风轮的性能计算
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6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。
风力机空气动力学知识-64帧课件.ppt
5.风轮转速 当风力机额定功率和风轮直径确定后，增加风轮转速，可 以减小风轮转矩，即减少作用在风力机传动系统上的载荷和 降低齿轮箱的增速比。风轮转速增加后，在额定风速相同 时，叶片的弦长可以减小，使叶片挥舞力矩的脉动值减小， 有利于叶片的疲劳特性和机舱塔架的结构设计。
6.塔架高度 塔架高度是风力机设计时要考虑的一个重要参数。一般， H/D=0.8~1.2。
3.2风力机空气动力设计参数
1.叶片数 水平轴风力发电机组的风轮叶片一般是2片或3片，其中3 片占多数。 当风轮直径和风轮旋转速度相同时，对刚性轮毂来说，作 用在两叶片风轮的脉动载荷要大于三叶片风轮。另外，实际 运行时，两叶片风轮的旋转速度要大于三叶片风轮，因此， 在相同风轮直径时，由于作用在风轮上的脉动载荷引起的风 轮轴向力（推力）的周期变化要大一些。
力特性。当雷诺数较小时，前缘分离气泡的存在、发展 和破裂对雷诺数非常敏感；当雷诺数较大时，翼型最大 升力系数也相应增大。
3.4风力机叶片气动外形设计
风力机叶片气动外形设计的任务是根据风力机总体设计技 术指标，确定风力机叶片的几何外形，包括叶片扭角、弦长 和相对厚度沿展向的分布。对于变桨距叶片还要给出桨距中 心位置和桨距角随风速变化的规律。
在迎角不大时，前缘就发生层流分离，然后转捩为湍流后 再附着于翼型表面，在分离点与再附着点之间形成气泡，随 着迎角的增加，向后缘迅速扩展，到一定迎角时，变成完全 分离。
图3-2给出了翼型在不同分离形式时的升力特性。前缘分 离、后缘分离、薄翼分离如图所示。
需要指出的是：翼型边界层的分离一旦引起翼型失速后， 即使马上回复到失速前的迎角，翼型边界层也不会马山再 附，恢复到分离前的流动状态，这种现象称为流动迟滞现象。
根据风力机性能的需要，风力机翼型一般应要求在分离区 内有稳定的最大升力系数，有很大的升阻比，表面粗糙度对 翼型空气动力特性影响小等特性。
风轮叶片外形尺寸标准
风轮叶片外形尺寸标准风轮叶片是风能发电机组的核心部件之一，其外形尺寸标准对于风能发电机组的性能和效率至关重要。
下面将介绍风轮叶片外形尺寸标准的相关内容。
风轮叶片的外形尺寸标准主要包括长度、宽度、厚度等方面的要求。
首先是长度，一般来说，风轮叶片的长度应该根据具体的风能发电机组的功率和设计要求进行确定。
较小功率的风能发电机组，其叶片长度一般在10米左右；而较大功率的风能发电机组，其叶片长度则可以达到50米以上。
叶片长度的确定需要考虑到风能发电机组的稳定性、安全性以及运行效率等因素。
其次是宽度，风轮叶片的宽度一般也是根据具体的设计要求来确定的。
宽度的大小会直接影响到叶片的承载能力和抗风性能。
一般来说，较大功率的风能发电机组所使用的叶片宽度会相对较宽，以提高其承载能力和抗风性能。
另外，风轮叶片的厚度也是外形尺寸标准中需要考虑的重要因素之一。
叶片的厚度主要影响到其结构强度和重量。
较大功率的风能发电机组所使用的叶片一般会相对较厚，以保证其足够的结构强度；而较小功率的风能发电机组所使用的叶片则可以适当减薄，以降低其重量。
此外，风轮叶片的形状也是外形尺寸标准中需要考虑的重要因素之一。
常见的风轮叶片形状有直线型、弯曲型、扭曲型等。
不同形状的叶片对于风能发电机组的性能和效率有着不同的影响。
例如，弯曲型叶片可以提高叶片与风向之间的角度，从而增加了叶片与风之间的相对速度，提高了发电效率。
