风速梯度对风力机设计影响的理论分析
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:)(212221V 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)(212221V V S F -=ρ风速V1是给定的，P的大小取决于V2，对N 微分求最大值：令其等于0，求解方程，得V2=1/3V1。
贝茨理论说明，理想的V1风能对风轮叶片做功的最高效率是59．3％。
空气动力学从风力发电到飞机设计的物理学原理
空气动力学从风力发电到飞机设计的物理学原理空气动力学是研究空气中物体运动规律和相互作用的学科，广泛应用于多个领域，包括风力发电和飞机设计。
本文将从物理学角度讨论空气动力学在这两个领域的原理和应用。
一、风力发电风力发电是利用风能产生电能的一种可再生能源形式。
空气动力学在风力发电中起到关键作用。
1. 风的本质风是由气压差异引起的空气运动。
当地面上的气压高于高空的气压时，形成气压梯度力，空气会从高压区流向低压区，形成风。
风速与气压差异和地形等因素密切相关。
2. 风力机构成风力机主要由叶轮、发电机和塔筒三部分组成。
其中，叶轮是空气动力学的核心部件。
3. 空气动力学原理叶轮的设计受到空气动力学原理的影响。
当风吹过叶轮时，叶片会受到气流的作用力，产生扭矩并转动。
这种扭矩与风速的平方成正比，与叶片的面积和叶片的角度等因素相关。
4. 性能优化为了提高风力机的性能，需要优化叶片设计。
根据空气动力学原理，增加叶片的面积和长度可以增加叶片受到的气流作用力，从而提高转动速度和发电效率。
二、飞机设计飞机设计也离不开空气动力学的应用，包括飞行原理、机翼设计和气动外形优化等方面。
1. 升力和阻力飞机的机翼设计和飞行原理基于空气动力学中的升力和阻力。
机翼形状、槽翼等设计可以产生升力，使飞机向上升空。
而阻力是空气对飞机前进方向的阻碍力，需要降低以提高飞行效率。
2. 气动外形飞机的外形设计需要考虑气动流线性和减小阻力。
通过流线型设计和减小机身和机翼的湿表面积，可以降低飞机的飞行阻力。
3. 稳定性和操纵性空气动力学原理还影响着飞机的稳定性和操纵性。
翼面的形状和翼展比等设计参数会直接影响飞机的横向和纵向稳定性，同时也会影响飞机的操纵性能。
4. 风洞试验为了验证飞机设计的空气动力学性能，通常需要进行风洞试验。
风洞试验通过模拟真实飞行条件下的空气流动，提供了设计者调整飞机外形和设计参数的机会，从而优化飞机的性能。
综上所述，空气动力学从风力发电到飞机设计都是重要的物理学原理。
高层建筑的风力影响与设计
高层建筑的风力影响与设计高层建筑的风力影响是在建筑工程设计中需要重点考虑的一个因素。
随着城市的发展和人们对于建筑物高度的需求，越来越多的高楼大厦被兴建起来。
然而，高层建筑所处的高空环境中风速较大，对建筑物的结构和稳定性产生着巨大的挑战。
本文将探讨高层建筑中风力的影响，并介绍与此相关的设计原则和方法。
一、风的基本概念风是大气环流中的一种运动状态，由气压差引起。
风的速度和方向是建筑物所受的风力影响的主要因素，通常用风速和风向两个参数来描述。
风速是指单位时间内空气流动的速度，常用米每秒（m/s）或千米每小时（km/h）来表示。
风向则表示风吹的方向，常用罗盘方位或与地理方位的夹角来表示。
二、高层建筑的风力影响1. 风压力的作用当高楼建筑面临风力作用时，风会给建筑物表面施加压力，这被称为风压力。
风压力会导致高楼产生倾斜、振动等问题，甚至对建筑物的结构安全构成威胁。
2. 风效应的外部表现风力对高层建筑的作用导致了一些外部的风效应，包括风载荷、湍流、涡流等。
其中，风载荷是指风对建筑物表面单位面积所产生的力的大小，它会导致建筑物产生弯曲变形和振动。
湍流和涡流则会在空气流动中形成旋涡，影响建筑物表面的风压分布。
三、高层建筑的风力设计原则1. 结构强度与稳定性设计高层建筑时，必须考虑到其所处环境中的风力影响，以保证建筑物的整体结构强度和稳定性。
