶片开度角。当叶片开度角β一定时，如果气流速度c
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τ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%计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%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速
风力机的性能指标
风力机的性能指标 风的动能与速度的平方成正比。当一个物体使空气速度变慢时，空气中的动能部分转变成物体上的压力能。整个物体上的压力就是作用在这个物体上的力。功率是力和速度的乘积，这也可用于风轮的功率计算。因风力与速度的平方成正比，所以风的功率与速度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风的功率便增加为原来功率的8倍。这在风力机中是一个极为重要的概念。风力机的风轮是从空气中吸收能量的，而不是像飞机螺旋桨那样，把能量投入到空中去。所以当风速增加1倍时，风轮从气流中吸收能量要增加为原来的8倍。当风速增大3倍时，吸收的能量增大到原来能量的27倍。在确定风力机的安装位置和选择风力机型号时，都必须考虑这个因素。 可以利用下述的公式表示风力机风轮从风中吸收的功 率。即：P=1 2C p A d pv1 3 式中P：风轮输出功率，单位为W； C p：风能利用系数； A d：风轮扫掠过的面积，单位为m2； p: 空气密度，单位为kg/m3; v1: 风速，单位为m/s。
当空气遇到一个固体物，就会产生绕流，正如气流绕过汽车运动一样。当空气接近一部分实度的物体，如旋转的风轮时，有部分空气从其周围流过，风轮从通过它的气流中吸收功率，并使之减速。正如书54页图4-12所示为风力机风轮前方的气流是怎样通过风轮的。开始时，流管小于风轮直径，风朝向风轮方向，流管逐渐增大，到风轮处，和风轮一样大，这时，风轮从风中吸收部分气流功率，这个功率除以一个和风轮同样大小的圆盘上通过的未扰动空气的功率，叫做风轮的功率因子，即风轮的风能利用系数，用C p表示，因为有部分空气从风轮旁边流走，所以效率总是小于1. 根据物理学原理，贝兹已证明了通过风力机的最大效率不会超过59.3%。当然，这是对没有叶尖端板的水平轴风力机而言的。如果在风轮周围放一个锥形罩，风轮效率可能大于59.3%。书54页图4-13所示为几种典型风轮的风能利用系数C p。叶片的风轮旋转速度快，C p值高，尖速比5或6时C p值可达0.47。同样地，达理厄式风轮在尖速比为6时，C p 最大值约为0.35。在理想的情况下，设计很好的叶片，风轮吸收的功率也达不到59.3%。另外，齿轮箱、传动链、发电机均有机械损失或电气损失，这些因素降低了风力机的实际效率。 通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，由下式计算出空气密度，即
翼型的叶尖速比与攻角,失速
在空气动力学中，失速是指翼型气动攻角(Angle of attack) 增加到一定程度（达到临界值）时，翼型所产生的升力(lift force)突然减小的一种状态。翼型气动迎角超过该临界值之前，翼型的升力是随迎角增加而递增的；但是迎角超过该临界值后，翼型的升力将递减。 尾流是指在飞行时，由于翼尖处上下表面的空气动力压力差，产生一对绕着翼尖的闭合涡旋，翼型的叶尖速比与攻角 要使在气流中运行的翼型有最大的升力与较小的阻力，翼型必须有理想的攻角，水平轴风力机在风速与转速不变时其叶片的攻角也不变，而传统的达里厄风力机的叶片是固定的，也就是在风轮旋转一周时翼型自身也旋转360度，其攻角是在不停的变化。下面就是翼型旋转在4个象限时的攻角计算辅图。
为了便于观察分析，图中风轮半径缩小，攻角夸大。v是外来风速，u是叶片线速度， w是相对风速，α是攻角，θ是叶片绕风轮转角（叶片位置）。由于风力机由2个以上的叶片构成，在上风侧做过功的风速会降低，我们近似认为翼型在上风侧（0至180度）与下风侧（180至360度）的风向不变、但风能损失30%，下风侧风速降低至84%。 按图1来计算攻角，
tanα= vr /( vt +u) vr= v*sinθ vt= v*cosθ tanα= v*sinθ/( v*cosθ+u)= sinθ/(cosθ+u/v) 式中u/v是叶尖速比λ α= arctan(sin(θ) /( cos(θ) + λ)) (1.1) 按图2、图3、图4来计算结果相同，就不再列举了。设叶尖速比λ分别为2、3、4、5、6，用MATLAB软件计算相应的攻角在0至360度的变化曲线，通过计算得出如下曲线图。
