风力机空气动力学5(载荷与振动)
3.风力机的空气动力学
6
风力发电机组的原理与控制（二）
风轮前后风速和压力的变化
风速变化是连续的
压力变化是突变的
图2-1 风轮的流管模型
7
风力发电机组的原理与控制（二）
动量定理推导（一）
伯努利方程
1 2 v p gh const 2
理想流体定常流动的动力学方 程，流体在忽略粘性损失的流 动中，流线上任意两点的压力 势能、动能与位势能之和保持 不变。
（1）弯度的影响 如果翼型存在弯度，即使没有攻角，翼型也 能产生升力和力矩。 当翼型弯度增大时，导致上下表面流速差增 大，从而使压力差加大，故而升力增加，升力系 数增大。特别是对前缘半径较小和较薄的翼型影 响尤其显著。 当翼型弯度增大时，上表面流速加大，摩擦 阻力上升，并且由于迎风面积加大，故而压差阻 力也加大，同时导致阻力上升。 因此，同一攻角时，随着弯度的增加，升力 和阻力都明显增加。但阻力比升力增加更快，升 阻比下降。当最大弯度的位置靠前时，最大升力 系数较大。
v v vd v (1 ) 2
1 2 2 9 Ad (v v ) (v v ) Ad v (1 a ) 2
风力发电机组的原理与控制（二）
动量定理推导（三）
气压力(作用在风轮上) 2 F ( pd p ) A 2 A v d d d a(1 a)
12
风力发电机组的原理与控制（二）
尾流(weak)
风施加在风轮上的力矩有一个大小相等，方向相反的反作用 力矩作用在空气上。它引起空气反向于风轮旋转，空气获得角动 量，其粒子在旋转面的切线方向和轴向上都有速度分量。 13
0.60 0.50 0.40 Cp 0.30 0.20 0.10 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 Tip Speed Ratio 8 9 1016 Betz - Without Wake Rotation With Wake Rotation
《风力机空气动力学》课件
二、空气动力学理论
1
风力机的升力和阻力
2
探讨风力机叶片是如何产生升力和阻
力的。
3
风力机的效率和功率公式
4
讨论风力机的效率和如何计算出风力 机的功率。
风力机的叶片表面压力分布
讲解风力机叶片表面压力如何随风速 变化。
风力机的气动力矩
介绍风力机在转动过程中所受到的气 动力矩。
风力机的多目标优化设 计方法
介绍风力机优化设计中常用的 多目标优化方法。
风力机的材料和制造工艺
讲解风力机材料的选择和制造 工艺的重要性。
五、未来发展方向
1 未来风力机的设计和发展趋势
探讨风力机在未来可能的设计和发展方向。
2 风力发电在新能源领域中的地位和前景
介绍风力发电在新能源领域中的重要性和潜在前景。
3 风力机的可持续发展和环境影响问题
讨论风力机的可持续发展性和对环境的影响问题。
六、总结
风力机空气动力学 知识的重要性和应 用
总结风力机空气动力学知识 在实际应用中的重要性。
风力机的未来发展 和挑战
讨论风力机在未来可能面临 的发展和挑战。
风力机行业的职业 发展和就业前景
探讨从事风力机行业的职业 发展和就业前景。
《风力机空气动力学》 PPT课件
这是一份关于风力机空气动力学的课件，介绍了风力机的工作原理、空气动 力学理论、风洞实验、优化设计以及未来发展方向等内容。
一、介绍
什么是风力机空气动力学
解释风力机空气动力学的定义和重要性。
风力机的基本结构和工作原理
描述风力机的基本构成和如何转换风能为电能。
风力机的分类和发展历程
三、风力机风洞实验
风力机空气动力学-chenww.