建筑师和工程师需要运用力学原理和结构设计的知识，确定合理的结构形式和材料，以抵御风压力和风载荷的作用。
2. 风洞试验和数值模拟风洞试验和数值模拟是目前常用的研究高层建筑风力影响的方法。
通过在实验室中模拟真实的风场和建筑物，可以得出建筑物在不同风速和风向下的响应和变形情况。
这些试验数据可以为设计师提供参考，帮助他们更好地了解和预测高层建筑在风力作用下的行为。
3. 结构抗风设计措施在高层建筑的设计中，采取一系列的抗风设计措施是非常重要的。
例如，在建筑的外墙表面设置适当的减压孔，以减少风压力的作用；利用风洞试验结果优化建筑物的外形，并设计出合理的防风措施，如风向导流板、喷射风波等。
风力发电机组及应用：风轮系统(电)
6.风轮偏航角
7.风轮转速n
常用每分钟的风轮旋转圈数表示。 8.风轮尖速比
,但风轮的旋转速度通
它既是风轮重要的物理参数,也是风力发电机组 整体性能的重要指标。
风轮尖速比是叶片
气动设计最重要的参数。对于同样的风速,慢速风力机风轮尖速比
小,λ=1～2[如图2-1（a）、（b）所示],低转速运转,但输出转矩
2.1 风轮的空气动力性能
指的是正常工作条件下,风力发电机组能够 达到的最大连续输出电功率。
风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配,以获得最大的年发 电量和最低的发电成本, 。
风轮系统利用水平运动的来流气流的能力和效率,一般而言,即是指 风轮系统的空气动力特性。
。
。但是风轮系统的设计是一个涉及多学科的问题,它不仅 涉及空气动力学、机械学、结构动力学、材料学、气象学和控制 理论,还涉及风载荷特性、材料疲劳特性、试验测试技术等多方面 的知识。
一、风轮的空气动力性能参数
1.风轮叶片数
既要考虑风力机的扭矩输出、启动性能,也要考虑 风力机的用途、转速以及制作成本、风力机的稳定性等。
对于用于
如图2-1（a）所示],
对风力机风轮的转速没有严格的要求。要
得到这样的风力机,就需要风轮叶片数较多叶片实度较大。
现代风力发电机组对风力机风轮转速要求比较严格,而且希望有较 高的风能利用系数，
风轮 连接在轮毂上,允许风轮在旋转平面内向后或向前倾斜几度,这样可 以明显地减少由于阵风和风剪切在叶片上产生的载荷。
2.风轮中心高
,如图2-2所示 。从理论上讲,风轮中心高越高越好,根据风剪切特性,离地面高度 越高,风速梯度影响越小,这样在风轮实际运行过程中,作用在风轮 上的波动载荷越小,可以提高机组的疲劳寿命。但从实际经济意义 考虑,风轮中心高不可能太大,否则不但塔架成本太高,安装难度及 成本也大幅度提高。
第二章 风力机的基本理论及工作原理
叶素理论
叶素理论的出发点是将风轮叶片延展向分成许 多微段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的 流动相互之间没有干扰，即叶素可以看成是二维翼 型，这时，将作用在每个叶素上的力和力矩延展向 积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。
3.5.6直驱式垂直轴风力发电机
一个永磁直驱式发电机模型，是多极发电机，结构与水轮发电机 类似，只是转子励磁采用永久磁体。转子旋转在定子绕组中产生电 流输出。
发电机安装在钢结构的塔架基座上，塔架基座的柱与梁还要支持塔架与 风轮。
塔架安装在塔架基座上。
风轮在塔架顶端，风轮轴通 过传动轴连接发电机，发电 机与风轮同步旋转。 直驱发电机安装在塔架上部
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。
3.5.1 垂直轴风力机的分类
阻力型风力机
萨窝纽斯型（Savonius type）风力机，选用的是S 型风轮。它由两个半圆筒形叶片组成，两圆筒的轴线相 互错开一段距离。其优点是启动转矩大，启动性能良好， 但是它的转速低，风能利用系数低 。
升力型风力机
