1、風力機的工作原理和氣動特性2 通常空氣動力由兩部分組成：一部分是由于氣流繞物體流動時，在物體表面處的流動速度發(fā)生變化，引起氣流壓力的變化，即物體表面各處氣流的速度與壓力不同，從而對物體產(chǎn)生合成的壓力；另一部分是由于氣流繞物體流動時，在物體附面層內由于氣流粘性作用產(chǎn)生的摩擦力。將整個物體表面這些力合成起來便得到一個合力這個合力即為空氣動力。 風輪葉片是風力機最重要的部件之一。它的平面形狀與剖面幾何形狀和風力機空氣動力特性密切相關，特別是剖面幾何形狀即翼型氣動特性的好壞，將直接影響風力機的風能利用系數(shù)。 氣流繞風輪葉片的流動比較復雜。是一個空間的三元流動。當葉片長度與其翼型弦長之比（展弦比）較大時

2、，可以忽略氣流的展向流動，而把氣流繞葉片的流動簡化為繞許多段葉片元(即葉素)的流動，葉素之問互相沒有干涉。當每個時素的展向長度趨向無窮小時，葉素就成了翼型，空氣繞葉素的流動就成了繞翼型的流動，也就成了二元流動或平面流動。 圖中示出空氣流過一塊平板的情形，平板面與氣流方向形成一個夾角 a ，a稱為攻角。由于平板上方和下方的氣流速度不同（上方速度大于下方速度），因此平板上、下方所受的壓力也不同（下方壓力大干上方壓力 ），總的舍力F即為平飯在流動空氣中所受到的空氣動力，其方向垂直于板面。 此力可分解為兩個分力；一個分力 Fy與氣流方向垂直，它使平板上升，稱為升力；另一個分力F x與氣流方向相同稱為阻

3、力。升力和阻力與葉片在氣流方向的投影面積S、空氣密度p及氣流速度v 的平方成比例，可以下式表示： 升力是使風力機有效工作的力，而阻力則形成對風輪的正面壓力。為了使風力機很好的工作，就需要葉片具有這樣的翼型斷面，使其能得到最大的升力和最小的阻力，也就是要求具有很大的升阻比K。 雷諾數(shù)是一個無量綱數(shù)。雷諾數(shù)愈小的流動。粘性作用愈大；雷諾數(shù)愈大的流動，粘性作用愈小，雷諾數(shù)增加。由于翼型附面層氣流粘性減小，最大升力系數(shù)增加，最小阻力系數(shù)減小，因而升阻比增加。1.2.4 翼型表面粗糙度的影響 翼型表面由于材料加工以及環(huán)境的影響，不可能絕對光滑,總有些凹凸不平。我們把凹凸不平的波峰與波谷之問高度的平均值稱

4、為粗糙度，記作kc。翼型表面的粗糙度，特別是前緣附近的粗糙度，對翼型空氣動力特性有很大影響。 一般情況下，粗糙度增大使cx 增加，而對cy影響不太。實際情況中，真正的氣動光滑表面是不存在的，工程上只要表面粗糙度足夠小，隱匿在附面層底部，一般就不會引起摩擦阻力的增加。這種粗糙度稱為允許粗糙度，記作kr，2 風力機的工作原理2.1 風輪在靜止情況下葉片的受力情況 風力機的風輪由輪轂及均勻分布安裝在輪轂上的若干槳葉所組成。在安裝這些槳葉時,必須對每支槳葉的翼片按同一旋轉方向,以槳葉自身軸為軸轉過一個給定的角度，即使每個葉片的翼弦與風輪旋轉平面(風輪旋轉時槳葉柄所掃過的平面)形成一個角度,稱為安裝角。

