【正文】 段葉片元素，即葉素。對(duì)實(shí)際使用的風(fēng)力機(jī)來說，二葉片高性能風(fēng)力機(jī)效率可達(dá)0下面引入軸向干擾因子進(jìn)一步討論。應(yīng)用氣流沖量原理，風(fēng)輪所受的軸向推力：式中，為單位時(shí)間內(nèi)通過風(fēng)輪的氣流質(zhì)量，ID為空氣密度，取決于溫度、氣壓、濕度，一般可取風(fēng)輪吸收的功率(即風(fēng)輪單位時(shí)間內(nèi)吸收的風(fēng)能)為(3)動(dòng)能定理的應(yīng)用。設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為V1。貝茲理論的建立，首先假定風(fēng)輪是“理想風(fēng)輪”，即： 1)風(fēng)輪葉片全部接受風(fēng)能(沒有輪轂)，葉片無限多，對(duì)空氣流沒有阻力。翼型的壓力中心為氣動(dòng)合力的作用點(diǎn)，也即合力作用線與翼弦的交點(diǎn)。通過極曲線(又稱艾菲爾曲線)來討論，如圖l一3～38所示。在時(shí)，Cd達(dá)最小值CDmin(3)極曲線。當(dāng)時(shí)，cl=0，表明無升力。a。當(dāng)a=0。此處，F(xiàn)hF。設(shè)風(fēng)的速度為矢量39。在產(chǎn)生升力的同時(shí)也產(chǎn)生阻力，風(fēng)速因此有所下降。1)根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒定律，有連續(xù)性方程：2)根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的伯努利方程，有式中P0——?dú)怏w總壓力；P——?dú)怏w靜壓力。(2)升力和阻力產(chǎn)生機(jī)理。升力和阻力是同時(shí)產(chǎn)生的，將風(fēng)箏的前緣從零升力角開始慢慢地向上抬起，開始時(shí)升力增加，阻力也增加，但升力比阻力增力的快得多，感覺風(fēng)箏明顯受到向上的升力作用；到某一個(gè)角度之后，升力突然下降，但阻力繼續(xù)增加，感覺風(fēng)箏明顯受到向后的阻力作用，這時(shí)的功角大約是2O。不同形狀的物體對(duì)氣流的阻礙效果也各不相同。流線描述了該時(shí)刻各氣體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向(切線方向)。7)彎度：翼型中弧線與翼弦間的距離。3)翼型上表面(上翼面)：凸出的翼型表面0MB。2)翼弦：連接前、后緣的直線0B，稱為翼弦。9)風(fēng)輪翼型(在半徑r處的葉片截面)：葉片與半徑為r并以風(fēng)輪軸為軸線的圓柱相交的截面。5)風(fēng)輪掃掠面積：風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)平面上的投影圓面積。1)風(fēng)輪軸線：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸線。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證輪轂有足夠的強(qiáng)度，并力求結(jié)構(gòu)簡單，．在可能條件下(如采用葉片失速控制)，葉片采用定槳距結(jié)構(gòu)，即將葉片固定在輪轂上 (無俯仰轉(zhuǎn)動(dòng))，這樣不但能簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高壽命，而且能有效地降低成本。通常輪轂的形狀為三通形或三角形。輪轂是風(fēng)輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件。在后繚糌接縫，由于粘接角的產(chǎn)生而變堅(jiān)固了。在這兩種結(jié)構(gòu)中，：大梁和殼體的變形是。但這種葉片比較重，比同型號(hào)的輕型葉片重2o9，6～309，6，制造成本也相對(duì)較高。另一種方法是先在模具中成形C(或I)形梁，然后在模具中成形上、下兩個(gè)半殼，利用結(jié)構(gòu)膠將C(或I)形梁和兩半殼粘接。其特點(diǎn)是重量輕，對(duì)葉片運(yùn)輸要求較高。環(huán)氧樹脂比聚酯樹脂強(qiáng)度高，材料疲勞特性好，且收縮變形小。1．葉片葉片是用加強(qiáng)玻璃塑料(GRP)、木頭和木板、碳纖維強(qiáng)化塑料(CFRP)、鋼和鋁構(gòu)成的。更多的人認(rèn)為3葉片從審美的角度更令人滿蒽。3葉片葉輪通常能夠提供最佳效率，然而2葉片葉輪僅降低2％o～3％效率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)資料匯總風(fēng)輪風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)區(qū)別于其他機(jī)械的最主要特征就是風(fēng)輪，如圖1—3—11所示。甚至可以使用單葉片葉輪，它帶有平衡的重錘，其效率又降低一些，通常比2葉片葉輪低6％。