利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄式风力机， 其风能利用系数最高。多种达里厄式风力发电机，如Φ 型，△型，H型等。这些风轮可以设计成单叶片、双叶 片、三叶片或者多叶片。
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。
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。
大气压力梯度力对风场的影响及预测研究
大气压力梯度力对风场的影响及预测研究在我们日常生活中，经常会听到“气压高”或是“气压低”的说法。
这些说法实际上是在描述大气压力的变化情况。
大气压力是指单位面积上气体对横截面的压力大小。
而大气压力梯度则表示在空间中的压力变化率，即压力的变化程度与距离之间的比值。
大气压力梯度力是指在风的形成和发展过程中，由于地球表面上的气压梯度而产生的力。
当气压梯度越大时，大气压力梯度力也就越大。
这种力会使得风从气压较高的区域向气压较低的区域流动，从而形成风场。
大气压力梯度力对风场的影响是十分显著的。
首先，当气压梯度越大时，大气压力梯度力也就越大，风速将会增强。
这就解释了为什么在气压低的区域会出现强风，而在气压高的区域则相对较为平静。
其次，大气压力梯度力还会影响风的方向。
根据物体在压力梯度力作用下的运动规律可知，风会沿着气压梯度方向流动，垂直于气压线。
也就是说，风会从高压区向低压区流动，并且呈现从地面向高空逐渐偏转的趋势。
这种现象在气旋中尤为明显，气旋的风场中心就是气压梯度最大的地方。
由于大气压力梯度力的重要性，人们对其进行了广泛的研究，并尝试预测大气压力梯度力的变化。
预测大气压力梯度力的研究对于天气预报和气候研究具有重要意义。
目前，预测大气压力梯度力主要依靠数值模型和观测资料。
数值模型是利用计算机模拟大气运动和变化规律的方法，通过输入初始条件和边界条件，求解数学方程来模拟大气现象。
观测资料则是通过气象观测站、卫星和飞机等工具获取的气象数据。
这些数据包括气温、气压、风速等，可以用来计算大气压力梯度力。
然而，预测大气压力梯度力仍然存在一定的挑战和难点。
首先，大气压力梯度力的变化是一个复杂的非线性过程，受到多种因素的影响，如地形、水体、大气辐射等。
这使得预测模型的建立变得困难。
其次，观测资料的采集和处理也面临一些技术问题，比如观测站的分布不均匀和不同观测设备的差异。
为了改进大气压力梯度力的预测能力，科学家们在不断探索新的方法和技术。
风力分级机原理__概述说明以及解释
风力分级机原理概述说明以及解释1. 引言1.1 概述风力分级机是一种用于评估风速并将其分级的设备。
它广泛应用于气象学、航空航天、建筑工程等领域，对于了解和预测风力状况起着重要作用。
本文将介绍风力分级机的原理和工作过程，并解释其关键要点。
1.2 文章结构本文共分为五个部分进行叙述。
首先在引言中概述了本文的主题和结构，接下来的第二部分将详细介绍风力分级机的原理和应用背景。
第三部分将对风力分级机的工作过程进行概述说明。
而第四部分则会深入解释风力分级机原理的关键要点。
最后，在结论中对全文内容进行总结，并提出对未来发展的展望和建议。
1.3 目的本文的目的是系统地介绍风力分级机原理，帮助读者深入了解该技术及其在实际应用中所起到的作用。
通过阐明风力分级机各个方面的工作原理和核心要点，使读者能够更好地理解该设备，并为相关领域研究人员和工程师提供参考和指导。
同时，通过对未来发展的展望和建议，本文也旨在促进风力分级机技术的不断进步和创新。
以上是关于“1. 引言”部分的详细内容。
2. 风力分级机原理2.1 风力分级的背景和意义风力分级机是一种用于测量和评估风速、分类风力等级的设备。
在能源领域，了解风速和风力等级对于选择合适的发电场所以及安装和运行风能发电机组至关重要。
通过准确测量和分类风力等级，可以更好地规划和管理可再生能源项目。
2.2 风力分级的基本原理风力分级基于对环境中的气流进行监测和分析。
