【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參數(shù)之問的關系，而沒有反映出總能量與翼型及葉柵幾何參數(shù)之間的關系，因此不能用來進行軸流式泵與風機的設計計算。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機的揚程(全壓)遠低于離心式的原因。有公式113軸流式泵與風機的能量方程式又可寫為由式(1—68)和式(1—69)可得出如下結論。即由圖卜23的速度三角形 式(1—68)是用動量矩定理推導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分速度之間的關系，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)量軸流式風機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微團絕對速度的圓周 2．徑向表面力設作用在微團內(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；而而作用在微團左、右兩側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分力，與半徑方向相垂直的兩個分力相互平衡，沿半徑方向的兩個分力形成合力為 根據(jù)達朗貝爾原理，該離心力應與作用在流體微團上的徑向表面力相平衡，即去高階無窮小，則有即可得軸流風機的全壓是靜壓和動壓之和，即對半徑求導，有將式(1—57)代人上式，有注意到而則設風機全壓P及軸向速度u：沿葉高不變，即設上式積分，得 式(1^58)為等環(huán)流公式，亦稱自由渦公式。 作用在流體微團上沿半徑方向的力有以下幾個。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機葉輪中的流動，可以認為是沿無限多個圓柱流面的流動，且任意半徑處每個圓柱流面上的流動情況并不相同，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。由該等價平板組成的葉柵稱為等價平板葉柵。對于由翼型組成的葉柵，為了借用平板葉柵的修正資料，應將翼型葉柵轉(zhuǎn)化為等價的平板葉柵后再進行修正。試驗證明，修正系數(shù)L不僅與葉柵的相對柵距t/b有關，也與翼型的安裝角有 關。除用葉柵中相對速度的幾何平均值代替無限遠處的來流速度外，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，具有最好的空氣動力特性，也即升力最大，而阻力最小，翼型的效率最高。由圖1_29可見，從坐標原點引與極曲線相切的極線，斜率最大。圖129中標出了相應的沖角口，并在繪極曲線圖時使鋤的比例比大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。在軸流式泵與風機中失速工況將使性能惡化，效率降低，并伴隨有噪聲及振動。升力系數(shù)和升力減小的點稱為失速點。當沖角d超過某一數(shù)值時，升力系數(shù)Cy，急劇下降，這是因為在大沖角下，繞流翼型時，在翼型上表面的流體在后緣點前發(fā)附面層分離之故。每種翼型都有其各自的空氣動力特性曲線。 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。λ角越小，則升力越大而阻力越小，翼型的空氣動力特性越好。 作用在翼型上的力，應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，一般采用機翼型葉片，以便使附面層不發(fā)生分離或使分離點盡量后移至尾部。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，如果流場中有一翼型，當流體繞流翼型時，則流體對翼型作用有一個力，該力稱為升力。 翼型的空氣動力特性，是指翼型上升力和阻力與翼型的幾何形狀及氣流參數(shù)的關系。事實上，在翼型上下、前后的一定距離處，流體的速度已與無限遠處未受擾動的來流速度相等。 (二)孤立翼型及葉柵翼型的空氣動力特性 1．孤立翼型的空氣動力特性 孤立翼型是指流體繞翼型的流動是在一個無限大的平面內(nèi)進行的。 (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。前緣點和后緣點不一定與前駐占和后駐點重合。 (9)前駐點、后駐點。 (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，前端稱前緣點，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，是構成翼型的基礎其形狀決定了翼型的主要空氣動力特性。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力特性的翼型和葉柵的主要幾何參數(shù)。 5．玻璃鋼復合葉片 至20世紀末，世界工業(yè)發(fā)達國家的大、中型商品風力發(fā)電機的葉片，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構的復合材料做葉片。增強塑料強度高、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力發(fā)電機在正常運行時對電視等能形成重影或條狀紋干擾，設計時應注意。 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，又可按設計要求的扭曲進行扭曲加工，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構形式，往往在大型風力發(fā)電機上使用。 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構的。另外，葉片表面要光滑以減少葉片轉(zhuǎn)動時與空氣的摩擦阻力。葉片的設計要求有高效的接受風能的翼型，合理的安裝角(或迎角)，科學的升阻比、尖速比和葉片扭曲。 