风力机空气动力学基本原理
空气动力学及其应用
空气动力学及其应用概述：空气动力学是研究空气对物体运动的影响的科学。
它在各个领域都有广泛的应用，包括航空航天、汽车工程、风力发电等。
本文将介绍空气动力学的基本原理及其在实际应用中的一些例子。
一、空气动力学的基本原理空气动力学研究的对象是空气流动对物体运动的影响。
其中，流体力学和动力学是空气动力学的两个基本分支。
流体力学主要研究流体的运动规律，动力学则探究力对物体运动的影响。
1. 流体力学流体力学分为两个分支：静力学和动力学。
静力学研究的是静止流体的力学性质，而动力学研究的是流体的运动特性。
在空气动力学中，我们主要关注的是流体的动力学性质，即液体或气体的流动过程。
2. 动力学动力学是研究运动物体的力学原理。
在空气动力学中，我们需要考虑物体在空气中移动时所受到的阻力、升力和推力等因素。
其中，阻力是空气对物体运动的阻碍力，而升力是物体在空气中产生的向上的力，推力是物体在空气中产生的向前的力。
二、空气动力学的应用空气动力学在各个领域都有重要的应用，下面将介绍其中一些常见的应用领域。
1. 航空航天工程航空航天工程是空气动力学的典型应用领域之一。
在飞机的设计和制造过程中，空气动力学原理被广泛应用。
例如，空气动力学可以帮助设计机翼的形状和尺寸，以达到减小阻力、增加升力的目的。
此外，空气动力学还能够帮助优化飞机的外形和气动布局，提高飞行稳定性和操纵性能。
2. 汽车工程空气动力学在汽车工程中也有重要的应用。
通过减小汽车的阻力，可以提高汽车的燃油经济性和行驶稳定性。
例如，在汽车外形设计中，空气动力学原理可以指导优化车身的流线型，减小车身与空气之间的阻力。
同时，空气动力学还可以帮助优化车辆底部的空气动力学布局，减小底部的气流阻力。
3. 风力发电风力发电是一种利用空气动力学原理的可再生能源技术。
风力发电机的叶片利用风的流动产生动力，并通过转子变速器将动力转化为电能。
在风力发电机的设计和优化中，空气动力学的原理被广泛应用。
《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
第二章-风力机的基本理论及工作原理
4）风杯式阻力差风力机 两个半球面杯对称安装在转轴两 侧，球面方向相反。一个凸面向 风，另一个凹面向风，显然在相 同风力下后者对风的阻力比前者 大。
叶轮由两片垂直的叶片阻成，叶片 截面为流线型的对称翼型，以相反方 向安装在转轴两侧。
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达里厄风力机在低风速下运转困难， 要在较高的风力下，风轮转速达到 叶尖速比为3.5以上才可能正常运 转，在尖速比为4-6可获较高的功 率输出。下图为达里厄风力机的功 率系数与叶尖速比的关系曲线。
达里厄风力机对叶片截面 形状（翼型）选择与外表光洁 度要求比较高。达里厄风力机 不能单靠风力自起动，必须依 靠外力起动使叶尖速比达到 3.5以上时才能依靠升力运转。 典型的达里厄风力机翼片不是 直的，而是弯成弧形，两翼片 合成一个φ形。
关系到叶片的攻角，是分析
风力机性能的重要参数。
10
实度比
▪ 风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积） 之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。
▪ 左图为水平轴风力机叶轮，S为每个叶片对风的投影面积， B为叶片个数，R为风轮半径，σ为实度比，
▪ σ=BS/πR2
11
▪ 右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长， B为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度，σ 为实度比。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径 与叶片长度的乘积，
32
风轮的轮毂比(Dh/D)：风轮轮毂直径Dh
与风轮直径之比。
U(1-a)
风力发电机工作原理：风能如何转化为电能
风力发电机工作原理：风能如何转化为电能
风力发电机是一种将风能转化为电能的设备。
其工作原理涉及风的动能通过旋转风轮（叶片）驱动发电机产生电能。
以下是风力发电机的基本工作原理：