3葉片葉輪上的受力更平衡，輪轂可以簡單些，然而2葉片、1葉片葉輪的輪轂通常比較復(fù)雜，因?yàn)槿~片掃過風(fēng)時(shí)，速度是變化的，為了限制力的波動(dòng)，輪轂具有蹺蹺板的特性。對(duì)于小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如葉輪直徑小于5m，選擇材料通常關(guān)心的是效率而不是重量、硬度和葉片的其他特性，常用整塊優(yōu)質(zhì)杰材加工制成，表面涂上保護(hù)漆，其根部與輪轂相接處使用良好的金屬接頭并用螺栓擰緊。聚酯材料較便宜，它在固化時(shí)收縮大，在葉片的連接處可能存在潛在的危險(xiǎn)，即由于收縮變形在金屬材料與玻璃鋼之間可能產(chǎn)生裂紋。由于葉片前緣強(qiáng)度和剛度較低，在運(yùn)輸過程中局部易于損壞。2)葉片殼體以GRP層板為主，厚度在10～20mm之間；為了減輕葉片后緣重量，提高葉片整體剛度，在葉片上、下殼體后緣局部采用硬質(zhì)泡沫夾心結(jié)構(gòu)，葉片上、下殼體是其主要承載結(jié)構(gòu)。C形梁用玻璃纖維夾心結(jié)構(gòu)，使其承受拉力和彎曲力矩達(dá)到最佳。致的。在有扭曲變形時(shí)，粘接部分不會(huì)產(chǎn)生剪切損壢。所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動(dòng)系統(tǒng)，再傳到風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。輪轂可以是鑄造結(jié)構(gòu)，如圖1—3—16所示，也可絲器用焊接結(jié)構(gòu)，其材料可以是鑄鋼也可以采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵。風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)與基本理論3．1風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的基本概念1．風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的幾何定義風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)主要研究空氣流過風(fēng)力機(jī)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2)旋轉(zhuǎn)平面：與風(fēng)輪軸垂直，葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)的平面。6)風(fēng)輪錐角：葉片相對(duì)于和旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面的傾斜度，如圖1—3—32所不。10)安裝角或槳距角：在葉片徑向位置(通常為1O0％葉片半徑R處)葉片翼型弦線與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面間的夾角p。0B的長度稱為弦長，記為c。4)翼型下表面(下翼面)：平緩的翼型表面0NB。8)攻角：氣流相對(duì)速度與翼弦間所夾的角度，記做a，又稱迎角、沖角。一般情況下，各流線彼此不會(huì)相交。3．阻力與升力(1)升力和阻力試驗(yàn)。其實(shí)水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片受力情況也與風(fēng)箏類似，如圖1—3—35所示。氣動(dòng)升力和阻力是像飛行器的機(jī)翼產(chǎn)生的一種力，當(dāng)氣流與機(jī)翼有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體對(duì)機(jī)翼有垂直于氣流方向的作用力——升力，以及平行于氣流方向的作用力——阻力，如圖1—3—35所示。下翼面處流場(chǎng)橫截面面積A3變化較小，流速u3幾乎保持不變，進(jìn)而靜壓力P：≈P。4．翼型的空氣動(dòng)力特性(1)作用在機(jī)翼上的氣動(dòng)力。風(fēng)吹過葉片時(shí)翼型面上的壓力如圖1—3—36所示，上翼面壓力為負(fù)，下翼面壓力為正，由于機(jī)翼上、下翼面所受的壓力差，實(shí)際上存在著一個(gè)指向上翼面的合力，記為F。、M分別為翼型沿展向單位長度上的升力、阻力和氣動(dòng)力矩。時(shí)，CO，氣流為層流。稱為臨界攻角或失速攻角。稱為零升力角，對(duì)應(yīng)零升力線。在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中往往更關(guān)心升力和阻力的比值，即升阻比F。1)極曲線上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種升阻比及相應(yīng)的攻角狀態(tài)，如等。壓力中心的位置通常用距前緣的距離表示，作用在壓力中心上的只有升力與阻力，而無力矩。