【正文】 由式(1—55)得則作用在。和阻力Fx一其合力為F，如圖卜35所示。為此，用升力法推導(dǎo)方法如下所述。 必須指出，該能量方程只建立了總能量與流動(dòng)參數(shù)之問的關(guān)系，而沒有反映出總能量與翼型及葉柵幾何參數(shù)之間的關(guān)系，因此不能用來進(jìn)行軸流式泵與風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算。3為提高流體通過葉輪后獲得的壓力能，必使得WlW2即入口相對速度要大于出口相對速度，常用的方法是使葉輪入口斷面小于出口斷面。HT=0即流體不能從葉輪獲得能量。這就是軸流式泵與風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程(全壓)遠(yuǎn)低于離心式的原因。有公式113軸流式泵與風(fēng)機(jī)的能量方程式又可寫為由式(1—68)和式(1—69)可得出如下結(jié)論。即由圖卜23的速度三角形 式(1—68)是用動(dòng)量矩定理推導(dǎo)出來的軸流泵的能量方程式。在葉頂和葉根處β1和β2變化的差值，反映了葉片沿半徑扭曲的情況。 同樣由速度三角形可得 由式(1—67)可知，隨半徑r增大，氣流角β2減小。處的圓周速度分別為即有由圖l—21速度三角形可得由式(1—66)可知，隨半徑，增大，氣流角β1減小。 (3)晟的變化規(guī)律。則由式(1—64)可知，在徑向，隨r增大，氣流角a。得由式(1—63)可知，氣流角a，隨葉高增大。 3．氣流角沿葉高的變化 由圖l—21葉柵進(jìn)出口速度三角形，可求氣流角沿半徑(葉高)的變化規(guī)律。由式(1—58)可得到任意半徑r處氣流速度與平均半徑處對應(yīng)分速度之間的關(guān)系，即 即氣流絕對速度的圓周分速度砜隨半徑的增加而減小。隨半徑r的增大而減少，即等環(huán)量軸流式風(fēng)機(jī)在葉根處的氣流扭曲大(即氣流轉(zhuǎn)折角邸大)，而在葉頂處氣流扭曲小(即氣流轉(zhuǎn)折角小)． 2．氣流速度沿葉高的變化 記平均半徑為r。下面來分析扭速沿葉高的變化規(guī)律。是按等環(huán)量規(guī)律分布的?！黧w微團(tuán)絕對速度的圓周 2．徑向表面力設(shè)作用在微團(tuán)內(nèi)表面上的壓力為外表面上的壓力為，則其總作用力分別為與；而而作用在微團(tuán)左、右兩側(cè)面上的壓力亦為其總作用力各為，將其分解成相互垂直的兩個(gè)分力，與半徑方向相垂直的兩個(gè)分力相互平衡，沿半徑方向的兩個(gè)分力形成合力為 根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，該離心力應(yīng)與作用在流體微團(tuán)上的徑向表面力相平衡，即去高階無窮小，則有即可得軸流風(fēng)機(jī)的全壓是靜壓和動(dòng)壓之和，即對半徑求導(dǎo)，有將式(1—57)代人上式，有注意到而則設(shè)風(fēng)機(jī)全壓P及軸向速度u：沿葉高不變，即設(shè)上式積分，得 式(1^58)為等環(huán)流公式，亦稱自由渦公式。 作用在流體微團(tuán)上沿半徑方向的力有以下幾個(gè)。由于葉柵中翼型的阻力系數(shù)％，即Cx≈Cx1 四、沿葉高氣流參數(shù)的變化 (一)等環(huán)流公式 由前述已知，流體在軸流式泵與風(fēng)機(jī)葉輪中的流動(dòng)，可以認(rèn)為是沿?zé)o限多個(gè)圓柱流面的流動(dòng)，且任意半徑處每個(gè)圓柱流面上的流動(dòng)情況并不相同，其變化存在一定的規(guī)律。及屆就可以從圖l31中查得修正系數(shù)【。等價(jià)平板在葉柵中的安裝角為AB直線與圓周方向間的夾角。(b。由該等價(jià)平板組成的葉柵稱為等價(jià)平板葉柵。對于由翼型組成的葉柵，為了借用平板葉柵的修正資料，應(yīng)將翼型葉柵轉(zhuǎn)化為等價(jià)的平板葉柵后再進(jìn)行修正。試驗(yàn)證明，修正系數(shù)L不僅與葉柵的相對柵距t/b有關(guān)，也與翼型的安裝角有 關(guān)。除用葉柵中相對速度的幾何平均值代替無限遠(yuǎn)處的來流速度外，其升力系數(shù)cy，與阻力系數(shù)cx也和孤立翼型不同，為此，需對其加以修正。因此，作用在葉柵中翼型上的升力Fy，與阻力Fx。 ——葉柵中幾何平均相對速度。得。翼型在該沖角下工作時(shí)，具有最好的空氣動(dòng)力特性，也即升力最大，而阻力最小，翼型的效率最高。由圖1_29可見，從坐標(biāo)原點(diǎn)引與極曲線相切的極線，斜率最大。圖129中標(biāo)出了相應(yīng)的沖角口，并在繪極曲線圖時(shí)使鋤的比例比大5倍。