1000W直叶片立轴风力机叶片气动设计简介

1000W直叶片立轴风力机叶片气动设计简介
一、升力型风力机利用风能产生动力原理
升力型风力机叶片断面为飞机机翼，其风轮的叶片翼形结构类似于飞机翼，但由于风力机属于开式旋转机械，其风轮由多个叶片组成，叶片产生的尾迹对下一个叶片的来流条件产生影响，影响叶片前缘攻角，同时，每个叶片的尾迹存在自诱导和相互诱导，对叶片前缘攻角也产生影响，所以风力机的流动特点具有外流空气动力学和内流空气动力学的特点，现首先介绍飞机机翼产生升力的原理，如图1所示。

升力型风力机叶片断面为飞机机翼，其风轮的叶片翼形结构类似于飞机翼，但由于风力机属于开式旋转机械，其风轮由多个叶片组成，叶片产生的尾迹对下一个叶片的来流条件产生影响，影响叶片前缘攻角，同时，每个叶片的尾迹存在自诱导和相互诱导，对叶片前缘攻角也产生影响，所以风力机的流动特点具有外流空气动力学和内流空气动力学的特点，现首先介绍飞机机翼产生升力的原理，如图1所示。

对于有一定翼型的飞机机翼，沿着叶片流动的风，在叶片上部被挤压，风的流速加大，风压低，反之在叶片下面流动的风，相对来说，风压就高了，由此形成了一个上升的力，称为升力A，此力与来风的方向成90°角，沿着来风方向的力称为阻力D。

1.水平轴风力机利用风能产生动力原理如图2所示，V为来风方向和大小，U为风力机叶轮旋转方向和大小，V和U两者合力方向和大小即为W，此力方向与风力机翼片断面翼弦的夹角α称为攻角，此功角α与翼型的升力和
阻力有很大的关系，同时叶片断面的几何尺寸也与升力与阻力有很大关系。

风能到机械能的转化率与风能利用系数CP，风速V，叶片半径R，空气密度ρ和攻角α有关，其关系式为Pω=1/2πρCPR2V3，其中CP是攻角α和叶尖速
比λ=ωrR/V的非线性函数，ωr为风力机的角速度，对于一个固定的攻角α，存在一个最佳叶尖速比λm 使CP最大，如图3所示，即风能利用率最高。

升力A和阻力D并非系使风力机沿前头方向旋转之力，升力A与W成90°角，阻力D与W一致，实际上使风力机旋转之力为FQ=Asinβ-Dcosβ，式中β=φ+α称为流入角，即叶片安装角φ加攻角α，安装角φ即翼弦与风力机转动方向的夹角，翼弦即为叶片前缘与尾尖端的联线。

2.垂直轴风力机利用风能产生动力的原理如图4所示
假定风向矢量为V，我们分别取垂直于风向和平行于风向的两个座标x和y，建立一个二维座标。

首先，分析一个叶片的作用，令该叶片所处位置角为
θ，在叶片厚度中心处的平均线速度为u= πDn/60在xoy系中，风力：V=｛0，-V ｝叶片的速度矢量为u=｛（-usinθ），（ucos）｝则风对叶片的相对速度为W=V-u，经过矢量运算得W=｛（usinθ），（-V- ucosθ）｝W的长度即是相对风速的大小︱W︳，由W可得，
设用W和U分别表示W和U单位矢量，即可求得
按矢量运算法则，知道风对叶片的攻角即为
在风力W 的作用下，攻角为α时,在叶片上的升力和阻力分别为(见图5)
FL=1/2ρSW2CL ??（N）
Fd=1/2ρSW2Cd ?（N）
式中：ρ-空气密度S-叶片受风面积W-相对风速
CL和Cd分别为叶片的升力系数和阻力系数，
FL和F d可以分解为径向和切向分力
FLt=FLsinα
FLr=FLcosα
Fdt=Fdcosα
Fdr=Fdsinα
总的径向分力（Fr）和切向分力（Ft）为
Fr =FLr+ Fdr = FL cosα+ Fd sinα
Ft= FLt+ Fdt = FL sinα- Fd cosα
径向力Fr作用在叶片和转子杆上，对它们的强度和刚度起作用，而切向力Ft则使转子产生转动力矩。