除了上述外形尺寸标准之外，风轮叶片还需要满足一些其他要求。
例如，叶片表面需要具有较好的防腐蚀性能和耐候性能，以保证其在恶劣环境下的使用寿命；同时，叶片还需要具有较好的气动性能，以提高其发电效率。
总之，风轮叶片外形尺寸标准对于风能发电机组的性能和效率具有重要影响。
通过合理设计和选择适当的外形尺寸标准，可以提高风能发电机组的稳定性、安全性和发电效率，进一步推动风能发电技术的发展和应用。
各种风力发电机组主要参数
各种风力发电机组主要参数
风力发电机组的主要参数有风轮直径、额定风速、额定功率、空载转速、额定转速、切入风速、切出风速、极限风速等。
以下是对这些参数的详细说明：
1.风轮直径：风轮直径是指风力发电机组中风轮的直径大小。
风轮直径越大，其叶片受风面积越大，能够捕获更多的风能。
2.额定风速：额定风速是指风力发电机组开始发电的最低风速。
当风速达到额定风速时，风力发电机组开始转动并产生电能。
3.额定功率：额定功率是指风力发电机组在额定风速下所能够输出的最大功率。
通常以千瓦（kW）为单位。
4.空载转速：空载转速是指风力发电机组在无负载的情况下转动的速度。
这个参数对于风力发电机组的设计和运行非常重要。
5. 额定转速：额定转速是指风力发电机组在额定功率下所能够达到的转速。
通常以转/分钟（rpm）为单位。
6.切入风速：切入风速是指风力发电机组开始转动的最低风速。
当风速达到切入风速时，风力发电机组开始工作。
7.切出风速：切出风速是指风力发电机组停止工作的最高风速。
当风速超过切出风速时，风力发电机组会自动停止转动以保护设备。
8.极限风速：极限风速是指风力发电机组能够承受的最高风速。
当风速超过极限风速时，风力发电机组可能会受到损坏或摧毁。
除了上述的主要参数外，风力发电机组还有一些其他的参数可以影响其性能和输出能力，例如齿轮传动方式、发电机类型、刹车系统等。
这些参数都需要根据具体的项目要求和风能资源来进行选择和设计。
风力机空气动力学-第四章解析
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§4-2：基础理论
与前面比较，本节考虑风轮尾流的旋转。 气流在风轮上产生转矩时，也受到风轮的反作用力，由此气流产生了 一个反向的角速度，使尾流以相反的方向转动。
新能源、可再生能源 ➢ 我国丰富的风资源与
政府的大力支持 ➢ 风能是有很强综合性的
技术学科
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§4-1：概述
研究内容
➢ 风力机空气动力模型； ➢ 风力机翼型空气动力特性； ➢ 风力机叶片空气动力设计； ➢ 风力机风轮性能计算； ➢ 风力机空气动力载荷计算； ➢ 风力机气动弹性稳定性和动力响应； ➢ 风力机空气动力噪声和风力机在风电场中的布置等。
图３-１ 风轮流动的单元流管模型
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§3-2：基础理论
假设来自远前方的流管，在叶轮激盘处恰与激盘外径相切，并伸 向下游，如此建立控制体。
应用一维动量方程得
激盘前后区域应用伯努利方程
T m V1 V2
m 单位时间流经风轮的空气
风轮处的质量流量：VA ，那么
T AV V1 V2
V
2 3
V1
V2
1 3
V1
V2/V1
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风轮附近速度和压力的变化规 律
➢ 风力平面处的风速总比来流小 （风轮吸收了功率）
➢ 本模型假设尾迹不旋转，意味着 在转动尾迹的动能中没有能量损 失。
