风机的叶尖速比

风机的叶尖速比
周日, 2008-03-02 03:16 — xieyaqian
叶尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。

它等于叶片顶端的速度（圆周速度）除以风接触叶片之前很远距离上的速度；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖速比就越大。

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根据叶尖速比的不同，我们可以把风电机分成两类：慢速比风电机和快速比风电机：
慢速比:
慢速比风电机的速度比最大为2.5 。

所有以阻力原理作用的风电机的叶尖速比都小于1，属于慢速比风电机。

以浮力原理作用的风电机，如果其叶尖速比在1到2.5之间，也被称为慢速比风电机。

Westernmills 和某些风力泵的叶尖速比大概是1，而Bock风车以及荷兰风车的叶尖速比大概是2。

快速比:
快速比风电机是指按照浮力原理作用的风电机，并且其叶尖速比在2.5到15之间。

几乎所有的现代风电机（叶片数一到三）都属于此类。

叶尖速比对风电机的建造结构和形状有很大的影响，比如：
叶片转速：如果叶片长度一定，那么叶尖速比越大，叶片的转速也就越快。

只有一个叶片的风电机，其叶尖速比很高，旋转速度也要比三叶片的风电机快的多。

需要注意的是，风力泵的叶尖速比虽然属于慢速比机械，但旋转速度一般都很快。

原因是其转动直径很小，最终圆周速度相对低很多，所以属于慢速比机械。

叶片数：Westernmills的叶尖速比比较低（大约为1），所以需要更多的叶片来遮挡风，一般有20到30个叶片；荷兰风车的速度比大约为2，一般有4个叶片。

现代三叶片风电机的叶尖速比大约为6，而一个叶片的风电机，其叶尖速比大概为12。

叶片切面：快速比风机的叶片一般都设计的细长而薄，其原因就是叶片切割风的时候，与风的相对速度十分高。

（站长注：这段我看不懂，只是照原文翻译。

）
风机的转化效率系数：快速比风机由于产生的涡流损失要比慢速比风机低很多，所以其作用系数要明显比慢速比的风机高。

一般慢速比风机的转化效率系数cP在0.3到0.35之间，而快速比的风机能够达到0.45到0.55。

本节翻译：xieyaqian 附原文参考：
阻力定律和浮力定律
周日, 2008-03-02 03:12 — xieyaqian
想要把风力的动能转化成电能，首先要先把动能转化成机械能，然后再将机械能转化成电能。

第一步转化，是通过风电机叶片来实现的。

从动能到机械能的转化，有两个定律：阻力定律和浮力定律。

阻力定律
风会对切割它移动方向上的任意面积A 形成一个力，这个力就是阻力。

图：阻力作用为推动力
阻力根下面的参数成比例关系：
•风速v 的平方
•切割面积f
•该面积的阻力系数cw
•空气密度ρ
阻力系数cW (W是德语里“阻力”的第一个字母) 也叫做阻力附加值或者直接称为cW-值。

这个值是用来表示某个物体对空气形成阻力的大小的，可以在风洞里进行测定。

cW 值越小，空气阻力也就越小。

比如一个圆盘横向对风的Cw 值大约是1.11，而方盘大约是1.10，球体大约是0.45。

在汽车工业中，工程师们都在研究如何将汽车的cW 值变的更小，这样汽车在行进时的阻力就会最小化。

比如丰田的Prius的cW值是0.26，而大众的Golf是0.325，雪铁龙的2CV阻力系数是0.50，一辆普通的卡车阻力系数是0.8。

古老的波斯风车（世界上最早的风车）是通过利用阻力来运作的。

如上图所示，风车建在墙内，当风吹过开口，就会推动暴露的叶片，从而带动整个风车旋转。

风速计也是利用阻力原理来实现的。

风杯风速计上风杯的cW-值分别是1.33和0.33（迎风时和背风时）。

风杯迎风时的阻力要比背风时的阻力大很多，所以风杯风速计才会迎风旋转。

通过阻力定律来运动的转子无法转动的比风速更快（增速值小于1），属于亚风速转子。

这种转子能量损失较大，功率系数（流体动力学上的作用参数）非常小。

（波斯风车大概0.17，风杯风速计大概0.08）
浮力定律
现代风电机的叶片是通过浮力定律来实现转动的，浮力是推动力。

图：浮力作为动力
（Auftrieb: 浮力；
schnelle Luftbewegung:速度快的空气运动；
langsame Luftbewegung:速度慢的空气运动）
飞机、直升机或者风电机的叶片顶部的面积要大于底部的面积。

由于空气在顶部划过的距离更长，所以顶部空气运动的速度要比底部的空气速度要快，这样就产生了浮力。

图：叶片周围的压力分布
（Profilsehne：中间线；Anstellwinkel：偏角；Anstroemgeschwindigkeit：空气流动速度；Ueberdruck：高压；Wiederstand：阻力；Auftrieb：浮力；Unterdruck：低压）根据伯努利方程，在同一高度上，叶片的底面或者顶面的动态压力和静态压力和平衡。

由于顶端的空气流动比底端的快，从而使顶端产生低压，而底部产生高压：这就是飞机飞行的原理，也是风电机叶片转动的原理。

浮力的大小跟风速v 的平方、作用面积 f 、空气密度ρ 以及浮力参数cA 成正比。

对于叶片（或者翅膀）的顶面和底面来说就是（A=浮力）：
作用面积就是叶片的面积，等于叶片的长乘宽；浮力参数Ca取决于偏角α 。

通过调整偏角可以影响浮力。

阻力W在飞机和风电机叶片作用过程中也会出现。

但是，当偏角很小的时候，阻力值十分小（等于浮力的20分之一到百分之一）。

阻力的方向总是跟风向相反，在偏角大于20度的时候，阻力会显著增大。

滑动系数
滑动系数ε 是用来表述浮力参数和阻力参数关系的一个值，它可以用来决定叶片的好坏。

滑动系数与叶片的切面形状和偏角有关。

滑动系数越高，空气能量损失越小，叶片的作用效果越大。

好的叶片滑动系数可以达到100甚至更高。

本节翻译：xieyaqian 附带原文参考：。