5、圖2-6示出風輪的起動原理。設風輪的中心軸位置與風向一致。當氣流以速度V流經(jīng)風輪時在槳葉I和槳葉上將產(chǎn)生氣動力F和F。 將F及F分解成沿氣流方向的分力Fx和Fx （阻力）及垂直于氣流方向的分力Fy和Fy （升力），阻力Fx和Fx形成對風輪的正面壓力，而升力Fy和Fy則對風輪中心軸產(chǎn)生轉動力矩，從而使風輪轉動起來。2 2 風輪在轉動情況下葉片的受力情況 下面分析風輪起動后以某種速度穩(wěn)定旋轉時葉片的受力情況。若風輪旋轉角速度為 ，則相對于葉片上距轉軸中心r處的一小段葉片元(葉素)的氣流速度Wy將是垂直于風輪旋轉面的來流速度V與該葉片元的旋轉線速度 r的矢量和如圖2.7所示，可見這時以角速度旋轉的漿

6、葉，在與轉軸中心相距r處的葉片元的攻角， 已經(jīng)不是V與翼弦的夾角，而是W與翼弦的夾角了。 以相對速度Wy吹向葉片元的氣流，產(chǎn)生氣動力F，F(xiàn)可分解為垂直于Wy方向的升力F及與Wy方向一致的阻力F。 也可以分解為在風輪旋轉面內使槳葉旋轉的力F 及對風輪正面的壓力F 。 由于風輪旋轉時葉片不同半徑處的線速度是不同的，因而相對于葉片各處的氣流速度W在大小和方向上也都不同，如果葉片各處的安裝角都一樣則葉片各處的實際攻角都將不同，這樣除了攻角接近最佳值的一小段葉片升力較大外，其它部分所得到的升力則由于攻角偏離最佳值而不理想。 所以這樣的葉片不具備良好的氣動力特性。為了在沿整個葉片長度方向均能獲得有利的攻角

7、數(shù)值，就必須使葉片每一個截面的安裝角隨著半徑的增大而逐漸減小。在此情況下，有可能使氣流在整個葉片長度均以最有利的攻角吹向每一葉片元從而具有比較好的氣動力性能。而且各處受力比較均勻，也增加了葉片的強度。這種具有變化的安裝角的葉片稱為螺旋漿型葉片，而那種各處安裝角均相同的葉片稱為平板型葉片。顯然，螺旋槳型葉片比起平板型葉片來要好得多。 盡管如此， 由于風速是在經(jīng)常變化的，風速的變化也將導致攻角的改變。如果葉片裝好后安裝角不再變化，那么雖在某一風速下可能得到最好的氣動力性能，但在其它風速下則未必如此。為了適應不同的風速，可以隨著風速的變化，調節(jié)整個葉片的安裝角，從而有可能在很大的風速范圍內均可以得到

8、優(yōu)良的氣動力性能。這種槳葉叫做變槳距式葉片，而把那種安裝角一經(jīng)裝好就不再能變動的葉片稱為定槳距式葉片。顯然，從氣動性能來看，變槳距式螺旋槳型葉片是一種性能優(yōu)良的葉片。 還有一種可以獲得良好性能的方法，即風力機采取變速運行方式。通過控制輸出功率的辦法，使風力機的轉速隨風速的變化而變化，兩者之間保持一個恒定的最佳比值，從而在很大的風速范圍內均可使葉片各處以最佳的攻角運行。3 風力機的氣動力特性3.1 貝茲(Belz)理論 前面說過，風輪的作用是將風能轉換為機械能。由于流經(jīng)風輪后的風速不可能為零，因此風所擁有的能量不可能完全被利用。也就是說只有風的一部分能量可能被吸收，成為槳葉的機械能。那么風輪究竟能夠吸收多少風能呢? 為討論這個問題， 貝茲假設了一種理想的風輪， 即假定風輪是一個平面槳盤(投有輪轂，葉片無窮多)；通過風輪的氣流沒有阻力；且整個風輪掃掠面上的氣流是均勻的；氣流速度的方向在通過風輪前后都是沿著風輪軸線的。 圖2-8所示為氣流流過理想風輪旋轉面A所形成的近似形狀。圖中示出空氣流經(jīng)槳葉的流線圖和風輪前后的速度及壓力變化。由于風輪在旋轉，使氣流產(chǎn)生落差，在靠近風輪處及在風輪后某一距離處的氣流速度均有所降低，如圖中(b)所示。與此同