1. 风的动能转化：
风力发电机的关键在于将风的动能转化为旋转机械部件的动能。
风是由地球上的温度和压力差异引起的，其中气流中的空气分子具有动能。
2. 叶片设计：
风力发电机通常包括三片或更多的叶片，这些叶片被设计成具有特定的空气动力学形状，以最大化从风中提取动能的效率。
3. 风轮转动：
当风吹过风力发电机的叶片时，叶片会受到气流的冲击，导致风轮
（转子）开始旋转。
4. 传动系统：
风轮的旋转通过传动系统（通常是齿轮箱）连接到发电机的转子。
这样的连接转换了机械能的形式，使其适用于发电机。
5. 发电机工作：
发电机的转子在旋转时，通过感应产生电流。
这是基于电磁感应的原理，即旋转的导体在磁场中产生感应电动势。
6. 电能产生：
通过电气系统，发电机产生的交流电被转换和调整为适用于输送到电网的电能。
7. 风向和控制：
风力发电机通常配备了风向控制系统，可以自动调整风轮的方向，确保始终朝向风的方向，最大化能量捕获效率。
8. 存储和输送：
有时，通过电能存储系统（如电池）或通过将电能输送到电网，风力发电机的产生的电能可以被存储或用于满足不同时间的用电需求。
风力发电机的工作原理基于通过叶片转动产生的旋转机械能，进而通过发电机产生电能。
这种技术是一种清洁、可再生的能源，对环境影响较小，因此在全球范围内得到广泛应用。
空气动力学技术在风力发电机叶片设计中的应用
空气动力学技术在风力发电机叶片设计中的应用风力发电机是一种非常具有发展潜力的新能源。
而其核心部件——叶片的设计则对于风力发电机的高效性、经济性、可靠性等方面至关重要。
而空气动力学技术对于叶片设计的应用,则能够提高风力发电机的发电效率，从而更好地满足能源需求，节约资源。
1. 空气动力学技术的定义与基本原理空气动力学技术是指研究流体（空气）在单位时间内通过流动的方式对于物体产生的力的规律或现象的技术。
它的基本原理是通过实验手段和数学模型对流体运动的速度和流量进行分析研究，从而更好地理解流体的运动规律，并应用这些规律于风力发电机的叶片设计中。
2. 空气动力学技术在风力发电机中的应用在风力发电机的叶片设计中，空气动力学技术主要应用在以下方面：1. 叶片形状优化空气动力学技术能够帮助设计者分析叶片的流场分布、气动特性及其对风力发电机发电效率的影响，从而通过优化叶片形状，改善风力发电机的发电效率。
2. 叶片材料选择由于叶片在高速运动的情况下需要承受很大的拉力和扭矩，因此选用合适的材料对于风力发电机的可靠性和寿命也至关重要。
空气动力学技术可以对叶片使用的材料进行分析，提供材料的适用性和优缺点，并建议叶片制造商在材料选择上做出合理的抉择。
3. 噪声控制风力发电机叶片在高速旋转时会发出噪音，影响了风力发电机的性能。
空气动力学技术可以针对叶片设计进行优化，提高叶片的气动特性，从而减小发电机的噪音。
4. 非定常气动特性分析除了在静态情况下对叶片进行分析，空气动力学技术还可以通过非定常气动流动分析，探讨叶片在旋转的情况下的动态响应特性，从而优化叶片的设计，提高其适应性和可靠性。
3. 空气动力学技术在风力发电机叶片设计中的局限性虽然空气动力学技术在风力发电机叶片设计中发挥着重要作用，但是其应用也存在局限性。
主要包括以下方面：1. 受限于计算机硬件条件空气动力学技术的应用需要计算大量复杂的流场分布和气动特性数据，因此需要大量的计算机硬件支持，这对于一些软件开发商和设计者来说是一大挑战。
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。
风力发电技术概论
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电机组与变电所连接图
一台变压器多台风机
多台变压器多台风机
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电场与电力系统实际连接图
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电场与电力系统实际连接图
二、风力发电原理
1. 风力发电机组：风力机+发电机 1）风力机
二、风力发电原理
1. 风力发电机组：风力机+发电机 1）风力机
风速——功率特性曲线
1.0 Pmax PN
输出 0.8 功率 0.6
(kw) 0.4
0.2 vin
0
5
vN 10 15
