風力機空氣動力學基礎知識

1、風力機空氣動力學基礎知識風能曾是蒸汽機發(fā)明之前最重要的動力，數(shù)千年前就有了帆船用于交通運輸，后來有了風車用來磨面與抽水等。近年來，由于傳統(tǒng)能源逐漸枯竭、對環(huán)境污染嚴重，風能作為清潔的新能源得到人們的重視。為方便風力機技術知識的學習，下面介紹一些風力機空氣動力學的基礎知識。一、升力與阻力風就是流動的空氣，一塊薄平板放在流動的空氣中會受到氣流對它的作用力，我們把這個力分解為阻力與升力。圖1中F是平板受到的作用力，F(xiàn)D為阻力，F(xiàn)L為升力。阻力與氣流方向平行，升力與氣流方向垂直。圖1-升力與阻力示意圖阻力型風力機就是利用葉片受的阻力工作的。飛機、風箏能夠升到空中就是依靠升力，升力型風力機就是靠葉片受到

2、的升力工作的。二、翼型翼型本是來自航空動力學的名詞，是機翼剖面的形狀，翼型均為流線型，風力機的葉片都是采用機翼或類似機翼的翼型，圖2是翼型的幾何參數(shù)圖圖2-翼型的幾何參數(shù)與翼型上表面和下表面距離相等的曲線稱為中弧線，翼型通過以下參數(shù)來描述： （1）前緣、后緣  翼型中弧線的最前點稱為翼型的前緣，最后點稱為翼型的后緣。 （2）弦線、弦長 連接前緣與后緣的直線稱為弦線；其長度稱為弦長，用c表示。弦長是很重要的數(shù)據(jù)，翼型上的所有尺寸數(shù)據(jù)都是弦長的相對值。 （3）最大彎度、最大彎度位置 中弧線在y坐標最大值稱為最大彎度，用f表示，簡

3、稱彎度；最大彎度點的x坐標稱為最大彎度位置，用xf表示。 （4）最大厚度、最大厚度位置 上下翼面在y坐標上的最大距離稱為翼型的最大厚度，簡稱厚度，用t表示；最大厚度點的x坐標稱為最大厚度位置，用xt表示。 （5）前緣半徑 翼型前緣為一圓弧，該圓弧半徑稱為前緣半徑，用r1表示。 （6）后緣角 翼型后緣上下兩弧線切線的夾角稱為后緣角，用表示。 對稱翼型的彎度f為0，t1=t2,上下表面對稱。風力發(fā)電用風力機有阻力型與升力型兩種，水平軸風力機基本都是升力型，垂直軸風力機有升力型結構也有多種阻力型結構，一些實度比很高的風力機（水平軸

4、或垂直軸）會工作在升力與阻力狀態(tài)。三、壓力中心正常工作的翼型受到下方的氣流壓力與上方氣流的吸力，這些力可用一個合力來表示，該力與弦線（翼型前緣與后緣的連線）的交點即為翼型的壓力中心。對稱翼型在不失速狀態(tài)下運行時，壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置。運行在不失速狀態(tài)下的非對稱翼型，在較大攻角時壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置，在小攻角時壓力中心會沿葉片弦長向后移。四、雷諾數(shù)雷諾數(shù)是衡量作用于流體上的慣性力與粘性力相對大小的一個無量綱參數(shù)，雷諾數(shù)用Re表示，式中流體密度；V流場中的特征速度；L特征長度；流體的粘度，流體的粘度主要隨溫度變化，空氣的粘度隨氣溫升高加大；而液體則相反，溫度升高