风力发电机组的运行特性
第四章风力发电机组的运行特性 4.1风力发电系统的一般构成及分类 (1) 4.2风力机的功率调节原理 (3) 4.2.1风力机的输出功率 (3) 4.2.2风力机功率调节原理 (5) 4.2.3风力机相关技术参数 (5) 4.3三相交流异步电机的基本电磁理论 (7) 4.3.1三相交流异步电机的结构 (7) 4.3.2三相交流异步电机的基本工作原理 (8) 4.3.3静止坐标系下的三相交流异步电机的数学模型 (10) 4.3.4 dq旋转坐标系下的三相交流异步发电机的数学模型 (13) 4.4 电压源型变流器工作原理及运行特性 (17) 4.4.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 (17) 4.4.2 三相电压源型变流器联网运行特性 (19) 4.4.3 背靠背四象限电压源型变流器联网运行特性 (20) 4.5定速型风电机组的运行特性 (23) 4.5.1鼠笼式感应风电机组的运行原理 (23) 4.5.2 鼠笼式感应风电机组的风速-功率特性 (26) 4.5.3鼠式笼感应风电机组的运行控制 (27) 4.6变速型风电机组的运行特性 (31) 4.6.1双馈感应式发电机组的转速调节原理 (31) 4.6.2双馈感应式风电机组的运行控制原理 (33) 4.6.3双馈感应式风电机组的功率传输特性 (34) 4.6.4双馈感应式异步风电机组的撬杠保护 (36) 4.6.5双馈感应式异步风电机组的运行操作 (38) 4.7直驱式永磁同步风电机组的运行特性 (40) 4.7.1永磁同步发电机的数学模型 (40) 4.7.2永磁同步发电机的外特性 (41) 4.7.3直驱式永磁同步风电机组的运行控制原理 (42) 4.7.4直驱式永磁同步风电机组的运行操作 (44) 参考文献 (46)
翼型气动特性实验指导书2017版
《空气动力学》课程实验指导书 翼型压强分布测量与气动特性分析实验 一、实验目的 1 熟悉测定物体表面压强分布的方法，用多管压力计测出水柱高度，利用伯努利方程计算出翼型表面压强分布。 2 测定给定迎角下，翼型上的压强分布，并用坐标法绘出翼型的压强系数分布图。 3 采用积分法计算翼型升力系数，并绘制不同实验段速度下的升力曲线。 4 掌握实验段风速与电流频率的校核方法。 二、实验仪器和设备 （1） 风洞：低速吸气式二元风洞。实验段为矩形截面，高0.3米，宽0.3米。实验风速 20,30,40V ∞=/m s 。实验段右侧壁面的静压孔可测量实验段气流静压p ∞，实验段气流的总压0p 为实验室的大气压a p 。 表2.1 来流速度与电流频率的对应（参考） 表2.2 翼型测压点分布表 上表面 下表面 （2） 实验模型：NACA0012翼型，弦长0.12米，展长0.09米，安装于风洞两侧壁间。模
型表面开测压孔，前缘孔编号为0，上下翼面的其它孔的编号从前到后，依次为1、2、3 ……。（如表-2所示） （3） 多管压力计：压力计斜度90θ=，压力计标定系数 1.0K =。压力计左端第一测压管 通大气，为总压管，其液柱长度为I L ；左端第二测压管接风洞收缩段前的风洞入口侧壁静压孔，其液柱长度为IN L ；左端第三、四、五测压管接实验段右侧壁面的三个测压孔，取其液柱长度平均值为II L 。其余测压管分成两组，分别与上下翼面测压孔一一对应连接，并有编号，其液柱长度为i L 。这两组测压管间留一空管通大气，起分隔提示作用。 三、实验原理 测定物体表面压强分布的意义如下：首先，根据表面压强分布，可以知道物体表面上各部分的载荷分布，这是强度设计的基本数据；其次，根据表面压强分布，可以了解气流绕过物体时的物理特性，如何判断激波，分离点位置等。在某些风洞中（例如在二维风洞中，模型紧夹在两壁间，不便于装置天平），全靠压强分布来间接推算出作用在机翼上的升力或力矩。 测定压强分布的模型构造如下：在物体表面上各测点垂直钻一小孔，小孔底与埋置在模型内部的细金属管相通，小管的一端伸出物体外（见图1），然后再通过细橡皮管与多管压力计上各支管相接，各测压孔与多管压力计上各支管都编有号码，于是根据各支管内的液面升降高度，立刻就可判断出各测点的压强分布。多管压力计的原理与普通压力计相同，都是基于连通器原理，只是把多个管子装在同一架子上而已，这样就可同时观察多点的压强分布情况，为了提高量度的准确性，排管架的倾斜度可任意改变。 图3.1 接多管压力计上各相应支管 图3.2 实验安装示意图
风力机叶片翼型的研究现状与趋势