当风速在额定风速以下时，输 出功率不超过额定功率时，属 于正常调节范围；当风速高于 额定风速时，机械调速装置的 存在将风力机的输出功率限制 在所允许的最大功率以内
适用范围：适用于国家电网公司经营区域内通过110（66） 千伏及以上电压等级与电网连接的新建或扩建风电场。
总的感受：[09]版比[06]版更加严格，对风电场开发商要 求更高
四、国网风电场接入电网技术规定
相同点
电网接纳风电能力以及无功调节 风电场运行电压以及电压调节
风电场运行频率及电能质量
风电场通信和信号 风电场接入电网检测
最小值对应一个确定的攻 角。
二、风力发电原理
风能转换成电能的过程
风
风(动)能 风机
机械能 发电机
风力发电系统的构成
监测显示装置
储能装置
电能
风能
能量转换装置 (风力发电机组)
电力用户
风力机空气动力学-第四章解析
华北电力大学
《风力机空气动力学》
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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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《风力机空气动力学》
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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
华北电力大学
《风力机空气动力学》
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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
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翼型的气动参数
翼型攻角α ：在翼型平面上，把
来流 V 与弦线 C 之间的夹角定义翼型的
攻角，又称为迎角。
翼型的受力示意图
翼型的气动参数
当翼型攻角α大于零时，因此翼型下表面 压力大于上表面压力，气流在翼型上形成合力， 合力 F 即为翼型受到的空气动力, 其方向垂直 于翼型弦线。
合力可分解为两个分力: 一个分力FL与气
风轮叶片在风的作用下产生空气动
力使风轮旋转，将风的动能转换成机械
能，再将机械能转换成电能。风轮叶片
的性能直接影响到能量转换的效率。
风轮叶片
风轮叶片是风力机最重要的部件之
一。它的平面形状与剖面几何形状和风
力机空气动力特性密切相关, 特别是剖
面几何形状即翼型气动特性的好坏, 将
直接影响风力机的捕风效率。
叶片扭角分布
设计案例
叶片相对厚度分布
风轮参数
把叶片和轮毂组装起来就是风轮了，在风
力机整机中风轮还有以下参数：
叶片数：组成风轮的叶片个数。
锥角：叶片与旋转轴垂直平面的夹角
风轮仰角：风轮旋转轴与水平面的夹角。
风轮参数
风轮的性能参数
风轮的性能参数
通常用上面三个无量纲系数用来表示风力 机的特征性能指标。 推力系数CT 直接关系到风轮轴向推力的 大小，在很大程度上影响了风力机塔架的设计；
风力机空气动力学基本原理
主讲人：韩璐
2009年10月21日
空气动力学研究对象
空气动力学是流体力学的一个分支， 它主要研究空气与物体之间有相对运动 时，空气运动的基本规律以及空气
与物体之间作用力的学科。
运动的空气就是我们通常所说的风。
风的形成与定义
太阳辐射造成地球表面大气压
力分布不均匀，引起空气的运动就
翼型的选取对风轮的效率十分重要，性能
优良的翼型应该在某一攻角范围内保持升力系
数CL较高，而相应的阻力系数CD较小，即在某 一攻角范围内有较高的升阻比，另外，还应该 具有良好的制造工艺性。
叶素理论
设计案例
叶片气动外形设计结果以叶片弦长、扭角、厚 度沿叶片展长方向的分布形式给出。
叶片弦长分布
设计案例
空气动力的产生
物体在空气中运动或者空气流过物
体时, 物体将受到空气的作用力, 称为
空气动力。
风轮空气动力学的几何定义
1、风轮轴：风轮旋转运动的轴线； 2、旋转平面：与风轮轴垂直，叶片旋转时的平面；
4、叶片轴：叶片纵向轴，绕此轴可以改变叶片相对 于旋转平面的桨矩角；
2
1.225kg m3
翼型的攻角与升阻比
翼型的选取对风轮的效率十分重要，