Ｍ＝Ft·Ｒ式中Ｒ――转子叶片中心所在半径，Ｍ即为一个叶片在处于θ（任意角的范围内）位置时，一个叶片对转子所产生的转矩。

1.直叶片立轴风力机叶片气动设计
从空气动力学角度出发，风力机的流动特点具有外流空气动力学和内流空气动力学的特点，故其气动设计时，必须考虑内流与外流的物理条件，流动条件及其对流型所产生的影响，风力机的流动非常复杂，其复杂复杂性主要体现在，典型的非定常性，非线性，存在强烈的干扰问题，风力机尾迹流场存在各种尺度的旋涡，旋转效应隔断大涡向小涡的能量传递，使流动呈现大涡占主导的状态，利用动量—叶素理论和旋涡—叶素理论以及在航空领域等到广泛应用和发展的第一、二代流型的翼形增升技术来设计风力机叶片的翼形，从而使风力机最大风能利用系数达0.43。

从流型产生的条件来看，在外流空气动力学领域，必须具备三个基本条件才能使机翼前缘产生的分离涡层能稳定于某一空间位置：第一个基本条件是来流的物理条件；第二个为机翼的几何形状，第三个重要的条件为能够使机翼前缘卷起的分离涡充分发展直至稳定的空间。

而给风力机提供动力的是大自然的风，流经风力机的自然风具有典型的大气边界层的流动结构，在空间上具有不均匀性，在时间上具有随机性，因此，严格来讲，风力机的来流风不是
绝对均匀，而是具有不同的空间和时间尺度的非均匀性，来流风速的大小影响风力机的来流攻角，而来流攻角的变化对风力机的环量有很大的影响，对于粘性流体来说，叶片环量沿展向和流向的变化导致两个方向的涡量产生，而尾迹的自诱导效应及其与塔架的相互作用，以及动静干扰产生的位势干扰问题使得叶片前缘攻角产生诱导变化，所以对风力机的流动结构和气动性能起主要作用的物理因素是来流风速在时间和空间上的分布，如图6所示。

1.叶片翼型选择
对于立轴风力机来说，它的叶片可以是直的，也可以是弯曲的，属于直叶片的立轴风力机如可变几何型风力机，属于弯曲叶片立轴风力机如达里厄型风力机，弯曲型叶片不具有限速的功能，而直叶片立轴风力机可以实现限制风轮转速的目的。

对小型风力机来说，考虑结构简单和成本等因素，采用固定节距浆叶直叶片，由于立轴风力机风轮作园周运动，其径向力Fr和切向力Ft具有不断地增加或减少，其圆角360°范围内，叶片力距系数是变化的，为了最大限度提高动效率，翼型特性应具有下列要求：
a）. 升力系数斜度大
b）. 阻力系数小
c）. 阻力系数与零升角对称
由于对称翼型具有上述特性，并考虑小型立轴风力机叶片在工作时雷诺数低,故选用低阻力系数NACA0009型对称翼型，如图7所示
1.实度比的选择
直叶片立轴风力机叶片的实度为
σ=NCL/S
式中：N为叶片数量???? C为叶片弦长
L为叶片长度???? S为风轮扫风面积
合理选取实度比的原则是在保证风轮气动特性的条件下，力求使制造叶片的费用最低。

为此进行了各种实度比的气动特性的风洞试验，见图8。

试验是
在相同雷诺数条件下进行，从图曲线中看出，失速状态的叶尖速比随着实度比的减少而增加，这样，将使实度低的叶片能在给定的转速下在较大的风速变化范围内产生功率，要使功率系数最大，同时又要兼顾经济性的要求，实度比选择在0.5~0.6范围内较好，所以1000W直叶片立轴风力机的叶片数为4，实度比为0.5的风轮转子。

1.高径比
应该在输出相同功率时叶片制造费用最低的条件下，选择高径比。

表1
高径比的改变，使叶片的雷诺数变化而导致影响气动特性的话，其β值应当在2/3-1之间为最佳，故选择了风轮高径比为1。