即 由于升力系數(shù)cy和阻力系數(shù)Cxl都是沖角a的函數(shù)，因此，可以作一條以升力系數(shù)勺。在軸流式泵與風(fēng)機(jī)中失速工況將使性能惡化，效率降低，并伴隨有噪聲及振動(dòng)。升力系數(shù)和升力減小的點(diǎn)稱為失速點(diǎn)。當(dāng)沖角d超過某一數(shù)值時(shí)，升力系數(shù)Cy，急劇下降，這是因?yàn)樵诖鬀_角下，繞流翼型時(shí)，在翼型上表面的流體在后緣點(diǎn)前發(fā)附面層分離之故。每種翼型都有其各自的空氣動(dòng)力特性曲線。 升力系數(shù)和阻力系數(shù)與翼型的幾何形狀及來流的沖角a有關(guān)。λ角越小，則升力越大而阻力越小，翼型的空氣動(dòng)力特性越好。 作用在翼型上的力，應(yīng)該是升力和阻力的合力F，如圖1—26所示。為了減小壓差阻力，一般采用機(jī)翼型葉片，以便使附面層不發(fā)生分離或使分離點(diǎn)盡量后移至尾部。它包括摩擦阻力及壓差阻力(又稱形狀阻力)兩部分。此外，儒柯夫斯基升力公式也可寫成以下形式，即將式(152)代人式(1_51)得對翼展為2的翼型，其升力為對翼展為2的翼型，其升力為式中——無限遠(yuǎn)處來流速度(未受翼型影響的速度)，m／s； ——孤立翼型的升力系數(shù)； P流體密度，kg／m3； b——弦長，m； l——翼展，m。即 其方向只需將速度矢量‰繞環(huán)量的反方向轉(zhuǎn)90。理想流體做平面有勢流動(dòng)，如果流場中有一翼型，當(dāng)流體繞流翼型時(shí)，則流體對翼型作用有一個(gè)力，該力稱為升力。 翼型的空氣動(dòng)力特性，是指翼型上升力和阻力與翼型的幾何形狀及氣流參數(shù)的關(guān)系。事實(shí)上，在翼型上下、前后的一定距離處，流體的速度已與無限遠(yuǎn)處未受擾動(dòng)的來流速度相等。 (二)孤立翼型及葉柵翼型的空氣動(dòng)力特性 1．孤立翼型的空氣動(dòng)力特性 孤立翼型是指流體繞翼型的流動(dòng)是在一個(gè)無限大的平面內(nèi)進(jìn)行的。 (5)安裝角。 (4)稠度。 (3)柵軸。 (2)柵距t。 2．葉柵的主要幾何參數(shù) (1)列線或額線。前緣點(diǎn)和后緣點(diǎn)不一定與前駐占和后駐點(diǎn)重合。 (9)前駐點(diǎn)、后駐點(diǎn)。 (8)沖角d。 (7)厚度。翼型上這一最大距離稱為最大彎度。弦長到骨架線的距離，稱為彎度或撓度。翼展與弦長之比l／b，稱為展弦比。垂直于紙面方向葉片的長度(機(jī)翼的長度)稱為翼展。翼弦的長度稱為弦長。骨架線與型線的交點(diǎn)，前端稱前緣點(diǎn)，后端稱后 (3)弦長6。通過翼型內(nèi)切圓圓心的連線，稱為骨架線或中弧線，是構(gòu)成翼型的基礎(chǔ)其形狀決定了翼型的主要空氣動(dòng)力特性。翼型的主要幾何參數(shù)如圖l24所示。首先要了解影響空氣動(dòng)力特性的翼型和葉柵的主要幾何參數(shù)。 5．玻璃鋼復(fù)合葉片 至20世紀(jì)末，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家的大、中型商品風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片，基本上采用型鋼縱梁、夾層玻璃鋼肋梁及葉根與輪轂連接用金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料做葉片。增強(qiáng)塑料強(qiáng)度高、重量輕、耐老化，表面可再纏玻璃纖維及涂環(huán)氧樹脂，既可增加強(qiáng)度又使葉片表面光滑。 鋼梁玻璃鋼蒙皮葉片及鋁合金擠壓成型的等弦長葉片和其他金屬葉片的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)對電視等能形成重影或條狀紋干擾，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。 3．鋁合金等弦長擠壓成型葉片 用鋁合金擠壓成型的等弦長葉片易于制造，可連續(xù)生產(chǎn)，將其截成所需要的長度，又可按設(shè)計(jì)要求的扭曲進(jìn)行扭曲加工，葉根與輪轂連接的軸及法蘭可通過焊接或螺栓連接來實(shí)現(xiàn)。如圖3一l9(c)，(d)所示。2．鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片葉片在近代采用鋼管或D型型鋼做縱梁、鋼板做肋梁，內(nèi)填充泡沫塑料外覆玻璃鋼蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，往往在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用。 