首先，使用传感器感知周围环境中的风速。
然后，通过特定的算法将获取到的数据转化为具体的风力等级。
这些算法通常依赖于国际上广泛接受的标准与规范，并结合当地实际情况进行优化。
2.3 风力分级机的组成部分风力分级机由多个组成部分组成，包括以下几个主要元素：- 传感器：负责感知周围环境中的风速，并将其转化为数字信号或模拟信号。
- 数据采集模块：用于采集传感器获得的数据，并进行初步处理，消除噪声和干扰等。
- 算法处理单元：对采集到的数据进行算法分析，将风速转化为具体的风力等级。
风力机风轮设计中计算风速影响的两种新形式
下两半风轮 扫掠 面积 上 的风 功率 不 同 ， 文献 ［］ 出 ２给 了计 算方法 ， 到 了作用于整 个风轮 扫掠面积 上 的风 得
功率， 但计算过程颇为繁琐。如何确定一个单值的设
计风速或是 否有 必要 将这 一 风速 梯度 直接 考虑 在 风 轮气动计算 中（ 那将导致计算 的复杂 性大 大增加 ）就 ， 是风轮气 动计面时 ， 由于 地 面上各 种 粗糙 元 的作 用 ， 会对风 的运动产 生摩擦 阻力 ， 风 的能 量减 少并导 致 使 风速减 少 。减少 的程度 随离地 面高 度增加 而降低 ， 即 平均风 速随高 度 的增加 而增 加 ， 一般 在离 地 面 ３０ ０～ ５０ ０ｍ后 风速才会 趋 于常数 …。而 目前兆 瓦级 的风 力 机（ 主要是水平 轴 风 力机 ） 的全 部 尺 寸都在 这 一 范 围 内， 以在进行 风 力机 风 轮 的外形 气 动优 化设 计 时 ， 所 就要 考虑这 种非 均 匀风 速 的影 响 。由于气 流 流 过上
ｓ ｉ ｆｑ ａ ｔｔｔ ｅａ ａｙ ｉ ｏ ｆｒ ａ ａ ｉｇｗｉｄ ｓ ｅ ｄ ａ ｅ ｒｔｒｃ ｎ ｒ ｅ ｕ ｉ ｒ ｄ ｉ ｎ ｐ ｅ ｕ ｔ ｏ ｕ ｎ ａ ｉ ｎ ｌ ｓｓｃ ｎ ｍｓｔ ｔｔｋｎ ｎ ｐ ｅ ｔｔ ｏｏ ｔｅ ａ ｔ ｎｆ ｍ ｅ ｇ ｗｉｄ ｓ ｅ ｄ ｓ ｉ ｖ ｉ ｈ ｈ ｅ ｓ ｈ ｏ ｓｎ
ｉ ，ｔ ｒａ ｘｅ ｔ ｒ ａ ｏ ａ ｌ ，ａ ｄ ｔ ｅｕ ｕ ｌ ｒ ｗ ｎ ｅ ｔ ｎ ｐ ａ ｅｈ ｓ ｎ ａ ｌ ｏ ａ ｅ ｔ ｎ ｔ ｅａ ｒｄ ｎ ｍｉｓ ｓ ｏａ ｇｅ ｔ ｔｎ ， ｅ ｓ ｎ ｂ ｅ ｎ ｎ ｎｆ ｍ ｉｄ ｓ ｃ ｏ ｌｎ ａ ｅ ｒ ｎ ｆ ｃ ｅｏ ｙ ａ ｃ ｅ ｈ ｏ ｉ ｙ ｏ ｈ
4-第4章-《风轮》
第四章风轮1、风轮是风力发电机组最关键的部件，风轮的成本约占风力发电机组总造价的【20%〜30%】，其设计寿命为【20】年。
2、在风力发电机组中，风轮的作用是把风的【动能】转换成风轮的【旋转机械能】，并通过传动链传递到发电机转换为【电能】。
3、风力发电机组的空气动力特性取决于风轮的【几何形式】。
风轮的几何形式取决于【叶片数】、【叶片的弦长】、【扭角】、【相对厚度分布】以及叶片所用翼型空气动力特性等。
4、风力发电机组追求的目标应该是【最经济的发电成本】，因此除了正确选择几何参数，优化空气动力设计外，还应合理选择【叶片数】、【叶片结构】和【轮毂形式】等。
5、【静止】状态的风轮和【超出生存风速】状况下旋转的风轮都不会产生功率。
6、在风轮转速确定的情况下，可以通过改变叶片【空气动力学外形】，如改变【叶尖形状】、降低【叶尖载荷】等来降低噪声。
7、由于风轮的噪声与风轮【转速】直接相关，当【叶尖速度】达到【70-80m/s】时，会产生很高的噪声，所以大型风力发电机组应尽量【降低】风轮转速。
8、叶片数多的风轮在【低】叶尖速比运行时有较高的风能利用系数，具有较大的【转矩】，而且启动风速较【低】，比较适用于提水。
9、叶片数少的风轮在【高】叶尖速比运行时有较高的风能利用系数，但启动风速较【高】，比较适用于风力发电。
10、风力发电机组两叶片与三叶片相比，虽然节省了材料，但风轮的【动态载荷】较大，解决【结构振动】问题的费用较多，使优点并不突出。
11、风轮的叶片数取决于【风轮尖速比】，一般来说，要得到很大的输出扭矩就需要较大的【叶片实度】。