风力机叶片翼型的研究现状与趋势 风能作为一种可再生能源,在煤、石油和天然气等非可再生能源日益耗竭以及全世界对可持续发展要求的情况下,正越来越来受到世界各国的关注。风电技术复杂,风力发电机组的叶片作为捕获风能最直接的部件,其价值占到整机价值的25%左右。叶片的直径、弦长、各截面翼型选择、纵向的扭角分布等都会影响到叶片的气动性能,进而影响风轮的功率输出。而叶片的结构、材料和工艺直接影响风机的强度、疲劳、震动、载荷及成本等。因此,设计良好的叶片,翼型应该具有较佳的空气动力学性能,良好的结构和制造工艺,这样风力发电机组才能稳定运行并具有高的功率输出[1-3]。目前,因为风力发电机组向着更高的额定功率发展,最大的叶轮直径已经达到125m,风电机组对叶片的气动性能、结构和工艺提出了更高的要求。 一、国外发展与研究状况 风机翼型的设计分析理论从根本上决定风机整体的功率特性和载荷特性。因为其重要性,翼型设计分析理论的研究一直是世界各国专家和学者的科研热情所在。风机翼型的发展来源于低速应用的翼型,如滑翔机翼型。早期的低速翼型运用在风机上有WortmannFX-77翼型和NASALS翼型。在20世纪80年代,因为美国国家可再生能源实验室(NREL)的Tangler和Somers发展了许多的NREL翼型,对促进风机翼型的发展做出了很大贡献。同时,他们也提出了翼型的反设计方法。对NREL系列翼型的相关阐述可以在NREL一系列报告中找到。后续的瑞典的Bj·rkA发展了FFA-W系列的翼型,荷兰代尔夫特理工大学的TimmerWA和vanRooij也对风机翼型的发展做出了贡献,发展了DU系列的翼型。20世纪90年代中期,丹麦Risφ风能重点实验室开始研制新的风机翼型,到目前为止已经发展出了Risφ-A1,Risφ-P和Risφ-B1三种翼型系列。 翼型研究包括两方面,翼型分析和翼型优化设计。翼型分析是研究翼型气动性能,是翼型优化设计的基础。翼型设计有两种方法,包括直接数值优化设计方法和反设计方法。直接数值优化设计方法将CFD跟最优化设计理论结合起来,以升力或者升阻比为目标函数,通过不断修正翼型的几何形状,获得目标函数所要求的气动性能最佳的翼型几何形状。反设计方法的目标函数主要是目标压力分布,首先要给定一个基础翼型,通过翼型几何和流体控制方程,不断逼近所需的目标压力分布,从而得到满足给定流场分布的翼型几何。Jacobs的翼型设计方法是最早的翼型反设计方法,用这种方法设计的NACA6系列的翼型至今都在用。德国的学者Mangler(1938)和英国学者Lighthill(1945)首先提出基于保角变换的翼型反设计方法,但是计算冗长。Mangler和Lighthill的方法而且有三个重要缺点:基于保角变化的翼型反设计方法只能指定需要的翼型表面速率分布作为翼型保角变换后圆角坐标的一个函数,而不是翼型表面弧长的一个函数;并且因为指定的速率分布有三个积分限,需要定义三个自由参数,会导致不合理的速率分布和不合理的翼型形状;理论本身是单点反向翼型设计方法(速率分布只能在单个攻角下获得),不满足多点反设计的需要。20世纪60年代后,随着计算机技术的发展,翼型反设计方法更多地强调通过计算机辅助翼型设计。美国NREL的Eppler和Somers编了一个
风力机空气动力学常识
风力机空气动力学常识 作者：曹连芃 关键字：翼型,升力，阻力，相对风速，攻角，失速迎角，叶尖速比，贝茨极限，雷诺数，实度 风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力，数千年前就有了帆船用于交通运输，后来有了风车用来磨面与抽水等。近年来，由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重，风能作为清洁的新能源得到人们的重视，风力发电已成为重要的新能源。对于想学习风力发电的朋友应该学习一些风力机空气动力学的基础知识。 升力与阻力 风就是流动的空气，把一块薄的平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力。 我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，D为阻力，当平板静止时，受阻力虽大但气流并未对平板做功；只有平板在阻力作用下运动，气流才对平板做功；如果平板运动速度方向与气流相同，气流相对平板速度为零，则阻力为零，气流也没有对平板做功。一般说来受阻力运动的平板速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率。 当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零。 当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会受到气流的压力，在平板的下风面会形成负压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力D与升力L，阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。