✓ 实际上肯定是有损失的。
➢ 即使对最佳设计的风轮也不可能 系数60％的风动能。
V12
V22
1 AV
2
风力发电机组 额定功率
风力发电机组额定功率风力发电机组额定功率是指发电机组在标称工况下能够输出的最大功率。
额定功率与发电机组的设计和性能密切相关，是风力发电机组的重要参数之一。
一、风力发电机组的基本原理风力发电机组是利用风能驱动发电机发电的设备。
它由风轮、塔架、传动装置、发电机和控制系统等组成。
当风轮受到风的作用时，风轮叶片会转动，通过传动装置将旋转运动传递给发电机，发电机将机械能转化为电能输出。
二、风力发电机组的额定功率与设计1. 风轮设计：风力发电机组的额定功率与风轮的设计密切相关。
风轮的设计包括叶片的数目、长度、形状以及材料等。
这些参数决定了风轮的捕风面积、叶片的受力程度和转动效率，进而影响风力发电机组的额定功率。
2. 发电机设计：发电机是将机械能转化为电能的核心部件。
发电机的额定功率取决于其设计和材料的选择。
额定功率一般由发电机的输出电压和额定电流决定。
3. 控制系统设计：控制系统可以通过调整风力发电机组的转速和叶片角度来优化发电效率。
控制系统的设计直接影响着风力发电机组的额定功率。
三、风力发电机组额定功率的计算方法风力发电机组的额定功率一般由制造商通过实验和模拟计算确定。
常用的计算方法有以下几种：1. 标称功率法：根据风力发电机组的设计参数和特性曲线，通过定量分析和数值计算得出额定功率。
这种方法相对简单，适用于设计成熟的风力发电机组。
2. 风洞试验法：通过在风洞中对风力发电机组进行模拟试验，测量风轮在不同风速下的转速和输出电量，以此推算出额定功率。
3. 数值模拟法：利用计算流体力学（CFD）方法对风力发电机组进行三维流场分析，得到风轮的捕风面积、叶片的受力情况和输出电量等参数，进而计算出额定功率。
四、风力发电机组额定功率的影响因素风力发电机组的额定功率受多个因素的影响，包括：1. 风速：风速是影响风力发电机组额定功率的重要因素。
不同的风速对发电机组的转速和叶片角度有不同的要求，进而影响额定功率的大小。
2. 温度：温度的变化会影响空气密度，进而影响风轮的受力和转动效率。
小型风力发电电流计算公式
小型风力发电电流计算公式随着可再生能源的重要性日益凸显，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注。
小型风力发电系统由风力发电机、控制器和储能设备等组成，其中风力发电机是核心部件之一。
在风力发电机中，电流是一个重要的参数，它直接影响着发电系统的输出功率。
因此，了解小型风力发电电流的计算公式对于系统设计和优化具有重要意义。
小型风力发电系统的电流计算涉及到多个因素，包括风速、风轮直径、发电机转速等。
在实际应用中，可以通过以下公式来计算小型风力发电系统的电流：I = 0.5 ρ A V^3 C。
其中，I表示电流，单位为安培（A）；ρ表示空气密度，单位为千克/立方米（kg/m^3）；A表示风轮叶片面积，单位为平方米（m^2）；V表示风速，单位为米/秒（m/s）；C表示风能利用系数。
在这个公式中，空气密度ρ是一个影响因素，它随着海拔高度的增加而减小，因此在不同海拔地区使用风力发电系统时，需要考虑空气密度对电流的影响。
风轮叶片面积A是另一个重要参数，它决定了风力发电机的叶片受风面积，从而影响了发电机的输出功率。
风速V是决定风能转化效率的关键因素，它的立方关系使得风速的变化对电流的影响非常显著。
风能利用系数C则是一个综合考虑了风轮设计、风能转化效率等因素的参数，它反映了风力发电系统的整体性能。
在实际应用中，以上公式可以帮助工程师和设计师对小型风力发电系统的电流进行初步估算。