12、单叶片和2叶片风轮的轮毂通常比较复杂，为了限制风轮旋转过程中的载荷波动，轮毂具有【跷跷板】的特性（即采用柔性轮毂）。
13、假如3叶片风轮也要达2叶片风轮这样的高转速，那么要使每个叶片的【弦长】设计的很小，从结构上来说可能无法实现。
14、风轮联接在轮毂上，允许风轮在旋转平面内向后或向前倾斜几度，这样可以明显地减少由于【阵风】和【风剪切】在叶片上产生的载荷。
风力机组的机械设计与动力学分析
风力机组的机械设计与动力学分析风力机组是利用风能驱动的发电装置，具有环保、可再生和低成本等优势，因此受到越来越多的关注。
机械设计与动力学分析是风力机组开发的核心任务之一，本文将围绕这一主题展开论述。
一、风力机组的机械设计机械设计是指根据特定的功能需求，选择和配置适当的零部件和机械系统，以满足特定的性能要求。
在风力机组中，机械设计涉及风轮、变速箱、发电机和机组结构等方面。
首先，风轮是风力机组的核心设备之一，负责将风能转化为旋转动能。
在机械设计中，需要考虑风轮的尺寸、形状、叶片数目等参数，以及材料的选择和强度分析。
同时，还需考虑叶片的气动特性，如展向角、扭转角等，以实现最佳的功率输出。
其次，变速箱是将风轮的转速变换为适合发电机运转的转速的装置。
在机械设计中，需要选择适当的传动比和齿轮配置，以及考虑齿轮的强度、可靠性和噪声等因素。
变速箱的设计要兼顾高效率、平稳运行和长寿命。
此外，发电机是将机械能转化为电能的关键装置。
在机械设计中，需要选择合适的发电机类型（如同步发电机、异步发电机等），并考虑转子和定子之间的转矩传递和磁场分布等因素，以满足电能输出的要求。
最后，在机械设计中还需要考虑风力机组的结构设计，即支架、塔筒、底座等部件的选择和配置。
结构设计需要考虑风力机组的稳定性、可靠性和抗风载性能，以确保风力机组在恶劣气象条件下的安全运行。
二、风力机组的动力学分析动力学分析是研究物体运动和力学特性的科学领域，而在风力机组中，动力学分析主要涉及风轮的受力分析和转动特性分析。
首先，风轮受力分析是动力学分析的关键步骤之一。
在风力机组中，风轮受到来自风的气动力和惯性力的作用，还受到与变速箱和发电机之间的转矩传递相关的力。
通过对风轮的受力分析，可以确定叶片和轴的受力情况，进而评估风轮的承载能力和可靠性。
其次，风力机组的转动特性分析是动力学分析的另一个重要方面。
在风力机组运行过程中，风轮的旋转速度和转动惯量对发电机的电能输出具有影响。
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第３３卷第３期 ２００７年６月 兰州理工大学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０Ｉ．３３ Ｎｏ．３ ＪｕｒＬ ２００７
文章编号：１６７３－５１９６（２００７）０３－００５５—０３ 风速梯度对风力机设计影响的理论分析 张玉良，杨从新，李仁年，李德顺 （兰州理工大学流体动力与控制学院，甘肃兰州７３００５０） 摘要：根据风速指数规律分布，采用三种计算过程，对风轮扫掠面积上的真实风功率做了定量计算．数值积分计算 结果表明，在四类廓线指数、七种塔架高度情况下，风速梯度对气动设计影响甚微，采用风轮中心风速做为单一的 设计风速是切实可行的． 关键词：风力机；风速梯度；风功率；设计风速 中图分类号：ＴＫ８３ 文献标识码：Ａ
Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｎ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｄｅｓｉｇｎ ＺＨＡＮＧ Ｙｕ—ｌｉａｎｇ，ＹＡＮＧ Ｃｏｎｇ－ｘｉｎ，ＬＩ Ｒｅｎ－ｎｉａｎ，ＬＩ Ｄｅ－ｓｈｕｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｅｈ．，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐａｓｓｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｓｗｅｐｔ ａｒｅａ ｗａｓ ａｎａｌｙｓｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉ６ｎ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｔｅ— ｇｒａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｈａｄ ｏｎｌｙ ａ ｌｉｔｔｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒ— ｂｉｎｅ．Ｔｈｕｓ，ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｔ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｃｅｎｔｅｒ ａｓ ｉｔｓ ｄｅｓｉｇｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｆｏｒ ｆｏｕｒ ｗｉｎｄ ｓｈｅａｒ ｅｘｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｅｖｅｎ ｔｏｗｅｒ ｈｅｉｇｈｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ；ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｉ ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
应用水平轴风力机进行风力发电是目前风能利 用的主要方式．大功率风力机由于其风轮直径很大， 在设计时必须考虑风速梯度对风轮气动设计的影 响，因此风轮气动设计非常繁琐．而现有的各种气动 设计方法［１瑚］都是把风轮中心的风速做为单一的设 计风速来计算，缺乏理论上的支持．因此本文将通过 三种数学计算过程证明该方法具有合理性、较高的 计算精度和很好的应用价值． １平均风速随高度变化的分布函数 大约在３００ ｍ之下的高度内，平均风速随高度 的增加而增加［９￣１０］，而目前风力机的最大尺度都在 这一范围内，平均风速与高度基本上满足下列两种 关系式： １）对数律公式： 一 Ｉｎ（Ｚ ／Ｚｏ） （１） 一面 ｕ 收稿日期：２００６－１０－２５ 基金项目：甘肃省科技攻关项目（２ＧＳ０５２一Ａ５２—００４—０３） 作者简介：张玉良（１９７８一），男，山东潍坊人，硕士，助教 式中：ｔｏ（ｚ）为离地高度 处的平均风速， （ 。）为离 地参考高度 。（一般取１０ ｍ）处的平均风速， 。为地 表面粗糙长度． ２）指数（赫尔曼乘幂）律公式：
ｖ（ｚ一（ ）。） ＼ 。／ … 式中：ａ为风速廓线指数． 实测结果表明：用对数律和指数律公式都能较 好地反映风速沿高度的分布规律，但用指数律公式 计算的风速值与实测值的偏差比用对数律计算的风 速值与实测值的偏差要小［５］．鉴于此，本文将采用指 数律公式来计算作用于风轮扫掠面积上的风功率．
２风功率的计算 根据作用于风轮扫掠面积上风功率分布的特 点，采用三种数学计算过程对风轮扫掠面积上的风 功率做定量计算． ２．１上下两半风轮扫掠面积上风功率的计算 由于流过上下两半风轮扫掠面积上的风功率不 同，因此对上下两半风轮扫掠面积上的风功率分别
维普资讯 http://www.cqvip.com ・５６・ 兰州理工大学学报 第３３卷 Ｐ一 磅 ｆ１ －－－ｚ７（￣＋Ｔ） （８） 一 磅毒ｊ一 、／，１ ｄ （８
一Ｐ／Ｐｏ／Ｐｏ一 ｆ１ ＝ （元＋．） （１０） 一 一嘉ｊ一 、／／ 一 （＾＋ｒ） ｄｒ（ ０）
警／．Ｉ Ｉ＼ 。
一 （字） ｄＰ一丢 。 一丢 ３（ ） 一 １ ３－ｚ（１＋ ） （ｃｏ ｄＯ（１２）