5、粘度減小。 定義為流體的運動粘度，   于是  由于空氣的密度隨氣溫上升而減小、空氣的粘度隨氣溫上升而增加，所以雷諾數(shù)Re隨氣溫上升而減明顯減小。五、失速迎角當翼片運行較小迎角時，翼片處在正常升力狀態(tài)，翼片上方與下方的氣流都是平順的附著翼型表面流過，此時有較大的升力且阻力很小。如果將翼片迎角變大，當超過某個臨界角度時，翼片上表面氣流會發(fā)生分離，不再附著翼型表面流過，翼型上方會產(chǎn)生渦流，導致阻力急劇上升而升力下降，這種情況稱為失速。發(fā)生轉變的臨界角度稱之為臨界迎角或失速迎角，對于不同的翼型不同的氣流速度失速迎角也不同，普通翼型多在10度至15度，

6、一般薄翼型失速迎角稍小，厚翼型失速迎角要大一些；對于同一個翼型影響失速迎角的是翼片運行時的雷諾數(shù)與翼片的光潔度。對于薄平板來說失速迎角較小，且阻力略大，攻角稍大就會失速。六、風能與風能利用系數(shù)風能就是空氣運動的動能，當風速為v時每秒通過面積為S的空氣流的動能為由于是每秒的動能，E也就是功率，稱為風功率，例如，風速為6m/s的空氣流，通過1平方米所具有的功率為129.6W。風在通過風輪時推動風輪旋轉，把它的動能轉變?yōu)轱L輪旋轉的能量，但經(jīng)過風輪做功后的風速不會為零，僅僅是減小，故風只能把一部分能量轉交給風輪，若流過風力機葉片掃掠面積的風功率為E，風力機獲得的功率定為P,則風能利用系數(shù)為Cp風能利用

7、系數(shù)也稱為功率系數(shù)。七、貝茨極限風能就是空氣運動的動能，風在通過風輪時推動風輪旋轉，把它的動能轉變?yōu)轱L輪旋轉的能量，但經(jīng)過風力機風輪做功后的風速不會為零，僅僅是減小，故風只把一部分能量轉交給風輪。那么風能把多大的能量轉交給風輪呢，1927年德國人貝茨從理論上計算出最大值為59.3%，如果在風輪前方的風速是v，計算認為通過風輪的風速為2v/3，通過風輪遠離位置的風速為1v/3。59.3%稱為貝茨極限，是風力發(fā)電機組的風能利用系數(shù)的最大值。目前高性能的風力發(fā)電機組風能利用系數(shù)一般為40%至45%。八、相對風速風力機葉片運動時所感受到的風速是實際風速與葉片運動速度的合成速度，稱為相對風速。圖3是一個

8、風力機的葉片截面，當葉片運動時，葉片感受到的相對風速為w，它是葉片的線速度（矢量）u與風進葉輪前的速度（矢量）v的合成矢量w=u+v圖3-風速與葉片運動速度的合成速度稱為相對風速相對風速與葉片弦線之間的夾角就是葉片的攻角。九、葉尖速比風輪葉片尖端線速度與風速之比稱為葉尖速比。 圖4是一個風力機的葉輪，u是旋轉的風力機風輪外徑切線速度，v是風進葉輪前的速度，v與風輪平面垂直，葉尖速比       =u/v圖4-葉尖速比阻力型風力機葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風力機葉尖速比一般為3至8。在升力型風力機中，葉尖速比直接反映了相對風速

9、與葉片運動方向的夾角，即直接關系到葉片的攻角，是分析風力機性能的重要參數(shù)。十、實度比風力機葉片的總面積與風通過風輪的面積（風輪掃掠面積）之比稱為實度比（容積比），是風力機的一個參考數(shù)據(jù)。圖5左圖為水平軸風力機葉輪，S為每個葉片對風的投影面積，B為葉片個數(shù)，R為風輪半徑，為實度比，   圖5-風力機風輪的實度圖5右圖為升力型垂直軸風力機葉輪，C為葉片弦長，B為葉片個數(shù)，R為風輪半徑，L為葉片長度，為實度比。目前垂直軸風力機葉輪的掃掠面積有兩種算法，一種認為是風輪的迎風面積，對于H型風輪，即2RL,于是=BCL/2RL= BC/2R另一種認為是葉片運行的圓周與葉片長度的乘積，