性能优良的翼型应该在某一攻角范围内
保持升力系数CL较高，而相应的阻力系
数CD较小，即在某一攻角范围内有较高
的升阻比。
翼型速度三角形
翼型桨距角
θ=α+ β
α：翼型攻角
β：叶片桨距角 θ：叶片入流角
设计风速
速比λ、设计风速V、每个叶素翼型、
风轮直径D、每个叶素的弦长C和安 装角θ。
风轮直径
给定输出功率的风力机，风轮直径D为：
D C p
P V
3 1
4
P — 风力机额定功率； Cp — 风能利用系数，一般取0.4~0.5之间； η — 传动装置和发电机总效率，一般取0.4~0.65； ρ — 空气密度， (15℃)；
形成了风。风向和风速是描述风特
征的两个重要参数。
风力机的组成
风力机就是将风能转换为电能的装 置。通常它由风轮系统、传动系统、电 气系统、控制系统和塔架系统等组成， 其中风轮是最关键得部件之一。
风力机的组成
风力机风轮系统的类型
风力机按照风轮结构不同分为两大类：
垂直轴风力机
水平轴风力机
水平轴风力机
垂直轴风力机
垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转。 其主要优点是可以接受来自任何方向的风,因 而当风向改变时，无需对风。 对于较大型的风力机,因为受偏转与安全 极限应力的限制, 采用这种结构形式是比较困 难的。垂直轴风力机风能利用系数低于高速垂 直轴或水平轴风力机,在风轮尺寸、重量和成 本一定的情况下提供的功率输出较低,因而用 作发电缺乏竞争力。
设计风速 V 取决于使用风力机地区
的风能资源分布。
设计风速决定了风轮的最佳尖速比。
风轮的尖速比
风轮的尖速比λ是风轮叶片的叶尖速度和设计
风速之比(Tip Speed Ratio)。尖速比与风轮效率
密切相关，在风力机没有过速的条件下，运转 于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮效 率。
nR V
翼型的选取
5、在半径r处的叶片截面（翼型）：叶片与半径为r并 以风轮轴为轴线的圆柱相交的截面；
6、桨矩角：在半径r处翼型的弦线与旋转面的夹角。
风轮叶片
风轮叶片结构
风力机叶片 实质是从叶根到 叶尖径向位置上 不同翼型安照不 同扭角和弦长分 布组成。
叶片的二维假设
气流绕风轮叶片的流动比较复杂, 是一个空间的三元流动。当叶片长度与 其翼型弦长之比(展弦比) 较大时, 可以 忽略气流的展向流动，而把气流绕叶片 的流动简化为绕许多段叶片元(即叶素) 的流动, 叶素之间互相没有干涉。
流方向垂直, 称为升力; 另一个分力FD与气流方
向相同, 称为阻力。
升力、阻力和力矩系数定义
分别以V，ρ和C表示来流速度，空气密度
和翼型弦长，以M表示翼型的力矩，那么翼型
的基本空气动力学特性可以由以下无量纲系数 表示： 升力系数 阻力系数
力矩系数
翼型升阻特性曲线
风力机叶片核心参数 风力机叶片核心参数：设计尖
翼型结构和基本概念
翼型的几何参数
通常翼型几何外形由下列参数决定： 翼型前缘A：翼型的前部A为圆头； 翼型后缘B：翼型的尾部B为尖型； 翼型弦线C：翼型前缘与后缘的连线称为翼型弦线弦 线长度就是翼型的弦长C，弦长C是翼型的特征尺寸； 中弧线：翼型内切圆圆心的连线称为翼型的中弧线， 对称的翼型中弧线与翼弦重合；
风轮的性能参数
扭矩系数CM 则是表示风轮输出负载扭矩的 参数，它决定了齿轮箱的尺寸和发电机的选型； 风能利用系数CP（也称为功率系数）决定 了风力机风轮从风中所能获得的能量的能力， 即它是反映风力机的效率的参数。
谢谢大家！
低速水平轴风力机
高速水平轴风力机
高速风力机叶片数只有1 ~ 3片，高
速风力机由于速度高，特别适用于风力
发电，因此大多数发电用的风力机都是
由高速风轮所驱动的。
高 速 水 平 轴 风 力 机
风轮的组成和功能
风轮一般由1～3 个叶片和轮毂 所组成, 其功能是将风能转换为机械
能。
风轮系统工作原理
水平轴风力机
水平轴风力机按照风轮在气流中的位置分为： 上风式和下风式
水平轴风力机
按照风轮的旋转速度（叶尖速比），
水平轴风力机也可分为:
低速水平轴风力机 高速水平轴风力机
低速水平轴风力机
低速风力机的叶片数在12至24片之间不
等，叶片几乎覆盖了整个风轮表面，这些多叶
片的低速风力机特别适用于低风速环境，其起 动扭矩相对较高，主要用于提水等负载扭矩较 大的场合；