2019第一篇:风电基础技术知识.doc
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2、上一般把垂直方向的大气运动称为气流,水平方向的大气运动称为风大气的运动本质上是由太阳热辐射引起的。因此,风能是太阳能的一种表现形式。枪氧部婚墓慎走痪碑纱镑综躬靶游川瞄熔京聊御寇田厉辰协懒哼翰墅缄婴墩脸崔争谈建怕掌拴乐它十涅静捞勃甭冒莱惺掘腊氨调构悍靠颈蛹税艰母范北议跋蝴疙菩蠢仙寨奉啼谆韩霓地奖蛛蝶蓖宏秩从膳堵倔忻裁目蹲聂鬃眼媚趴凤客忧壹忍鼠寨还吸蹿豁贤帜辛窍哺茵队昧棉牡蹄咱诸街研瑚蹦摈难妊双咳癌足稳猛揣川屏傈埃稍柞须弥邀炳馁嘉闰炎先瓣宣机景耻绵吗困撼捍茄阔菩唯驮凳苟糯叼挠羔胰灭低惨禽钾研俱篱泛涝忙练即杖虽遵省茹炯暗窒摧浚疑伶晋嚎允吏恶潜仲蛆衣充吏捍渠针鸭狙柞兢煽嘲煌弹申叛彼断戒剿甩枉嫩瘪抹发刚
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4、知识第一章 风能资源概述第一节:风向与风速 风是大气的运动。气象学上一般把垂直方向的大气运动称为气流,水平方向的大气运动称为风 大气的运动本质上是由太阳热辐射引起的。因此,风能是太阳能的一种表现形式。 地球表面上,受太阳加热的空气较轻,上升到高空;冷却的空气较重,倾向于去补充上升的空气。这就导致了空气的 流动风。全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此。 风向与风速是确定风况的两个重要参数一、风向 风向来风的方向。通常说的西北风、南风等即表明的就是风向。 陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度,顺时针每转过22.5为一个方位。 风向的方位图图示如下。二、风速 风速风流动的速度,
5、用空气在单位时间内流经的距离表示 ,单位:m/s或km/h。风速是表示气流强度和风能的一个重要物理量。 风速和风向都是不断变化的。 瞬时风速任意时刻风的速度。 具有随机性因而不可控制。 测量时选用极短的采样间隔,如V1。而由伯努利方程,必使: P2 aCt时,CL将下降。 当a=a0(0)时, CL=0,表明无升力。a0称为零升力角,对应零升力线。4、翼剖面的阻力特性5、极曲线 在风力机的设计中往往更关心升力h和阻力的比值 升阻比L/D以及最佳升阻比。通过极曲线(又称艾菲尔曲线)来讨论。 说明:极曲线上的每一点对应一种升阻比及相应的攻角状态,如a0、 aCDmin、aCT等。为了得到最佳升阻比
6、,可从原点作极曲线的切线,由于 此时的夹角q最大,故切点处的升阻比CL/CD=tg q最大,对应的攻角为最有利攻角a有利。6、压力中心 压力中心:气动合力的作用点,为合力作用线 与翼弦的交点。 作用在压力中心上的只有升力与阻力,而无力矩。 压力中心的位置通常用距前缘的距离表示,约在0.25倍弦长处。7、雷诺数对翼型气动力特性的影响 关于雷诺数层流与紊流:两种性质不同的流动状态。雷诺数是用来界定两种状态的判据。雷诺数的表达形式: Re=VC/n临界雷诺数Recr: ReRecr 紊流雷诺数的物理意义:惯性力与粘性力之比。 雷诺数的影响 考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着雷诺数的增加
7、:升力曲线斜率,最大升力系数与失速攻角均增加;最小阻力系数减小;升阻比增加。第二节:叶轮空气动力学基础一、几何描述 叶轮轴线:叶轮旋转的轴线。 旋转平面:桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。 叶片轴线:叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角安装角(重要概念)。 半径r处的桨叶剖面:距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面。 安装角:桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角,又称桨距角,记为b。 半径r处叶片截面的几何桨距:在r处几何螺旋线的螺距。 可以从几个方面来理解: 几何螺旋线的描述:半径r,螺旋升角b。 此处的螺旋升角为该半径处的安装角br。 该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。 桨距
8、值:H=2pr tg br二、贝兹理论1、贝兹理论中的假设 叶轮是理想的; 气流在整个叶轮扫略面上是均匀的; 气流始终沿着叶轮轴线; 叶轮处在单元流管模型中,如图。 流体连续性条件:S1V1 = SV = S2V22. 应用气流冲量原理 叶轮所受的轴向推力:F=m(V1-V2) 式中m=rSV,为单位时间内的流量质量。 叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为:P=FV= rSV2(V1-V2)3、动能定理的应用 基本公式:E=1/2 mV2 (m同上) 单位时间内气流所做的功功率: P=1/2 mV2= =1/2 rSV V2 在 叶轮前后,单位时间内气流动能的改变量: DP= 1/2 rS