当夹角较小时，平板受到的阻力D较小；此时平板受到的作用力主要是升力L。 飞机的翼片是用来产生升力的，一般翼片上表面弯曲，下表面平直，即使翼片与气流方向平行也会有升力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。由于飞机翼片截面为流线型，受气流阻力很小。 当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，升力会增大，阻力也会增加，适当选择翼片的攻角可获得最大的升力，尽量小的阻力。
风力机的翼型与叶片外形设计简介
风力机的翼型与叶片外形设计简介 摘要 关键词：风力机，翼型，叶片 Introduction to aerofoil and blade shape design for wind turbine Abstract Keywords: 引言 叶片是风力机重要的能量转换部件，其设计和制造直接影响风力机发电机组的高效安全运行。风力机的运行效率直接与叶片的空气动力设计有关，包括叶片长度、翼型、沿纵向翼型的分布和安装角。 1、翼型与叶片外形设计的重要性 2、叶片外形设计的大概过程，强调叶片外形设计时翼型的前提作用 3、给出论文的框架 1.1 风力机翼型设计 1.1.1风力机翼型设计发展过程及特点 讲清与飞机翼型的区别 翼型空气动力特性的好坏直接影响风力机的性能，翼型的形状也影响叶片的主体结构形式。在风力机叶片翼型参数的设计过程中，各个参数的变化都会对其他参数的设计产生影响。在设计中本着能够使单位叶素有最大的功率利用系数的原则，来选择翼型参数。 在20世纪七八十年代的风力机设计过程中，很多风力机直接采用了NACA系列中的航空翼型。但风力机的工作条件和飞机有较大的区别，一方面风力机叶片工作时，其攻角变化
范围大；另一方面风力机叶片设计要考虑低雷诺数的影响，风力机和飞机工作的雷诺数范围有所不同，其影响将就也不完全一样，过去在小型风力机设计中考虑雷诺数较少而是直接选 用，以翼弦为特征长度的雷诺数在风轮径向方向是变化的，在大型叶片设计中必须给以考虑。设计实践表明，使用航空翼型虽然可以得到很高的升阻比，但是在低雷诺数环境下，航空翼型易于发生泡式分离，从而使升阻比特性恶化。另外，航空翼型对表面粗糙度比较敏感，在翼型几何形状由于灰尘、结冰等原因发生变化时，翼型的气动特性往往也会迅速恶化，从而不适于直接作为风力机叶片翼型使用。 因此，选择翼型常根据以下原则：对低速风轮，由于叶片数较多，不需要特殊的翼型升阻比；对于高速风轮，叶片数较少，应选择在很宽的风速范围内具有较高的升阻比和平稳失速特性的翼型，对粗糙度不敏感，以便获得较高的功率系数；另外要求翼型的气动噪声低。 1.1.2风力机翼型分类 按风机发电量，按不同实验室; 不同类型的风力发电机对翼型的不同要求 1.1.3风力机翼型设计方法简要介绍 1.1.4风力机翼型小结 创新点在于：对于不同类型的风机翼型应该怎么样选取，在一个叶片上不同翼型的分布。 1.2 叶片外形设计 从轮毂中心到叶尖不同位置处，翼型的选择 从轮毂中心到叶尖不同位置处，相应翼型的弦长长度公式 从轮毂中心到叶尖不同位置处，相应翼型的攻角 失速型叶片与变桨型叶片的区别（安装角的问题） 陆上风机叶片与海上风机叶片的区别 MW风机与小型风机叶片的区别 1.3 金风750KW与1.5MW的翼型与叶片外形特点 提出目前叶片所存在问题
论风力发电及风力机械特性(标准版)
论风力发电及风力机械特性 (标准版) Security technology is an industry that uses security technology to provide security services to society. Systematic design, service and management. ( 安全管理 ) 单位：______________________ 姓名：______________________ 日期：______________________ 编号：AQ-SN-0992