第3章风力机空气动力学3.1 概述风力机功率的产生仰赖于转子和风之间的相互作用。
如第 2 章所述，风的流动可以看做是由均匀流动和剧烈波动叠加而成。
经验表明，风力机性能（指输出功率和平均负载）的主要是由均匀流动部分产生的气动力所决定。
周期性的气动力可以由切变风、偏轴风（off-axis winds）、转子旋转和由空气紊流和动力学影响诱发的随机脉动力引起，它是疲累负载的来源，也是影响风力机峰值负载的一个因素。
这些当然很重要，但是只有熟悉了稳态运行的空气动力学才能理解。
因此,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。
实际设计的水平轴风力机通过桨叶将风的动能转变有用的能量。
本章提供了相关背景材料，帮助读者理解浆叶工作中动力的产生，计算优化叶形，分析已知叶型和浆叶特性的转子的空气动力学性能。
多位作者已经给出了预测风力机转子稳态性能的方法。
古典的风力机分析方法最初是由Betz和Glauert (Glauert, 1935)在20世纪30年代发展的。
随后，理论被发展并且可以使用计算机求解(see Wilson and Lissaman, 1974, Wilson et al., 1976 and de Vries, 1979)。
在所有这些方法中，结合动量理论和叶片微元理论（blade element theory）形成的带流理论，能够计算转子环形截面的工作特性。
本章将运用带流理论，通过对每个环形截面的特性值求积分或求和得到完整转子的特性。
本章首先分析了理想风力机转子，介绍相关的重要概念并阐述了风力机转子及其绕流气体的一般特性。
这些分析也适用于确定风力机的理论极限性能。
之后将介绍一般的空气动力学概念，用于评价利用浆叶产生动力相对于其他方法的优势。
本章的大部分内容详细说明古典分析方法对水平轴风力机的分析，以及一些应用实例和应用。
首先详述了动量理论和叶片微元理论的发展，以及用它计算简单、理想运行状况下的最佳叶型。
风力发电机运行的空气动力学原理解析
风力发电机运行的空气动力学原理解析风力发电机是一种利用风能转化为电能的设备，利用空气动力学原理进行运行。
空气动力学是研究空气在物体表面流动时所产生的力学效应的学科，其中涉及到的流体力学、空气动力学和结构力学等知识领域。
本文将从风力发电机的构成和原理、空气动力学原理以及风力发电机的运行过程等方面对其运行原理进行分析和解析。
首先，风力发电机由风轮、主轴、发电机以及塔架等构成。
其中，风轮是最重要的部件，它是通过空气动力学原理将风能转换为机械能。
风轮主要由叶片、主轴承和转子组成，其中叶片是最关键的部分。
在运行过程中，当风流通过风轮的叶片时，由于叶片的形状和倾斜角度，会使得风流产生一定的压力差，从而使风轮转动。
风轮的转动通过主轴传递给发电机，由发电机将机械能转化为电能。
其次，风力发电机的运行离不开空气动力学原理的支持。
当风流通过风轮的叶片时，由于风流的高速流动和叶片的形状等因素，会在叶片上产生压力差。
根据伯努利定律，当流体速度增加时，压力就会下降，而风轮叶片的形状和倾斜角度使得上表面的流速较快，下表面的流速较慢，从而产生了压力差。
此时，风流将从高压区域流向低压区域，推动风轮转动。
这就是风力发电机利用空气动力学原理来转换风能的过程。
风力发电机使用的是无驱动翼型，即在风流作用下产生升力来推动转子转动。
翼型的选择非常关键，不同的翼型会有不同的气动性能，影响着风力发电机的效率和输出功率。
一般而言，翼型的厚度比例愈小，气动性能愈好，当然翼型的选择还要结合具体的风力工况。
在实际应用中，常用的翼型有NACA系列翼型、稳定翼型等。
最后，风力发电机的运行过程可以简单概括为：当风力达到一定速度时，风轮开始转动，这时发电机开始工作，将机械能转化为电能。
随着风力的增大，风轮的转速也会增加，进而提高了发电机的输出功率。
另外，为了保证风力发电机的安全运行，还需要考虑风轮的稳定性和抗风性能。
在强风条件下，风力发电机会自动启动风刹系统，将风轮停止旋转，以避免因风力过大导致设备损坏。
风力机空气动力学习题答案
风力机空气动力学习题答案风力机空气动力学习题答案风力机是一种利用风能转化为机械能的装置，其工作原理基于空气动力学的知识。
在学习风力机空气动力学的过程中，我们常常会遇到一些练习题，下面我将为大家提供一些常见题目的答案，帮助大家更好地理解和掌握风力机的空气动力学。
1. 什么是风力机的主要部件？它们各自的作用是什么？风力机的主要部件包括风轮、轴、发电机和控制系统。
风轮是风力机的核心部件，其作用是将风能转化为旋转机械能。