2)空氣流是連續(xù)的、不可壓縮的，氣流在整個(gè)葉輪掃掠面上是均勻的。訓(xùn)是實(shí)際通過風(fēng)輪的風(fēng)速，V2是葉片掃掠后的風(fēng)速，通過風(fēng)輪葉片前風(fēng)速面積S應(yīng)用動(dòng)能定理，可得氣流所具有的動(dòng)能為則風(fēng)功率(單位時(shí)間內(nèi)氣流所做的功)為在葉輪前后，單位時(shí)間內(nèi)氣流動(dòng)能的改變量為此即氣流穿越風(fēng)輪時(shí)，被風(fēng)輪吸收的功率。則有式中a——軸向干擾因子，又稱人流因子；U=v1a——軸向誘導(dǎo)速度。47，達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)效率可達(dá)0．35。2)把葉素視為二元翼型，即不考慮葉素在展向的變化。1)葉素模型的端面：在槳度dr在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的線速度：Urw。另一方面，dR還可分解軸向推力元dF。分別求得dD和dL：故dR和dT可求。；A——風(fēng)力機(jī)的掃掠面積，m。尖速比與風(fēng)輪效率是密切相關(guān)的，只要風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒有超速，運(yùn)轉(zhuǎn)處于較高尖速比狀態(tài)下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪就具有較高的效率。與阻力F。隨攻角a的增加而增加，阻力Fo隨迎角的增加而減小。風(fēng)力機(jī)實(shí)度是標(biāo)志風(fēng)力機(jī)性能的重要特征系數(shù)。5．設(shè)計(jì)風(fēng)速(額定風(fēng)速)研風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率輸出時(shí)規(guī)定的風(fēng)速叫額定風(fēng)速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的最大風(fēng)速，稱為切出風(fēng)速；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)所能承受的最大設(shè)計(jì)風(fēng)速叫安全風(fēng)速。一般來說，風(fēng)力機(jī)在無負(fù)載時(shí)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速(圖中曲線A所示)，隨著負(fù)荷的增加，轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)與負(fù)荷平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速就保持穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率會(huì)隨風(fēng)速變化，在風(fēng)速很低的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪會(huì)保持不動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機(jī)開始發(fā)電，隨著風(fēng)力越來越強(qiáng)，輸出功率會(huì)增加。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品樣本中都有一個(gè)功率曲線圖，如圖1—3—42所示。上風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須有某種調(diào)向裝置來保持風(fēng)輪迎風(fēng)，下風(fēng)型風(fēng)。上風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在偏航系統(tǒng)(機(jī)構(gòu))失效時(shí)可能會(huì)轉(zhuǎn)化為下風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)力磨面機(jī)轉(zhuǎn)子的效率大約為30％，提水時(shí)的轉(zhuǎn)換效率約為l8％。齒輪箱用來提高高速軸的轉(zhuǎn)速。 葉片的形狀(翼形)主要有變截面葉片和等截面葉片這兩種。 等截面葉片在任何風(fēng)速下總有一段葉片的攻角處于最佳狀態(tài)，因此在可利用的風(fēng)速范圍內(nèi)等截面葉片的風(fēng)能利用效率幾乎是一致的。但大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)考慮，采用2～3個(gè)葉片，如圖3．1 3和圖3．1 4所示。如圖3．18所示。 