【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) 當攻角(也稱為迎角)增大到一定程度時，圖2—6中的氣流開始分離，此時對應(yīng)的攻角稱為失速點。超過失速點后，升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)迅速上升。在負攻角時，升力系數(shù)呈曲線形，通過一個最低點。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。當翼型彎度或是厚度增加時，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。當翼型的前緣抬高時，負攻角時阻力系數(shù)變化不大；當翼型的前緣低垂時，負攻角時阻力系數(shù)會迅速增加。當葉片出現(xiàn)失速后，噪聲會突然增加，引起風力機的振動和運行不穩(wěn)定等現(xiàn)象。因此，在風力機設(shè)計時，往往不取失速點作為設(shè)計點，而是取(～) 作為設(shè)計點。 1．葉片槳矩角：風輪旋轉(zhuǎn)平面與翼弦所夾的角，又稱為安裝角。 2．攻角：翼弦與相對風速所夾的角，又稱迎角。 3．傾角：葉輪旋轉(zhuǎn)平面與相對風速所夾的角。 垂直軸風力機按驅(qū)動力的性質(zhì)可分為升力型風力機和阻力型風力機。一般情況下，升力型風力機的驅(qū)動力矩主要由氣動升力提供，風力機轉(zhuǎn)速較高，常用于風力發(fā)電；阻力型風力機的驅(qū)動力矩主要由氣動阻力提供，風力機轉(zhuǎn)速較低，常采用多葉片形式用于風力提水。 阻力型風力機是由于風力機的運動部件在迎風方向形狀不對稱，引起空氣阻力不同，從而使風產(chǎn)生一個繞中心軸的力矩，使風輪轉(zhuǎn)動，如圖2—5中a所示。風產(chǎn)生的驅(qū)動力可以用下式表示： (113) 式中 —— 空氣密度，； ——風輪的截面積，； ——風速，； ——空氣動力系數(shù)； 不同的迎風形狀，對應(yīng)著不同的空氣動力系數(shù)，當迎風形狀為半球的凹面時。因此，當迎風向風輪的截面積不同時可以產(chǎn)生一個阻力差使風輪轉(zhuǎn)動。 a阻力型風力機的工作原理 b升力型風力機的工作原理圖2—7垂直軸風力機的工作原理 圖27中b所示，V是風速，是葉片的圓周速度，W是相對于葉片的風速，W與葉片弦線的夾角是有效攻角。由空氣動力學(xué)的相關(guān)知識可知，當氣流流過有攻角的翼型時，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力F。對葉片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了當葉片處于與風向平行或近似平行的位置外，在其它方位的氣動力都產(chǎn)生一個驅(qū)動風輪旋轉(zhuǎn)的力矩。當風輪靜止時，相當于=0，這時相對風速W與來流風速V一致，葉片的攻角很大，甚至大于失速攻角，使得風力機的啟動轉(zhuǎn)矩非常低。因此，傳統(tǒng)的垂直軸風力機啟動性能比較差，不易自啟動。 本文將通過分析垂直軸風力機葉片旋轉(zhuǎn)一周時攻角變化情況以及氣動力特點，結(jié)合翼型的空氣動力特性，給出一種能夠提高垂直軸風力機轉(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)，制定出垂直軸風力機變槳矩運行方式。 a風輪的幾何特性 b葉片葉素 c速度分析圖2—8垂直軸風力機特性分析 如圖2—8中a所示，葉片繞固定坐標系oxyz的oz軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑為r，設(shè)來流風速為V，設(shè)風輪高b=2H。、弦長為C的葉素，令r為葉素中心點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)流過葉片的風速為V，風輪的切向速度為，相對速度為W，令r垂直于葉弦，并過M點作垂直于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，可得垂直軸風力機葉片在旋轉(zhuǎn)一周時，攻角i的變化情況，如圖2—4所示。 圖2—9垂直軸風力機攻角變化情況 從圖2—9中可知，葉片旋轉(zhuǎn)一周時，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=2時，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，由于風流過風輪時，部分風能被風輪吸收轉(zhuǎn)化為機械能，所以流過葉片的風速V必然小于來流風速，即。