葉片也有采用金屬縱梁，鋼板肋梁，內(nèi)填硬泡沫塑料，用布蒙皮、外涂環(huán)氧樹脂或涂漆這樣結(jié)構(gòu)的。另外，葉片表面要光滑以減少葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與空氣的摩擦阻力。葉片的設(shè)計(jì)要求有高效的接受風(fēng)能的翼型，合理的安裝角(或迎角)，科學(xué)的升阻比、尖速比和葉片扭曲。 在變槳距調(diào)速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)改變迎角滿足接受風(fēng)能的變化達(dá)到額定輸入功率以使風(fēng)輪保持額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)使其變槳距的動(dòng)力扭矩應(yīng)大于葉片的俯仰力矩MM。m； p——風(fēng)的平均壓強(qiáng)，hPa； L1——葉片縱梁中心至葉片前緣的弦長，m； L2——葉片縱梁中心到葉片后緣的弦長，mθi——葉片翼型安裝角，(176。式中MM——葉片縱梁的俯仰彎矩，Nm或kn” (13)葉片阻力及葉片阻力彎矩計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。P=v178。低速風(fēng)力機(jī)葉片多，軸向推力較大，合理設(shè)計(jì)塔架會(huì)降翩造成本。風(fēng)輪掃掠面上葉片所受到的軸向推力FT為 (3．35) FT一風(fēng)輪掃掠面上葉片所受到的軸向推力，N或 kN； S——葉片面積，m2； V——風(fēng)速，m／s。在丹麥(Gedser)風(fēng)力機(jī)上測得的結(jié)果表明，每平方米掃掠面上的葉片的軸向推力P，在一般風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，按下列經(jīng)驗(yàn)公式給出 P=178。但是下風(fēng)向錐置葉片會(huì)受到塔架下風(fēng)向紊流的作用，使經(jīng)過紊流區(qū)的葉片發(fā)生振動(dòng)，過早地?fù)p壞葉片縱梁，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮，統(tǒng)籌兼顧。 2)下風(fēng)向錐置葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中所受的離心力。 (11)錐置葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中所受到的離心力，分為上風(fēng)向 1)上風(fēng)向錐置葉片的離心力對葉片縱梁的彎矩．葉片上風(fēng)向錐置時(shí)，如圖317(a)，除上述分析的離心力對葉片縱梁的力及彎矩外，尚有一個(gè)與風(fēng)向相同的離心力的分力構(gòu)成對葉片縱梁的彎矩，加大了葉片縱梁的彎矩。只要葉片安裝得對稱葉片重量相等。(4)重力G，方向始終指向地球。 (1)葉片升力fl為 (2)葉片阻力FD為(3)葉片受離心力Fg為 (3—28)G——葉片重量，k9；W——風(fēng)輪轉(zhuǎn)的角速度，rad； r——葉片質(zhì)心至葉片轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離，m。如果葉片安裝不對稱，重量相差較大，葉片質(zhì)心距轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離相差較大還會(huì)使風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)中發(fā)生振動(dòng)，使葉片及風(fēng)輪軸承擔(dān)振動(dòng)引起的彎矩。六、風(fēng)輪葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中所受力及風(fēng)輪軸受力分析 葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中也同樣受到空氣總動(dòng)力F的作用，這個(gè)總動(dòng)力分解為葉片的升力FL和對葉片的阻力FD，如圖3—16(a)所示；葉片自身具有重量G及質(zhì)量G／g，在轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生離心力F。變槳距葉片亦稱變槳距調(diào)速。(3)定槳距葉片就是按計(jì)算所得到的實(shí)際葉片安裝角將葉片固定到輪轂上，不能變動(dòng)葉片安裝角。)，如NACA23012圖312(b)clmax=0．