轴将风轮转动的机械能传递给发电机，使其产生电能。
发电机的作用是将机械能转化为电能。
控制系统用于控制风力机的启停、转向等操作。
2. 风力机的风轮受到风的作用，会产生哪些力？这些力对风力机的性能有何影响？风力机的风轮受到风的作用会产生气动力和惯性力。
气动力包括升力和阻力，其中升力使风轮产生旋转运动，阻力则抵抗风轮的旋转。
惯性力是由于风轮的旋转而产生的离心力。
这些力对风力机的性能有重要影响。
升力的增大可以增加风力机的转速和功率输出，但过大的升力也会导致风力机的振动和噪音增加。
阻力的增大会减小风力机的转速和功率输出。
惯性力的增大会增加风力机的转动惯量，使其响应速度变慢。
3. 风力机的功率输出与哪些因素有关？风力机的功率输出与风速、风轮直径和风轮的效率有关。
风速是影响风力机功率输出的最主要因素，功率输出与风速的关系呈立方关系。
风轮直径越大，受到的风能越多，功率输出也会增加。
风轮的效率是指风能转化为机械能的比例，效率越高，功率输出越大。
此外，风力机的功率输出还与空气密度、风向和风力机的运行状态等因素有关。
4. 什么是风力机的启动风速和切出风速？风力机的启动风速是指风力机开始转动所需的最低风速。
在启动风速以下，风轮无法产生足够的气动力，无法启动。
切出风速是指风力机停止转动的风速。
在切出风速以上，风力机会自动停止运行，以避免受到过大的风力损坏。
启动风速和切出风速是风力机设计和运行的重要参数，合理设置这两个风速可以保证风力机的安全运行和最大化的功率输出。
风力机空气动力学课程
风力机空气动力学课程风力机，大家肯定都不陌生吧。
说起风力机，可能很多人会想到那些高高的塔架，上面装着一对对大翅膀，在风中呼呼地转个不停。
看着它们，大家或许会觉得它们就像是天上的“风神”，默默地工作，帮我们发电，保护环境。
其实风力机背后的空气动力学，真的是一门有趣又复杂的学问，简单来说，它就像是风与风力机翅膀之间的“舞蹈”，只有双方配合得天衣无缝，才能产生最大的力量。
所以，今天就带大家一起走进这个神奇的世界，聊聊风力机的空气动力学。
我们得说说风力机翅膀到底是怎么工作的。
风力机的翅膀就像是巨大的飞机机翼，它们通过改变空气流动的方向来产生升力。
想象一下，如果你把手伸出车窗外，随着车速加快，你的手会被风推得向上升。
风力机的翅膀也是这个原理，只不过它们的翅膀要设计得更加精巧，能够适应不同的风速，最大化地利用风的力量。
这时候，风吹过翅膀时，空气的流动会因为翅膀的形状而发生改变，一部分气流被迫上升，另一部分则下压，这样一来就会产生一个升力。
升力越大，风力机转得越快，产生的电力也就越多，咱们可以用电的机会也就更多了。
要是你觉得这个过程有点难理解，那我再举个例子。
你看过海上的风车吗？你会发现这些风车并不是一直朝一个方向转的，而是根据风的变化不断调整方向。
这就是风力机背后一个关键的原理——“迎风性”。
简单来说，风力机翅膀总是尽量朝着风的方向转动，这样能确保它每一刻都能最有效地捕捉到风的力量。
如果它不调整方向，风就有可能从侧面刮过，浪费掉大部分能量，转得再快也没有用。
再说说气流的变化。
大家知道，空气并不是均匀的，有些地方空气密度大，风速快；有些地方空气稀薄，风速慢。
风力机的翅膀要面对的就是这种复杂的气流。
就像我们在人群中走路，如果周围有很多人，你就很容易被挤来挤去；但如果人少，路也宽，那你走得就很轻松，没那么费劲。
所以，风力机设计的关键之一就是如何在这些变化的气流中找到最适合的角度，让翅膀在任何风速下都能有最好的表现。
风力机空气动力学知识 64帧
图3-3 NREL S系列翼型的空气动力特性 （b）升力特性和阻力特性； （c）升阻比特性
3.翼型表面粗糙度对升力 特性的影响，有经验数据 显示，前缘粗糙可使原本 升力为1.2的翼型降为 0.6~0.7。如图3-4，表面粗 糙度对翼型空气动力特性 的影响。
图3-4 表面粗糙度对翼型 空气动力特性的影响
（2）阻力特性 翼型的阻力特性可以用翼 型阻力系数Cd随迎角变化的 阻力曲线来表示，也可以用 翼型阻力系数随翼型的升力 系数变化的极曲线来表示。 在附着区，翼型阻力主要是 摩擦阻力，阻力系数随迎角 增加缓慢增大；气流发生分 离后，翼型阻力主要是压差 阻力，阻力系数随迎角增加 迅速增大。如图3-3为Cl、 Cd及升阻比曲线图。
图2-1 叶素上的气流速度三角形 和空气动力分量
合成气流速度V0引起的作用在长度为dr叶素上的空气动力 dFa可以分解为法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分别表 1 示为： 1