论风力发电及风力机械特性(标准版) 全球经济增长对能源需求日渐强烈，我国作为人口大国和工业大国，对能源的需求和能源短缺之间的矛盾日渐尖锐，石油市场的竞争耗费了我国大量人力物力，我国为了保证石油供应的稳定付出了巨大的代价。为了缓解能源供应紧张，我国对于可再生能源的重视程度逐渐加大，可再生能源占能源消耗的比例总比例也就见增大。作为清洁能源的重要组成部分，风力发电拥有巨大的发展潜力，是关乎国家能源环境未来的重要技术。本文就风力发电和锋利机械的特性进行简单探索，意在实现对风力机械的精确控制和对风力资源利用率的提高。 风力发电除了具有可再生的优势之外，还具有清洁无污染的特点，对比火力发电和核电，风力发电无排放。在几十年的经济建设中我们犯了很多错误，对环境无节制的利用和破坏导致了大自然的
报复，雾霾、沙尘暴等等就是最直接的例子。从地理上研究，我国处于亚热带季风气候，全年大部分地方都有很强的劲风，而且我国幅员辽阔，有着大面积的丘陵和平原，对于风力发电需要的大面积风车群提供了广阔的空间。无论是从能源角度，还是从环保角度，或者地理优势方面，我国大力推广风力发电建设都是明智的选择。下图就是位于我国蒙古草原上的风力发电风车。 风力发电发展简史 风力发电的想法最初在上个世纪三十年代的丹麦、瑞典苏联等国家就已经开始付诸实践。通过利用旋翼技术研制成功小型发电装置，在多风的海岛和荒僻的农村使用广泛，因为风力发电成本要比火力发电低廉很多。在之后的几十年里研究人员不断尝试更大功率的发电风车，到1978年，美国研制的风力发电机功率已经能够达到200千瓦。 风力发电的基本原理就是把风的动能转化为机械能，通过机械能转化为电能。在风吹下风车旋转获得动能，带动发电机发电。根据目前达到的技术水平，每秒三米的速度就能够发电。
风力发电机组的分类及各自特点
风力发电机组的分类及各自特点 风力发电机组的分类及各自特点 风力发电机组主要由两大部分组成： 风力机部分――它将风能转换为机械能； 发电机部分――它将机械能转换为电能。 根据风机这两大部分采用的不同结构类型、以及它们分别采用的技术方案的不同特征，再加上它们的不同组 合，风力发电机组可以有多种多样的分类。 (1) 如依风机旋转主轴的方向（即主轴与地面相对位置）分类，可分为： “水平轴式风机”――转动轴与地面平行，叶轮需随风向变化而调整位置； “垂直轴式风机”――转动轴与地面垂直，设计较简单，叶轮不必随风向改变而调整方向。 (2) 按照桨叶受力方式可分成“升力型风机”或“阻力型风机”。 (3) 按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机；叶片的数目由很 多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求等等。 大型风力发电机可由1、2 或者3 片叶片构成。 叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量，因此噪音比较大。而如果叶片太多，它们之 间会相互作用而降低系统效率。目前3 叶片风电机是主流。从美学角度上看，3 叶片的风电机看上去较为平衡和美观。 (4) 按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向（即在塔架的前面迎风旋转）和 “下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。 上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。 而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。但对于下风向风机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。 (5) 按照功率传递的机械连接方式的不同，可分为“有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱型风机”。 有齿轮箱型风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及万能弹性联轴节将转矩传递到发电机的传动轴,联轴节具有很 好的吸收阻尼和震动的特性，可吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。 而直驱型风机则另辟蹊径，配合采用了多项先进技术，桨叶的转矩可以不通过齿轮箱增速而直接传递到发电 机的传动轴，使风机发出的电能同样能并网输出。这样的设计简化了装置的结构，减少了故障几率，优点很多，现多用于大型机组上。 (6) 根据按桨叶接受风能的功率调节方式可分为： “定桨距（失速型）机组”――桨叶与轮毂的连接是固定的。当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化 。由于定桨距（失速型）机组结构简单、性能可靠，在20 年来的风能开发利用中一直占据主导地位。 “变桨距机组”――叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角可在一定范围内（一般0－90度）调节变化，其