根據(jù)葉片翼型的氣動特性可知，當攻角的變化超過失速點后，翼型的升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)迅速增加，將會影響到垂直軸風力的氣動性能，甚至產(chǎn)生反力矩。因此，提高垂直軸風力機的氣動性能，首先應(yīng)使葉片攻角的變化范圍在失速點之內(nèi)，以獲得較大的轉(zhuǎn)動力矩。 根據(jù)對葉片翼型的研究結(jié)果可知，垂直軸風力機風能利用系數(shù)的變化分布與葉片處于上風向和下風向有關(guān)，葉片在下風向的風能利用系數(shù)要小于上風向的風能利用系數(shù)，而且往往是減弱上風向的風能利用系數(shù)。這是由于傳統(tǒng)的垂直軸風力機，當葉片運行在下風向時，所產(chǎn)生阻力力矩較大。因此變槳矩方案的設(shè)計，應(yīng)該提高上風向的升力力矩，降低下風向的阻力力矩。結(jié)合垂直軸風力機攻角的變化情況以及氣動力分析，本文采取的方法是，根據(jù)葉片翼型的氣動特性，確定失速點，并控制葉片的攻角變化范圍始終在失速點以內(nèi)，以此束輸出較大的氣動轉(zhuǎn)矩，進而提高風力機的風能利用系數(shù)。 設(shè)A為葉片翼型的失速點，根據(jù)垂直軸風力機葉片旋轉(zhuǎn)一周攻角變化的特點，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)，對于風力機的性能非常重要。當A=垂直軸風力機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力機的變漿矩規(guī)律： (1).當風力機低速運行時，即較小時，風力機漿矩角的變化范圍隨的增大而減小。 (2)當小于某一值時，本文對應(yīng)的是，當風力機葉片處于上風向位置時，即0176。180176。，應(yīng)向減小攻角的方向運動，這時角為正值；當風力機葉片處于下風向位置時，即180176。360176。，應(yīng)向增大攻角的方向運動，這時角為負值。 (3)當大于某一值時，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行驗證分析。當=3時，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力機的系數(shù)進而提高風力機的轉(zhuǎn)矩，在225176。315176。的區(qū)間內(nèi)，即葉片處于下風向時，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力機的輸出功率。 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)的新型垂直軸風力機是直葉片的達里厄垂直軸風力機，此風力機的風輪通過安裝變槳矩機構(gòu)，能夠提高風力機的風能利用率和啟動性能。本文以基本垂直軸風力機的氣動原理和變槳矩運行方式為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種適用于變槳矩垂直軸風力機的風輪，如圖2—12所示該風輪的特點是： (1)風力機葉片為直葉片，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。若是單機容量大的風力機，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力機。 (3)采用一種特殊的改變?nèi)~片槳矩角的運行方式。與傳統(tǒng)垂直軸風力機相比，葉片采用這種變槳矩的方式能夠減小風力機轉(zhuǎn)矩的波動，提高風力機的啟動性能以及風能利用率。圖2—12變漿矩垂直軸風力機風輪38東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 風輪參數(shù)設(shè)計及計算 風輪是風力機最重要的部件之一，是風能轉(zhuǎn)化為機械能最主要的裝置。風力機的氣動性能主要表現(xiàn)為風輪的氣動性能，因此風輪的設(shè)計對風力機的性能具有重大影響。本章以第一章介紹的翼型空氣動力特性、葉素理論、動量理論為基礎(chǔ)，探討了基于風速分布函數(shù)設(shè)計垂直軸風力機葉輪的設(shè)計方法，并設(shè)計一種適用于變槳矩垂直軸風力機的風輪，如圖2—1所示。該風輪的特點是：