dFn = 2 ρcV0 C n dr
dFt =
2
ρcV0 C t dr
式中 ：V0——合成气流速度； ρ——空气密度； c——叶素剖面弦长 Cn、Ct——分别表示法向力系数和切向力系数 这时，作用在风轮平面dr圆环上的轴向力（推力）可表示为
4.雷诺数对翼型空气空力特性影响 雷诺数的大小影响流动分离，从而改变翼型的空气动 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。
空气动力学
第四章风力发电的空气动力学原理风机叶片在空气中的受力特性与飞机的机翼在空气中的受力相类似，所以对风机叶片的空气动力学研究很多是借鉴了对飞机的翼型的空气动力学的研究技术以及飞机翼型的制造技术。
飞机在空气中运动所引起的作用于飞机上的空气动力取决于空气的物理属性，飞机的几何形状、飞行姿态以及飞机与空气之间的相对速度，因此在讨论空气动力的产生及其变化规律之前，首先来研究空气的基本属性。
空气动力学是关于气流特性的学说，相对于固体而言气体的特性。
空气动力学定律，尤其是旋涡、推力、正面阻力和升力使得飞机可以飞行。
相同的定律对于滑翔也很重要。
空气动力学是一门复杂的科学。
并非在每种具体情况下都可以通过假设计算对特定现象作数字上或理论上的精确说明，因而要利用风洞试验结果。
所以空气动力学也是一门以经验为依据的科学。
气体和液体统称为流体。
气体和液体同固体相比较，分子间引力较小，分子运动较强烈，分子没有一定的排列规律，这就决定了气体和液体具有共同的特性，不能保持一定形状，而具有流动性。
从力学性质来看，固体具有抵抗压力、拉力和切力的能力。
因而在外力作用下，通常发生较小的变形，而且到了一定程度后变形就停止。
流体由于不能保持一定形状，所以它不能抵抗切力。
当他受到切力作用时，就要发生连续不断变形（即流动）。
这就是流体同固体在力学性质上的显著区别。
气体和液体除了具有上述的共同特性外，还有如下的不同特性：液体的分子跟分子的有效直径差不多是相等的，当对液体加压时，由于分子距离稍有缩小，出现强大的分子斥力来抵抗外压力，这就是说：液体的分子距离很难缩小，可以认为液体具有一定体积，因此通常成液体为不可压缩流体。
一般来说，气体分子间距离很大，例如常温常压下空气的分子距离为3×10-7，其分子有效直径的数量级为10-8厘米。
可见分子距离比分子有效直径大得很多。
这样，当分子距离缩小很多时，才会出现分子斥力。
因此，通常称气体为可压缩流体。
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风力机空气动力学
风力机载荷与振动
2、风力机的载荷——操作载荷及其他
制动载荷 ——影响惯性载荷，产生附加载荷； 变桨调节 ——附加载荷，特别是失效工况； 偏航调节 ——附加载荷，特别是失效工况； 变流器故障或发电机短路——逆向传至叶轮； 其他载荷 ——如，覆冰、失速、台风破坏等。
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风力机载荷与振动
3、风力机的振动
自由振动——激振力等于零时，由初始条件 所决定的振动，如紧急停车过程中叶片振动。 受迫振动——即所谓的激振，如叶片(叶片传动系统)激振、机舱-塔架系统激振等。
自由振动频率又称固有频率：从 结构和材料上进行改善。
激振的表示：振幅时程曲线、振动模态曲线及频 率分布曲线( Compell Diagram，即坎贝尔图)。
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风力机载荷与振动
1、风力机叶片加工与连接
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风力机空气动力学
风力机载荷与振动
1、风力机叶片加工与连接
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风力机载荷与振动
(2)风力机叶片的连接
叶片叶尖部分：90%半径区域Cp最大，故高升 阻比的要求很重要。 叶片叶根部分：速比低，为保证半径方向转 矩相等，要求——弦长、叶厚、攻角大 等。 叶片根部连接：通过金属法兰边与轮毂相连。 连接型式1：叶根埋放带螺孔的金属 圆筒。
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风力机载荷与振动
3、风力机的振动：时程曲线
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风力机载荷与振动