论风力发电及风力机械特性(正式版)
文件编号：TP-AR-L4157 In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives. （示范文本） 编订：_______________ 审核：_______________ 单位：_______________ 论风力发电及风力机械 特性(正式版)
论风力发电及风力机械特性(正式版) 使用注意：该安全管理资料可用在组织/机构/单位管理上，形成一定的具有指导性，规划性的可执行计划，从而实现多角度地帮助决策人员进行更好的生产与管理。材料内容可根据实际情况作相应修改，请在使用时认真阅读。 全球经济增长对能源需求日渐强烈，我国作为人口大国和工业大国，对能源的需求和能源短缺之间的矛盾日渐尖锐，石油市场的竞争耗费了我国大量人力物力，我国为了保证石油供应的稳定付出了巨大的代价。为了缓解能源供应紧张，我国对于可再生能源的重视程度逐渐加大，可再生能源占能源消耗的比例总比例也就见增大。作为清洁能源的重要组成部分，风力发电拥有巨大的发展潜力，是关乎国家能源环境未来的重要技术。本文就风力发电和锋利机械的特性进行简单探索，意在实现对风力机械的精确控制和对风力资源利用率的提高。
风力发电除了具有可再生的优势之外，还具有清洁无污染的特点，对比火力发电和核电，风力发电无排放。在几十年的经济建设中我们犯了很多错误，对环境无节制的利用和破坏导致了大自然的报复，雾霾、沙尘暴等等就是最直接的例子。从地理上研究，我国处于亚热带季风气候，全年大部分地方都有很强的劲风，而且我国幅员辽阔，有着大面积的丘陵和平原，对于风力发电需要的大面积风车群提供了广阔的空间。无论是从能源角度，还是从环保角度，或者地理优势方面，我国大力推广风力发电建设都是明智的选择。下图就是位于我国蒙古草原上的风力发电风车。 风力发电发展简史 风力发电的想法最初在上个世纪三十年代的丹麦、瑞典苏联等国家就已经开始付诸实践。通过利用
风力机空气动力学基础知识
风力机空气动力学基础知识 风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力，数千年前就有了帆船用于交通运输，后来有了风车用来磨面与抽水等。近年来，由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重，风能作为清洁的新能源得到人们的重视。为方便风力机技术知识的学习，下面介绍一些风力机空气动力学的基础知识。 升力与阻力 风就是流动的空气，一块薄平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力，我们把这个力分解为阻力与升力。图中F是平板受到的作用力，D为阻力，L为升力。阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。 我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，升力为零。当平板静止时，阻力虽大但并未对平板做功；当平板在阻力作用下运动，气流才对平板做功；如果平板运动速度方向与气流相同，气流相对平板速度为零，则阻力为零，气流也没有对平板做功。一般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率。
当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零（阻力与升力都为零）。当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会受到气流的压力，在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力D与升力L。 当夹角较小时，平板受到的阻力D较小；此时平板受到的作用力主要是升力L。
截面为流线型的飞机翼片阻力很小，即使与气流方向平行也会有升力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。 当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。 风力发电用风力机有阻力型与升力型两种，水平轴风力机基本都是升力型，垂直轴风力机有多种阻力型结构，也有是升力型结构。 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