风力发电技术讲座二 风力机的工作原理.pdf

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1、可再生能源&4405&（总第!&0期）技术讲座风力发电技术讲座（二）风力机的工作原理姚兴佳，王士荣，董丽萍（沈阳工业大学风能技术研究所，辽宁沈阳!!44&+）中图分类号：670!-文献标识码：8文章编号：!03!9.&:&（&440）4&9442394+!升力与阻力’#——阻力系数。当气流流经如图!所示的翼型叶片时，叶’$与’#均由试验求得。片上面气流速度增高，压力下降，叶片下面几乎由于"$与"#相互垂直，所以保持原来的气流压力，于是叶片受到了向上的"&,"&%"&（-）$#作用力!。此力可分解成与气流方向平行的力"#并且（称为阻力）和与气流方向垂直的力"（称为升’&

2、,’&%’&（.）$$#力）。对于同一翼型，其升力系数与阻力系数之比值，称为它的升阻比"。"%’$/’#（0）（&）影响升力系数与阻力系数的因素影响升力系数与阻力系数的主要因素有翼型、攻角、雷诺数和粗糙度等。"翼型的影响图!气体流经翼型叶片的受力示意图图&所示为+种不同横截面形状（翼型）的（!）升力的计算公式叶片在气流中的升力和阻力。图!中气流对叶片的作用力!用下式计算：!&"%!’()*（!）&式中：*——吹向叶片的风速；!——空气密度；’(——叶片总空气动力系数；)——叶片的最大投影面积。叶片的升力"$与阻力"#按下式计算：图"#种不同翼型叶片的升力和阻力!&"$

3、%!’$)*（&）当气流由左向右吹过，对于不同的翼型产生&的升力与阻力不同。平板型阻力1弧板型阻力1流!&"#%!’#)*（+）&线型阻力；流线型升力1弧板型升力1平板型升式中：’$——升力系数；力。相对应的’$与’#值亦如此。收稿日期：&44094&9!.作者简介：姚兴佳（!:-:9）;男，教授，博士研究生导师，长期从事风能利用技术的研究工作，国家“20+”项目主持人，是享受国务院政府特殊津贴的专家。23技术讲座"#$#%&’(##$#")*$+,--../01-/2334567&889!攻角的影响’叶片表面粗糙度的影响气流方向与叶片横截面的弦长(的夹角"叶片表面不

4、可能做得绝对光滑，我们把凹凸称为攻角，也称迎角，其值正、负如图:所示。;*与不平的波峰与波谷之间高度的平均值称为粗糙;<随"的变化情况如图=所示。度。波峰与波谷之间高度的平均值大，阻力增加，;<值高，但是粗糙度对;*值的影响不大。制造叶片时应尽量使叶片表面平滑，避免产生过大的摩擦阻力。#风力机的类型国内外风力机的结构形式繁多，从不同的角度有多种分类方法。(按风轮轴与地面的相对位置，分为水平轴式风力机和垂直轴（立轴）式风力机。图!风轮叶片的攻角!按叶片工作原理，分为升力型风力机和阻力型风力机。#按风力机的用途分类，有风力发电机、风力提水机、风力铡草机、风力脱谷机等。’按

5、风轮叶片的叶尖线速度与吹来的风速之比的大小来分，有高速风力机（比值大于:）和低速风力机（比值小于:）；也有把该比值-GH者称为中速风力机。)按风机容量大小分类：国际上通常将风力图"!"和!#与攻角!的关系机组分为小型（1..I%以下）、中型（1..G1...当攻角"值在一定范围内变化时，升力随I%）和大型（1...I%以上）:种；我国则分成微攻角的增加而变大，阻力也在变化；当攻角"型（1I%以下）、小型（1G1.I%）、中型（1.G1..值增加到某一临界值时，升力达到最大值（即I%）和大型（1..I%以上）=种；也有的将1...;*!;*>?@）；当"值再增大时，升力

6、突然开始下I%以上的风机称为巨型风力机。降，同时阻力也急剧增加，这种现象称为“失*按风轮相对于塔架的位置，分为上风式速”。产生失速的根本原因，是气体的比较有规（前置式）风力机和下风式（后置式）风力机。则的流线与翼型后上部（见图:A-A=之B处）+按风轮的叶片数量，分单叶片、双叶片、三的轮廓分离，并在分离区形成涡流，使翼型上下叶片、四叶片及多叶片式风力机。压差变小。现在各国应用较多的是水平轴、升力型和少#雷诺数的影响叶式的风力发电机（多数为-G:个叶片），本讲座空气流经叶片时，气体的粘性力将表现出将侧重介绍此类风力发电机。来，这种粘性力可以用雷诺数"5表示：!风力机的基

7、本工作原理D(风力机的基本功能是利用风轮接收风能，并"5C（E）$将其转换成机械能，再由风轮轴将它输送出去。式中：D——吹向叶片的空气流速；风力机的工作原理：空气流经风轮叶片产生升力(——翼型弦长；或阻力，推动叶片转动，将风能转化为机械能。$——空气的运动粘性系数，$C%F&（%为空尽管风力机的类型很多，但是普遍应用的是气的动力粘性系数，&为空气密度）。水平轴和垂直轴两大类。国内外普遍应用的风力"5值越大，粘性作用越小，;*值增加，;<值减机以水平轴升力型居多。下面重点介绍水平轴升小，升阻比!值变大。力型和垂直轴阻力型风力机的基本工作原理。!!可再生