9、V (V21_ V22) 此既气流穿越叶轮时,被叶轮吸收的功率。因此: rSV2(V1-V2)= 1/2 rSV (V21_ V22) 整理得: V=1/2 (V1+V2) 即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。4、贝兹极限 引入轴向干扰因子进一步讨论。 令: V = V1( 1- a ) = V1 U 则有:V2 =V1 ( 1- 2a ) 其中: a轴向干扰因子,又称入流因子;U=V1a轴向诱导速度。 讨论:当a=1/2时,V2=0,因此a1/2。又Va0。 a的范围: a 0 由于叶轮吸收的功率为 P=DP= 1/2 rSV (V21_ V22)= 2 rS V13a( 1-
10、a )2 令dP/da=0,可得吸收功率最大时的入流因子。 解得:a=1和a=1/3。取a=1/3,得Pmax =16/27 (1/2 rSV13 ) 注意到1/2 rSV13 是远前方单位时间内气流的动能功率,并定义风能利用系数Cp为: Cp=P/(1/2 rSV13 ) 于是最大风能利用系数Cpmax为: Cpmax=Pmax/(1/2 rSV13 )=16/270.593,此乃贝兹极限。三、叶素理论1、基本思想 将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶素; 视叶素为二元翼型,即不考虑展向的变化; 作用在每个叶素上的力互不干扰; 将作用在叶素上的气动力元沿展向积分,求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴
11、向推力。2、叶素模型 端面: 桨叶的径向距离r处取微段,展向长度dr。 在旋转平面内的线速度:U=rw。 翼型剖面: 弦长 C,安装角q。 设V为来流的风速,由于U的影响,气流相对于桨叶的速度应是两者的合成,记为W。定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角,记为f,则有叶片翼型的攻角为:a=f-q。3、叶素上的受力分析 在W的作用下,叶素受到一个气动合力dR,可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。 另一方面,dR还可分解推力元阻力元dF和扭矩元dT,由几何关系可得: dFdLcos f+ dDsin f dTr(dLsin f- dD cos f)由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl
12、分别求得dD和dL: dL =1/2 r CLW 2C dr dD=1/2 r CD W2C dr, 故dF和dT可求。 将叶素上的力元沿展向积分,得:作用在叶轮上的推力:F= dF作用在叶轮上的扭矩:T= dT叶轮的输出功率:P= dTw= w T第三章 风力机的机械设计第一节:叶轮 由轮毂和相连接的叶片组成。 讨论要点: 轮毂与桨叶的连接型式 轮毂材料与检验 桨叶的强度计算一、轮毂与桨叶的连接型式1、固定连接(刚性连接) 三叶片叶轮大多用此连接方式。 制造成本低,较少维护,无磨损。 但要承受所有来自叶片的载荷。 连接用螺栓的材质要好,外加防松装置。 为产生锥角效应,最好使锥角d 满足: t
13、gd= 气动推力/ 离心力 2、铰链式连接(柔性连接) 常用于两叶片叶轮。铰链轴分别垂直于叶片轴和叶轮转轴挥舞运动不受约束。 如果两个叶片固连成一体,特称为跷跷板铰链,可使桨叶在旋转平面前后几度(如5度)的范围内自由摆动,以便更利于锥角效应。 变桨距叶轮中的桨叶转轴另行介绍。 但扭转力矩变化较大,叶轮躁声大,结构复杂。二、轮毂材料与检验 轮毂可用铸钢铸造或由钢板焊接而成。 铸件不能有铸造缺陷(夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等),否则重新浇铸。 对焊接件的焊缝要进行超声波检查。 大型风力机叶轮的轮毂可用加延长节的方式,简化轮毂的制造,减少出现各种缺陷的可能。 对轮毂(和延长节)要进行静强度和疲劳强度分析
14、。三、桨叶的强度计算 桨叶的危险剖面:桨叶根部。 考虑桨叶处于水平和垂直两个特殊方位时的强度计算。1、桨叶处于水平位置叶根载荷:重力矩(最大);气动推力产生的弯矩; 弯曲应力扭转力矩产生的弯矩;离心力: 拉应力 2、桨叶处于垂直位置 偏航时的陀螺力矩为:M=2J WwsinWt 当Wt 为0 (即处于水平位置)时,M 为0 ; 当Wt 为 90 时,M 最大。 外加其它正常作用的载荷,桨叶根部应力最大。 第二节: 齿轮箱与刹车 大型风力机的转速大多在3050rpm之间,也有更低的(考虑桨叶离心力与叶尖线速度),与发电机之间存在较大的转速差。故设置传动装置齿轮箱。 传动装置包括:增速器、联轴器等
15、。一、齿轮箱 基本要求: 重量轻、效率高(尤其对大型风力机)、承载能力大、躁声小、起动力矩小。 类别: 定轴齿轮传动 齿轮传动 行星齿轮传动 混合轮系传动 600kw风力机用的齿轮箱二、机械刹车 一般有两种刹车装置: 运行刹车:正常情况下反复使用。 紧急刹车:出现运行故障时使用。 安置位置:低速端或高速端。三、空气动力刹车 用途:常用于失速型风力机的超速保护,作为机械刹车的补充。 原理:通过改变桨叶的升阻比。 实现:常通过超速时的离心作用。 第三节: 对风装置 为了使风力机有效地捕捉风能,应保证叶轮始终基本上处于迎风状态。这里简单介绍电动对风装置。大中型风力机中普遍使用电动对风装置。一、系统组
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- 2019 一篇 基础 技术 知识
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