【文章內(nèi)容簡介】 分為直線和曲線兩部分。升力曲線呈線性變化的部分，斜率可由薄翼理論得， （112）圖2—6翼葉的升力和阻力系數(shù) 當(dāng)攻角(也稱為迎角)增大到一定程度時(shí)，圖2—6中的氣流開始分離，此時(shí)對應(yīng)的攻角稱為失速點(diǎn)。超過失速點(diǎn)后，升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)迅速上升。在負(fù)攻角時(shí)，升力系數(shù)呈曲線形，通過一個(gè)最低點(diǎn)。阻力系數(shù)的變化情況相對簡單，它的最小值對應(yīng)著一個(gè)確定的攻角值。 不同翼型截面形狀對升力系數(shù)和阻力系數(shù)的影響很大。當(dāng)翼型彎度或是厚度增加時(shí)，升力和阻力都有顯著的增加，但阻力比升力增加的更快，使升阻比下降。當(dāng)翼型的前緣抬高時(shí)，負(fù)攻角時(shí)阻力系數(shù)變化不大；當(dāng)翼型的前緣低垂時(shí)，負(fù)攻角時(shí)阻力系數(shù)會(huì)迅速增加。當(dāng)葉片出現(xiàn)失速后，噪聲會(huì)突然增加，引起風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)和運(yùn)行不穩(wěn)定等現(xiàn)象。因此，在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，往往不取失速點(diǎn)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，而是取(～) 作為設(shè)計(jì)點(diǎn)。 1．葉片槳矩角：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與翼弦所夾的角，又稱為安裝角。 2．攻角：翼弦與相對風(fēng)速所夾的角，又稱迎角。 3．傾角：葉輪旋轉(zhuǎn)平面與相對風(fēng)速所夾的角。 垂直軸風(fēng)力機(jī)按驅(qū)動(dòng)力的性質(zhì)可分為升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)。一般情況下，升力型風(fēng)力機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩主要由氣動(dòng)升力提供，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較高，常用于風(fēng)力發(fā)電；阻力型風(fēng)力機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩主要由氣動(dòng)阻力提供，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較低，常采用多葉片形式用于風(fēng)力提水。 阻力型風(fēng)力機(jī)是由于風(fēng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件在迎風(fēng)方向形狀不對稱，引起空氣阻力不同，從而使風(fēng)產(chǎn)生一個(gè)繞中心軸的力矩，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2—5中a所示。風(fēng)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力可以用下式表示： (113) 式中 —— 空氣密度，； ——風(fēng)輪的截面積，； ——風(fēng)速，； ——空氣動(dòng)力系數(shù)； 不同的迎風(fēng)形狀，對應(yīng)著不同的空氣動(dòng)力系數(shù)，當(dāng)迎風(fēng)形狀為半球的凹面時(shí)。因此，當(dāng)迎風(fēng)向風(fēng)輪的截面積不同時(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)阻力差使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 a阻力型風(fēng)力機(jī)的工作原理 b升力型風(fēng)力機(jī)的工作原理圖2—7垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作原理 圖27中b所示，V是風(fēng)速，是葉片的圓周速度，W是相對于葉片的風(fēng)速，W與葉片弦線的夾角是有效攻角。由空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識可知，當(dāng)氣流流過有攻角的翼型時(shí)，將產(chǎn)生垂直于W的升力和平行于W的阻力，二者的合力為F。由W=V,，如果V和已知，則可求得W和葉片所受到的氣動(dòng)力F。對葉片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了當(dāng)葉片處于與風(fēng)向平行或近似平行的位置外，在其它方位的氣動(dòng)力都產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力矩。當(dāng)風(fēng)輪靜止時(shí)，相當(dāng)于=0，這時(shí)相對風(fēng)速W與來流風(fēng)速V一致，葉片的攻角很大，甚至大于失速攻角，使得風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常低。因此，傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能比較差，不易自啟動(dòng)。 本文將通過分析垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)攻角變化情況以及氣動(dòng)力特點(diǎn)，結(jié)合翼型的空氣動(dòng)力特性，給出一種能夠提高垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩的攻角變化方式，并以這種優(yōu)化的攻角變化方式為基礎(chǔ)，制定出垂直軸風(fēng)力機(jī)變槳矩運(yùn)行方式。 a風(fēng)輪的幾何特性 b葉片葉素 c速度分析圖2—8垂直軸風(fēng)力機(jī)特性分析 如圖2—8中a所示，葉片繞固定坐標(biāo)系oxyz的oz軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑為r，設(shè)來流風(fēng)速為V，設(shè)風(fēng)輪高b=2H。、弦長為C的葉素，令r為葉素中心點(diǎn)M至轉(zhuǎn)軸的距離，為oyz平面與葉片所在位置oM平面之間的夾角，稱之為方位角。將葉素截取出來，如圖2．3中c所示，設(shè)流過葉片的風(fēng)速為V，風(fēng)輪的切向速度為，相對速度為W，令r垂直于葉弦，并過M點(diǎn)作垂直于r的輔助線t，則W沿t方向的分量 (從前緣指向后緣)，W沿f方向的分量。由此，用來確定作用在葉片上力的大小的相對速度W可以寫成 (114)式中為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度，則攻角i可由下式給出 (115)令，可得垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，攻角i的變化情況，如圖2—4所示。 圖2—9垂直軸風(fēng)力機(jī)攻角變化情況 從圖2—9中可知，葉片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，攻角隨方位角的變化情況可用薩弦函數(shù)近似表示，并且隨著的增大，攻角的變化范圍逐漸減小。當(dāng)=2時(shí)，葉片攻角的變化范圍在30176。～+30176。之間，變化范圍較大。由葉尖速比，可得，由于風(fēng)流過風(fēng)輪時(shí)，部分風(fēng)能被風(fēng)輪吸收轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以流過葉片的風(fēng)速V必然小于來流風(fēng)速，即。