3、风力机的振动：振动模态曲线
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风力机载荷与振动
3、风力机的振动：坎贝尔图
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风力机载荷与振动
(1) 风力机的振动：叶片坎贝尔图
4、风力机的结构动力学
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载荷3：气动载荷
载荷4：操作载荷及其他
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风力机载荷与振动
2、风力机的载荷
(2)风力机载荷的效果 摆振：旋转面内的弯矩(周向)
挥舞：旋转面外的弯矩(轴向)
俯仰：纵向的转矩(上下俯仰)
偏移：横向的转矩(左右偏移)
扭振：沿某轴的转矩(扭转)
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风力机载荷与振动
2、风力机的载荷——惯性载荷
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风力机载荷与振动
2、风力机的载荷——气动载荷
轮周力与轴向推力——挥舞、俯仰 偏航力 ——摆振、轴向推力弱(有利) 风切变——三叶片风轮能自平衡摆 振；但会产生俯仰 塔影效应——叶片周期性转过塔架 (风扰动)、塔架卡门涡街(前扰) 阵风与湍流——强度、频率不稳定
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风力机载荷与振动
(2) 风力机的振动：塔架贝尔图
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(3) 风力机的振动：系统坎贝尔图
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风力机载荷与振动
3、风力机的振动：坎贝尔图
低倍频对振动影响大——若低倍频与固有频 率重合，将发生较强的共振。
高倍频的激振力弱些——对振动的影响较小。
连接型式2：所谓的“宜家螺栓”连 接。 沈阳工程学院 风力机空气动力学
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(2)风力机叶片的连接
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(2)风力机叶片的连接
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2、风力机的载荷
(1)风力机载荷的分类
载荷1：重力载荷
载荷2：惯性载荷
风力机的载荷与振动
一、风力机叶片的加工与连接 二、风力机的载荷 三、风力机的振动 四、风力机的结构动力学简介
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风力机载荷与振动
1、风力机叶片加工与连接
(1) 风力ห้องสมุดไป่ตู้叶片的加工
叶片材料——玻璃纤维(GRP)、碳纤维(CFRP)等。
叶片模具——叶背与叶盆分离的两部分，再粘接。
避免某倍频，特别是低倍频与固有频率的交 点——离开20%以外：确定合理的转速范围。 注意考察振动幅度较大的谐次。
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3、风力机的振动：关于振型
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4、风力机的结构动力学
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风力机载荷与振动
2、风力机的载荷
(2)风力机载荷的效果
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2、风力机的载荷——重力载荷
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2、风力机的载荷——重力载荷
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2、风力机的载荷——惯性载荷
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