水平轴风轮的气动设计

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1、第五章水平轴风轮的气动设计能源与动力工程学院能动学院空气动力学教研室1第五章风轮的基本理论•6.1气动设计模型•6.2风轮功率特性•6.3风轮设计参数•6.4现代风轮叶片设计•6.5风轮的偏航控制•6.6转速-功率空气动力控制•6.7风轮尾流能动学院空气动力学教研室26.1气动设计模型风轮是风力机最主要部件，其气动特性影响风能转换率，也决定了风力机的经济性。水平轴风力机是现在最流行、最广泛的采用的风力机。本章主要讨论了风轮关键参数的设计原理和方法；风轮设计主要确定如下关键参数：–风轮直径；–叶片数；–叶尖速比；–叶片翼型；–叶素弦长；–叶素安装角；风轮设计主要流程如图所示6.1.1气动设

2、计流程图6-1风力机的设计流程能动学院空气动力学教研室3工作风速与功率的关系•风力机的实际输出功率受到一些条件的限制。•风力机的启动扭矩不能小于一最低扭矩，启动扭矩主要与叶轮安装角和风速有关，因此风力机有一个最低工作风速。•当风速超过技术规定的最高值时，基于安全方面的考虑(主要是塔架安全和风轮强度)，风力机应立即停车，所以每一风力机都要规定最高风速。•风力机达到额定功率输出时的风速称为额定风速。能动学院空气动力学教研室4能动学院空气动力学教研室5•如果增大发电机的额定功率，可以更有效地利用含能量大的高风速；•如果提高风力机的工作风速．在转速变化的情况下，功率按速度的三次方增加，但受发电机

3、额定功率的限制，不可增加太多。•为使供电频率稳定和出于安全方面的考虑，风力机应尽可能以稳定的或变化很小的转速工作。•所以风力机就不可能在任何风速下都以最佳的功率系数和叶尖速比工作。在固定的额定转速下，Cp值与λ无关，而是取决于风速V。•风力机的额定工作风速直接影响风力机的年输出能量，应根据风力机安装位置处的年平均可利用风速合理确定额定工作风速，以达到最佳的能量生成。能动学院空气动力学教研室66.1.2风轮直径的确定假设最大设计输出功率P(W)和风力机前风速度确定情况下，选u定叶尖速比，预估风力机的风能利用系数Cp值，则风轮直径D可按如下公式确定：8PuD3Cvp风轮的转速n为：6

4、0vnD能动学院空气动力学教研室76.1.2风轮直径的确定设计步骤：（1）根据风轮机特性曲线查取最优风能利用系数和叶尖速比配合（2）由Cp确定风轮机半径（3）确定风轮机转速能动学院空气动力学教研室8设计与优化能动学院空气动力学教研室9设计（风力机高速特性曲线λ-Cp已知）•已知：风力机功率P，设计风速Vw，风场风密度ρ，•求：风轮直径和转速n。•例：设计一台1500kW的风力机，已知设计风速为13m/s，风力机高速特性曲线如图，风场风密度ρ=1.21kg/m3。能动学院空气动力学教研室10设计计算•解：按最佳风能利用系数，取3叶片。据λ-Cp图查得对应λopt=5.8时风能利用系

5、数Cp=0.44；2P215001000则风轮半径r：rm28.57()33VC1.21130.44wp30V305.813则可得风轮机转速n：wnr25.2(/min)r28.57能动学院空气动力学教研室11优化（风力机高速特性曲线λ-Cp已知）•已知：型号（S风轮直径/额定功率P），，设计转速n，风场风速Vw,风密度ρ。求优化设计后的风力机转速n’和功率P’。例：S70/1500kW风轮机优化设计，已知该型号风力机，设计转速17.8r/min，风场风速13m/s，风密度1.21kg/m3；求改进后的转速及风力机功率。能动学院空气动力学教研室12

6、优化计算2rn2P•解：根据公式核算的4.17rCp0.2960VVC3wwp•则可以看出小于最佳λopt=5.8及风能利用系数Cpmax=0.44，风能没有高效利用；30V305.813•据最佳λopt=5.8改进风机转速n’：nrw20.57(/min)r70/2改进后功率P’：23PCr'0.5Vpw230.50.441.2135132250(kW)能动学院空气动力学教研室13练习1•设计一台2500kW的风力机，已知设计风速为15m/s，风力机高速特性曲线如图，风场风密度ρ=1.21kg/m3。(λopt=7.0，Cpm

7、ax=0.43）•答案D=60.2，n=33.3r/min能动学院空气动力学教研室14练习1•S80/2500kW风轮机优化设计，已知该型号风力机，设计风速15m/s，设计转速15.0r/min，风场风密度1.21kg/m3（求改进后的转速及风力机功率）（λopt=7.0，Cpmax=0.43）答案：n=25.1r/min，P*=4413KW能动学院空气动力学教研室15练习2•设计下列不同方案下的1000kW的风力机：•1.不同海拔