根據(jù)葉片翼型的氣動(dòng)特性可知，當(dāng)攻角的變化超過失速點(diǎn)后，翼型的升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)迅速增加，將會(huì)影響到垂直軸風(fēng)力的氣動(dòng)性能，甚至產(chǎn)生反力矩。因此，提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能，首先應(yīng)使葉片攻角的變化范圍在失速點(diǎn)之內(nèi)，以獲得較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。 根據(jù)對葉片翼型的研究結(jié)果可知，垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的變化分布與葉片處于上風(fēng)向和下風(fēng)向有關(guān)，葉片在下風(fēng)向的風(fēng)能利用系數(shù)要小于上風(fēng)向的風(fēng)能利用系數(shù)，而且往往是減弱上風(fēng)向的風(fēng)能利用系數(shù)。這是由于傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)，當(dāng)葉片運(yùn)行在下風(fēng)向時(shí)，所產(chǎn)生阻力力矩較大。因此變槳矩方案的設(shè)計(jì)，應(yīng)該提高上風(fēng)向的升力力矩，降低下風(fēng)向的阻力力矩。結(jié)合垂直軸風(fēng)力機(jī)攻角的變化情況以及氣動(dòng)力分析，本文采取的方法是，根據(jù)葉片翼型的氣動(dòng)特性，確定失速點(diǎn)，并控制葉片的攻角變化范圍始終在失速點(diǎn)以內(nèi)，以此束輸出較大的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而提高風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。 設(shè)A為葉片翼型的失速點(diǎn)，根據(jù)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)一周攻角變化的特點(diǎn)，本文采用以作為優(yōu)化的攻角變化的方案，由 (116) (117)以及優(yōu)化的攻角變化i=，可得 (118) 由于，所以式(2—14)實(shí)際上體現(xiàn)了葉片的槳矩角、方位角以及尖速比之間的關(guān)系，而這些參數(shù)，對于風(fēng)力機(jī)的性能非常重要。當(dāng)A=垂直軸風(fēng)力機(jī)槳矩角的變化情況如圖2—7所示。圖2—10漿矩角變化曲線從圖2—10中可以得出垂直軸風(fēng)力機(jī)的變漿矩規(guī)律： (1).當(dāng)風(fēng)力機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，即較小時(shí)，風(fēng)力機(jī)漿矩角的變化范圍隨的增大而減小。 (2)當(dāng)小于某一值時(shí)，本文對應(yīng)的是，當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片處于上風(fēng)向位置時(shí)，即0176。180176。，應(yīng)向減小攻角的方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)角為正值；當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片處于下風(fēng)向位置時(shí)，即180176。360176。，應(yīng)向增大攻角的方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)角為負(fù)值。 (3)當(dāng)大于某一值時(shí)，本文對應(yīng)的是 6矩角的變化方向正好相反，但變化幅值較小。 對本文提出的變槳矩方式進(jìn)行驗(yàn)證分析。當(dāng)=3時(shí)，得到定槳矩、變槳矩系數(shù)的對比結(jié)果，如圖2—8所示，可以看出，采用本文制定的變漿矩方式，在45176。135176。區(qū)間內(nèi)，能夠有效的提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的系數(shù)進(jìn)而提高風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩，在225176。315176。的區(qū)間內(nèi)，即葉片處于下風(fēng)向時(shí)，能夠有效的減小葉片所產(chǎn)生的阻力力矩。因此，采用本文制定的變槳矩方式能夠提高風(fēng)力機(jī)的輸出功率。 圖2—11定漿距、變漿距的系數(shù)對比圖 通過上述分析，所開發(fā)的新型垂直軸風(fēng)力機(jī)是直葉片的達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機(jī)，此風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪通過安裝變槳矩機(jī)構(gòu)，能夠提高風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率和啟動(dòng)性能。本文以基本垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理和變槳矩運(yùn)行方式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種適用于變槳矩垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪，如圖2—12所示該風(fēng)輪的特點(diǎn)是： (1)風(fēng)力機(jī)葉片為直葉片，并且能夠繞自身軸線偏轉(zhuǎn)，不可沿葉片展向偏轉(zhuǎn)。 (2)葉片采用中間單桿支撐，這種結(jié)構(gòu)簡單，便于研究分析。若是單機(jī)容量大的風(fēng)力機(jī)，葉片可以采用上下雙桿兩端支撐，可以改善受力情況，適用于大型垂直軸風(fēng)力機(jī)。 (3)采用一種特殊的改變?nèi)~片槳矩角的運(yùn)行方式。與傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力機(jī)相比，葉片采用這種變槳矩的方式能夠減小風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，提高風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能以及風(fēng)能利用率。圖2—12變漿矩垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪38東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 風(fēng)輪參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算 風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)最重要的部件之一，是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能最主要的裝置。風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能主要表現(xiàn)為風(fēng)輪的氣動(dòng)性能，因此風(fēng)輪的設(shè)計(jì)對風(fēng)力機(jī)的性能具有重大影響。本章以第一章介紹的翼型空氣動(dòng)力特性、葉素理論、動(dòng)量理論為基礎(chǔ)，探討了基于風(fēng)速分布函數(shù)設(shè)計(jì)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)一種適用于變槳矩垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪，如圖2—1所示。該風(fēng)輪的特點(diǎn)是：