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风电机组空气动力学基础 • 引言 • 风电机组空气动力原理 • 风电机组空气动力设计 贺德馨 • 风电机组性能 • 风电机组载荷 中国可再生能源学会风能专业委员会 2006.08.30 引 言 风力机空气动力学的研究内容主要包括：风力 机空气动力模型、风力机翼型空气动力特性、风力 风电机组是风能工程中的核心，它是将风的动能 机叶片空气动力设计、风力机风轮性能计算、风力 转换成机械能和电能的装置。通常，风电机组由风轮 机空气动力载荷计算、风力机气动弹性稳定性和动 系统、传动系统、电气系统、控制系统和塔架系统等 力响应、风力机空气动力噪声和风力机在风电场中 组成，其中风轮是关键部件，风轮叶片在风的作用下 的布置等。 产生空气动力使风轮旋转，将动能转换成机械能，再 研究风能工程中的空气动力问题的方法有理论 通过传动系统和电气系统将机械能转换成电能。因 计算、风洞试验和风场测试，它们相互补充、相互 此，风电机组空气动力问题主要是风轮叶片的空气动 促进。 力问题。 风电机组空气动力原理 动量理论 • 动量理论 动量理论描述作用在风轮上的力与来流速度 • 叶素理论 之间的关系，回答风轮究竟能从风的动能中转换 成多少机械能。 • 动量叶素理论 • 翼型理论 1 风轮尾流不旋转的动量理论 不考虑风轮尾流旋转时，假设： （1）气流是不可压缩的均匀定常流； （2）风轮简化成一个桨盘； （3）桨盘上没有摩擦力； （4）风轮流动模型简化成一个单元流管； （5）风轮前后远方的气流静压相等； （6）轴向力（推力）沿桨盘均匀分布。 风轮尾流不旋转的动量理论 风轮尾流旋转时的动量理论 由动量理论可以推出风能利用系数C 为 P 2 ( ) 当气流在风轮上产生转矩时，也受到 C 4a 1−a P 了风轮的反作用力，因此，在风轮后的尾 定义轴向诱导因子a = v /V ，v 为风轮处轴向诱导速度 流是向反方向旋转的。 a 1 a 当a = 1/3时，风轮功率系数最大，CPmax ≈ 0.593，此值 称之贝兹（Betz）极限。它表示在理想情况下，风轮最多 能吸收59.3%的风的动能。