風(fēng)輪通常在3～50m／s風(fēng)速下都是轉(zhuǎn)動(dòng)的，這其中包含了許多共振點(diǎn)(物體的共振頻率并非只有一個(gè))，葉片的共振不僅造成自身損壞而且可能引起其他零部件共振，所以葉片的長度不能僅僅根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)來計(jì)算，還應(yīng)根據(jù)各零部件的震動(dòng)頻率進(jìn)行修正。葉片的彈性、旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性及其振動(dòng)頻率特性曲線都正常，傳遞給整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載穩(wěn)定性好，不得在失控(飛車)的情況下在離心力的作用下拉斷并飛出，亦不得在風(fēng)壓的作用下折斷，也不得在飛車轉(zhuǎn)速以下范圍內(nèi)產(chǎn)生引起整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的強(qiáng)烈共振； 耐腐蝕、紫外線照射和雷擊的性能好； 大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)很少用木制葉片，采用木制葉片的也是用強(qiáng)度很好的整體木方做葉片縱梁來承擔(dān)葉片在工作時(shí)所必須承擔(dān)的力和彎矩。鋁合金葉片重量輕、易于加工，但不能做到從葉根至葉尖漸縮的葉片，因?yàn)槟壳笆澜绺鲊形唇鉀Q這種擠壓工藝。玻璃纖維的質(zhì)量還可以通過表面改性、上漿和涂覆加以改進(jìn)，其單位(kW)成本較低，如圖3．19所示。雖然碳纖維復(fù)合材料的性能大大優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料，但價(jià)格昂貴，影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。無錫瑞爾竹風(fēng)科技有限公司自主研發(fā)的800kW竹質(zhì)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片2008年7月中旬在河北張北風(fēng)場(chǎng)成功安裝完畢，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。 ’ 葉片旋轉(zhuǎn)方向的風(fēng)速不僅與葉片的轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與葉素的位置有關(guān)(v=wr)。 等截面葉片在任何風(fēng)速下總有一段葉片的攻角處于最佳狀態(tài)，因此在可利用的風(fēng)速范圍內(nèi)等截面葉片的風(fēng)能利用效率幾乎是一致的。這種葉片在其全長上各處的截面形狀及面積都是固定的。這種葉片至今沒有得到大面積推廣。 ． 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片一般用玻璃鋼手工制作。由于葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件，所以葉片的扭曲、翼型的各種參數(shù)及葉片結(jié)構(gòu)都直接影響葉片接受風(fēng)能的效率和葉片的壽命。由于葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中，距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同半徑的線速度也不同，接受風(fēng)能也不同。第一節(jié)風(fēng)力機(jī)的基本原理空氣的流動(dòng)就是風(fēng)。本節(jié)主要介紹貝茨理論及葛勞渥理論。 分析一個(gè)放置在移動(dòng)的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動(dòng)空氣對(duì)風(fēng)輪葉片所做的功。 風(fēng)輪所接受的功率為經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化式中—空氣質(zhì)量。3％，一般設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況，取0．25～0．45。 (1)葉尖速比。 法國L?瓦多特(Romani)設(shè)計(jì)的Best Romani風(fēng)力發(fā)電機(jī)，試驗(yàn)一種尖速比大的風(fēng)輪，使原風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)數(shù)由43．7r／rain，λ=7增到風(fēng)輪轉(zhuǎn)數(shù)71r／min，λ=11．373，此時(shí)葉尖線速度達(dá)v=112m／s，結(jié)果一個(gè)葉片損壞。圖32翼的概念及翼的受力分析 (3)翼的后緣。 (5)翼的上表面。 (7)翼的最大厚度h。葉片旋轉(zhuǎn)直徑，即風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)直徑稱為翼展。 (10)迎角α。 (12)翼的氣動(dòng)俯仰力矩。氣動(dòng)俯仰力矩表達(dá)式為：式中Sy——葉片面積； Cm——俯仰力矩系數(shù)； L——翼的弦長。圖3．3是升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)cD隨迎角口的變化曲線；表3．3是葉片剖面翼型與升阻比(L／D)的關(guān)系。 (15)葉片。葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所形成的圓面。空氣的總動(dòng)力F分解在相對(duì)風(fēng)速方向的一個(gè)力FD，稱作阻力；另一個(gè)垂直于阻力FD的力，稱作升力FL。式中 ——葉片角速度，rad／s；——葉片計(jì)算速度點(diǎn)至轉(zhuǎn)動(dòng)中心之距，m； n——葉片轉(zhuǎn)數(shù)，r／min。 dM，dN表達(dá)如下式中 ri——葉片積分元距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)中心之距離，In； Ф——相對(duì)風(fēng)向角，Ф=a+θ。也即風(fēng)經(jīng)過葉片后氣流隨后成為螺旋狀，而葉片后緣的氣流也成為螺旋狀，進(jìn)而形成以風(fēng)輪軸線為軸的氣流螺旋線。風(fēng)輪有k個(gè)葉片，就有3k個(gè)旋渦環(huán)量。在螺線管末端圓面上所產(chǎn)生的電流磁場(chǎng)為Hs／2= nLI／2。設(shè)V是風(fēng)輪后旋渦系的軸向誘導(dǎo)風(fēng)速，相當(dāng)于軸向電流磁場(chǎng)nLI，與風(fēng)速v1的方向相同。它的結(jié)果與貝茨理論結(jié)果一致，都證明了最理想的風(fēng)能利用效果是59．3％。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算在貝茨理論的基礎(chǔ)上，通過實(shí)踐總結(jié)出了設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的經(jīng)驗(yàn)公式，可以為從事風(fēng)力機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)的依據(jù)。參見圖36及圖3—7及表35。 3。密實(shí)比愈高的葉片，其尖速比越低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也越低，適用于風(fēng)力機(jī)抽水、碾米、壓縮空氣；密實(shí)比越低的葉片，其尖速比越高，其風(fēng)輪轉(zhuǎn)速越高，葉片數(shù)越少，適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)。尖速比λ愈大則風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速愈高。 增速比i由下式給出式中 nD——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min； n——風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r／min。現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪葉片翼型基本上都用扭曲型，扭曲葉片雖然制造困難，但能提高風(fēng)能利用率，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得最佳的風(fēng)能功率。從理論上說，升阻比L／D越大越好，但升阻比大到一定限度時(shí)風(fēng)輪葉片的效率并不一定高，可參考表3—2及圖3．7，確定最佳升阻比。 葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同半徑處的尖速比λi可由式(3—23)得出式中λi——葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同半徑處的尖速比； ri——葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖的不同半徑，m。 葉片接受風(fēng)能的效率還與葉片翼型的相對(duì)迎風(fēng)角有關(guān)．即與迎角口有關(guān)，因相對(duì)迎風(fēng)角φ=a+θ。 以上討論了葉片翼型弦長與葉片形狀參數(shù)、尖速比及升阻比、升力等有關(guān)，葉片從轉(zhuǎn)動(dòng)中心至葉尖不同半徑ri處的葉片弦長(葉片翼型弦長)L；計(jì)算如下，計(jì)算簡圖見圖3—15。葉片ri處的葉片實(shí)際安裝角θii應(yīng)為相對(duì)迎風(fēng)角φi減去葉片的平均迎角αm。)。的值，在設(shè)計(jì)者選定翼型之后查翼型圖(b)零升力的迎角，即為口。)，如NACA23012圖312