79時(shí)a（max）=100。比如翼型4412圖3．14(b)，當(dāng)升力曲線cL為零時(shí)ao=一40；再如翼型NACA23012圖3—12(b)a0=2176。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。)，通常為負(fù)值； Rz：——展弦比，見式(3．4)； cl．——升力系數(shù)； Kl——升力曲線平均斜率。)。)； ——ri處所對應(yīng)的葉片相對迎風(fēng)角，(176。葉片ri處的葉片實(shí)際安裝角θii應(yīng)為相對迎風(fēng)角φi減去葉片的平均迎角αm。3．葉片的實(shí)際安裝角θi由圖3—9按不同的ri所對應(yīng)的尖速比λi的值所對應(yīng)的相對迎風(fēng)角φi。 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。圖39表示尖速比λ與相對迎風(fēng)角的a關(guān)系曲線。 葉片接受風(fēng)能的效率還與葉片翼型的相對迎風(fēng)角有關(guān)．即與迎角口有關(guān)，因相對迎風(fēng)角φ=a+θ。圖38尖速比A與葉片形狀參數(shù)的關(guān)系曲線圖39尖速比A與葉片的相對迎風(fēng)角驢的關(guān)系曲線 葉片翼型不同其所接受的風(fēng)能亦有差別，為了表示不同形狀的葉片其接受風(fēng)能的特征引入葉片形狀參數(shù)，圖3—8表示葉片形狀參數(shù)與尖速比的關(guān)系曲線。 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。見圖3．圖3—1圖3—l圖3—l圖3—14，其中分圖(a)為葉片翼型尺寸，分圖(b)為翼型的迎角α與升阻比L／D，升力系數(shù)CL，阻力系數(shù)CD及俯仰力矩系數(shù)CM，供讀者設(shè)計(jì)時(shí)使用。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。一些微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片有的是木制的，不易扭曲也可做成等安裝角葉片只是效率低一些?，F(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。葉片翼型基本上可分為平板型、風(fēng)帆型和扭曲型。 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。式中，R風(fēng)輪半徑，m. 2. 增速比i的確定 風(fēng)輪接受風(fēng)能轉(zhuǎn)動(dòng)，不可能通過風(fēng)輪軸直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，因?yàn)槟壳鞍l(fā)電機(jī)多數(shù)為8極，它們同步轉(zhuǎn)速為1500、1000、750f／min，與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速相差太多，所以采 用增速器將低轉(zhuǎn)速的風(fēng)輪與高轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一致，相互匹配。尖速比λ愈大則風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速愈高。圖35葉片密實(shí)度K’與尖速比λ關(guān)系曲線圖3—6葉片尖速比λ與貝茨功率系數(shù)Cp的關(guān)系1水平軸風(fēng)力機(jī)效率理想曲線；2兩葉高速風(fēng)力機(jī)效率；3達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)效率；4索旺尼斯風(fēng)力機(jī)效率；5—多葉片風(fēng)力機(jī)效率；6四臂型風(fēng)力機(jī)效率圖3—7升阻比與風(fēng)輪效率的關(guān)系式中 k——風(fēng)輪葉片數(shù)； K`——密實(shí)比，按圖3．8選取。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)。 4．確定單個(gè)葉片的面積Sy 風(fēng)力機(jī)接受風(fēng)能的效率，與葉片翼型、尖速比等因素有關(guān)，同時(shí)還與密實(shí)比有關(guān)。 3。參見圖36及圖3—7。參見圖36及圖3—7及表35。風(fēng)力機(jī)的全效率一般取η= 25％～50％。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算