Ｐ一础 （１＋ ） （ｃ。ｓ ６『） ｄＯ（１３） Ｐ一础ｚＪ． （１＋ ） （ｃ。ｓ ６『） （１４）
维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 张玉良等：风速梯度对风力机设计影响的理论分析 ＝Ｐ／Ｐｏ一 （１＋ ） （ｃｏｓ ｄＯ （１５） ２．３整个风轮扫掠面积上风功率的计算 如图３所示，在离风轮中心为ｒ处取一微元面 积 ，此微元面积为ｄｓ＝ｒｄＯｄｒ，流过此微元面积的 风功率为 ｄＰ一 。ｄｓ／２ 式中： 为流过 的风速，且
一 （ ）
—＼＼
～ｄｓ＼
（１６）
图３风功率计算图【Ⅱ） Ｈｇ．３ Ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ（Ⅱ）
同理，有ｄＰ一 １ ０（１＋堡 ） ｄ砌ｒ，则流过风 轮扫掠面积的真实风功率为 Ｐ— １ 。３Ｊ。２ （１＋塑 ）３０ｒｄｒ （１７） 引入ｒ／Ｒ—ｒ，同理风功率影响因子 。为 ＝＝＝ ＋ ） ３风速梯度对气动计算的影响 ３．１数值计算 基于某一确定的风速廓线指数口，对式（１０，１５， １８）三方程进行精确数值积分可求得三个风功率影 响因子．现分别对塔架高度为１．５Ｒ、１．７５Ｒ、２．ＯＲ、 ２．２５Ｒ、２．５Ｒ、２．７５Ｒ和３．ＯＲ七种情况进行数值积 分，风速廓线指数口按照我国建筑结构载荷规范中 的Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四种情况取值．计算结果表明，任意组 合状况下，三个风功率影响因子完全相同，见表１． ３．２计算结果分析 １）随着塔架高度的增加，风功率影响因子越来 越趋向于１．说明随着塔架高度的增加，用风轮中心 处的速度代替流过整个风轮扫掠面积上各处的真实 速度而计算的风功率越来越接近流过扫掠面积的真 实风功率，二者差别甚微． ２）对于陆地适用的风速廓线指数口一０．２０Ｅ引， 表ｌ数值计算结果 Ｔ １ Ｎｍｎｅｄｅａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｈ／Ｒ ｌ＿５Ｏ ｌ＿７５ ２．ＯＯ ２．２５ ２．５Ｏ ２．７５ ３．ＯＯ Ａ类 Ｚ１．２。３ ０．９８６ ０．９９０ ０．９９２ ０．９９４ ０．９９５ ０．９９６ ０．９９７ ａ＝０．１２ ．ｚ．３ ０．９９５ ０．９９７ ０．９９８ ０．９９８ ０．９９８ ０．９９９ ０－９９９ Ｂ类 ．２．３ ０．９８５ ０．９８９ ０．９９２ ０．９９４ ０．９９５ ０．９９６ ０．９９７ ａ＝０．１６ ，３ ０．９９５ ０．９９６ ０．９９７ ０．９９８ ０．９９８ ０．９９９ ０．９９９ Ｃ类 Ｚ１．２．３ ０．９８６ ０．９９０ ０．９９４ ０．９９５ ０．９９６ ０．９９６ ０．９９７ ａ＝０．２０ ．２．３ ０．９９５ ０．９９７ ０．９９７ ０．９９８ ０．９９８ ０．９９９ ０．９９９ Ｄ类 ．２．３ ０．９９５ ０．９９６ ０．９９７ ０．９９８ ０．９９８ ０．９９９ ０．９９９ ａ＝０．３０￣；， ， ０．９９８ ０．９９９ ０．９９９ ０．９９９ ０．９９９ ｌ＿０００ １．０００ 现有塔架高度大多为２Ｒ的情况，风功率影响因子 为０．９９４， 为速度影响系数，其值为０．９９７，即速 度误差在０．３９／６以内．此种情况表明，常规情况下的 设计，风轮中心风速取值完全满足工程要求． ３）上述结果的出现是由于随着塔架相对高度 的增加，风速梯度越来越小，风速切面更趋于均匀所 致． ４结论 １）在进行大功率水平轴风力机风轮设计过程 中，无穷远来流风速梯度对风轮获取能量影响甚微． ２）直接采用风轮中心（即轮毂）处的速度值作 为设计风速，完全可以满足工程设计要求． ３）风速梯度带来的微小影响以及由此产生的 设计中的相关修正将是下一步要讨论的问题．
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