通过对风速、风轮叶片面积和风能利用系数等参数的测量和分析，可以得到系统的电流值。
这对于系统的设计和优化具有重要意义，可以帮助工程师们更好地理解系统的性能特点，从而进行有效的优化设计。
除了以上公式，还有一些其他因素也会对小型风力发电系统的电流产生影响。
例如，风向的变化会导致风能利用系数C的变化，从而影响系统的电流输出；风轮叶片的设计和材料选择也会影响到电流的大小；发电机的转速和效率也会对电流产生影响。
因此，在实际应用中，需要综合考虑以上因素，通过实验和模拟分析等手段来准确计算小型风力发电系统的电流。
风轮直径和转速的关系(一)
风轮直径和转速的关系(一)
风轮直径和转速的关系
1. 风轮直径和转速的基本概念
•风轮直径：指风力发电机的转子（风轮）的直径，通常用于描述风力发电机的规模大小。
•转速：指风力发电机转子（风轮）每分钟旋转的圈数，单位为转/分钟（rpm）。
2. 风轮直径和转速的关系
•风轮直径和转速之间存在一定的关系，即：
–当风轮直径增大时，转速通常会减小；
–当风轮直径减小时，转速通常会增大。
3. 解释说明
风轮直径和转速的关系取决于风力发电机的设计和性能要求。
具体而言，主要由以下因素影响：
风能的利用效率
•风轮直径越大，面积越大，能够捕捉到的风能也就越多，利用效率相对较高。
此时，为了保持稳定的输出功率，风力发电机需要降低转速。
风力发电机的机械设计
•风力发电机需要保持在设计安全转速范围内运行，以避免过大的机械应力和磨损。
当风轮直径增大时，输出功率相对增大，转矩也会相应增大，因此需要降低转速来保持安全运行。
变桨系统的设计
•风力发电机通常采用变桨系统调节风轮的扭转角度，以控制输出功率。
较大的风轮直径往往会降低整体的灵活性和响应速度，需要降低转速来提高变桨系统的效果。
4. 总结
•风轮直径和转速之间存在一定的关系，但具体的关系因风力发电机的设计和性能要求而异。
•通常情况下，增大风轮直径会降低转速，而减小风轮直径会增大转速。
-这一关系受风能利用效率、机械设计以及变桨系统等因素的影响。
以上是针对”风轮直径和转速的关系”的简要介绍，希望能对您有所帮助。
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风能性能计算主要有三项内容:轴向推力,转矩利功率以及相对应
的推力系数,转矩系数和风能利用系数.
推力系数TC
转矩系数MC
风能利用系数PC
如果风轮不在最佳运行状态工作,干涉因子a,b和梢部损失系数F
就不知道了,此外,由理论计算所得的叶片外形弦宽C和扭角θ一般要
根据实际经验进行修正,因此干涉因子a、b一般也都偏离了最佳设计
状态下的值.实际上为了求得TC MC PC 一般是根据给出的叶片外形
数据弦宽C和扭角θ以及翼型升阻曲线,在某一给定运行状态下计算
各个剖面上的干涉因子a和b以及梢部损失系数F来计算风轮的气动性
能。
性能计算所用公式如下：
（1）a
（2）(1)tan(1)ab
（3）2arccos()fFe 2sinBRrfR
（4）cossinxLDCCC sincosyLDCCC
（5）22(1)8sin(1)xBCCaFaFra
（6） 8sincos1yBCCbFrb
对于每一个给定的r或λ,可以用迭代法计算a、b
(1) 给a和b一个初始值.
(2) 由式（2）计算得由式（3）计算得F
(3) 再由式（1）计算得a
(4) 由式（4）计算得 xC 、 yC
(5) 由式（5）计算得a，由式（6）计算得b.
(6) 回到第（2）步重新迭代，直到收敛为止
这样各剖面的干涉因子a和b及梢部损失因子F就可求得,就可以求出
推力，转矩，功率及相应的系数。