在變槳距調(diào)速的風力發(fā)電機中，葉片轉(zhuǎn)動改變迎角滿足接受風能的變化達到額定輸入功率以使風輪保持額定轉(zhuǎn)速，此時驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動使其變槳距的動力扭矩應大于葉片的俯仰力矩MM。m； p——風的平均壓強，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算的經(jīng)驗公式。P=v178。低速風力機葉片多，軸向推力較大，合理設計塔架會降翩造成本。風輪掃掠面上葉片所受到的軸向推力FT為 (3．35) FT一風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——風速，m／s。在丹麥(Gedser)風力機上測得的結果表明，每平方米掃掠面上的葉片的軸向推力P，在一般風輪正常運轉(zhuǎn)的情況下，按下列經(jīng)驗公式給出 P=178。但是下風向錐置葉片會受到塔架下風向紊流的作用，使經(jīng)過紊流區(qū)的葉片發(fā)生振動，過早地損壞葉片縱梁，設計時應充分考慮，統(tǒng)籌兼顧。 2)下風向錐置葉片在轉(zhuǎn)動中所受的離心力。 (11)錐置葉片在轉(zhuǎn)動中所受到的離心力，分為上風向 1)上風向錐置葉片的離心力對葉片縱梁的彎矩．葉片上風向錐置時，如圖317(a)，除上述分析的離心力對葉片縱梁的力及彎矩外，尚有一個與風向相同的離心力的分力構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——風輪轉(zhuǎn)的角速度，rad； r——葉片質(zhì)心至葉片轉(zhuǎn)動中心的距離，m。如果葉片安裝不對稱，重量相差較大，葉片質(zhì)心距轉(zhuǎn)動中心距離相差較大還會使風輪在轉(zhuǎn)動中發(fā)生振動，使葉片及風輪軸承擔振動引起的彎矩。六、風輪葉片在轉(zhuǎn)動中所受力及風輪軸受力分析 葉片在轉(zhuǎn)動中也同樣受到空氣總動力F的作用，這個總動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算所得到的實際葉片安裝角將葉片固定到輪轂上，不能變動葉片安裝角。)，如NACA23012圖312(b)clmax=0．79時a（max）=100。比如翼型4412圖3．14(b)，當升力曲線cL為零時ao=一40；再如翼型NACA23012圖3—12(b)a0=2176。的值，在設計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處所對應的葉片相對迎風角，(176。葉片ri處的葉片實際安裝角θii應為相對迎風角φi減去葉片的平均迎角αm。3．葉片的實際安裝角θi由圖3—9按不同的ri所對應的尖速比λi的值所對應的相對迎風角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，葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖不同半徑ri處的葉片弦長(葉片翼型弦長)L；計算如下，計算簡圖見圖3—15。圖39表示尖速比λ與相對迎風角的a關系曲線。 葉片接受風能的效率還與葉片翼型的相對迎風角有關．即與迎角口有關，因相對迎風角φ=a+θ。圖38尖速比A與葉片形狀參數(shù)的關系曲線圖39尖速比A與葉片的相對迎風角驢的關系曲線 葉片翼型不同其所接受的風能亦有差別，為了表示不同形狀的葉片其接受風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)與尖速比的關系曲線。 葉片從轉(zhuǎn)動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)動中心至葉尖不同半徑處的尖速比； ri——葉片從轉(zhuǎn)動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，供讀者設計時使用。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風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。一些微小型風力發(fā)電機葉片有的是木制的，不易扭曲也可做成等安裝角葉片只是效率低一些?，F(xiàn)代風力發(fā)電機的風輪葉片翼型基本上都用扭曲型，扭曲葉片雖然制造困難，但能提高風能利用率，使風力發(fā)電機獲得最佳的風能功率。葉片翼型基本上可分為平板型、風帆型和扭曲型。 增速比i由下式給出式中 nD——發(fā)電機轉(zhuǎn)速，r／min； n——風輪轉(zhuǎn)速，r／min。式中，R風輪半徑，m. 2. 增速比i的確定 風輪接受風能轉(zhuǎn)動，不可能通過風輪軸直接驅(qū)動發(fā)電機，因為目前發(fā)電機多數(shù)為8極，它們同步轉(zhuǎn)速為1500、1000、750f／min，與風輪轉(zhuǎn)速相差太多，所以采 用增速器將低轉(zhuǎn)速的風輪與高轉(zhuǎn)速的發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到一致，相互匹配。尖速比λ愈大則風輪的轉(zhuǎn)速愈高。圖35葉片密實度K’與尖速比λ關系曲線圖3—6葉片尖速比λ與貝茨功率系數(shù)Cp的關系1水平軸風力機效率理想曲線；2兩葉高速風力機效率；3達里厄風力機效率；4索旺尼斯風力機效率；5—多葉片風力機效率；6四臂型風力機效率圖3—7升阻比與風輪效率的關系式中 k——風輪葉片數(shù)； K`——密實比，按圖3．8選取。密實比愈高的葉片，其尖速比越低，風輪轉(zhuǎn)速也越低，適用于風力機抽水、碾米、壓縮空氣；密實比越低的葉片，其尖速比越高，其風輪轉(zhuǎn)速越高，葉片數(shù)越少，適合于風力發(fā)電機。 4．確定單個葉片的面積Sy 風力機接受風能的效率，與葉片翼型、尖速比等因素有關，同時還與密實比有關。 3。參見圖36及圖3—7。參見圖36及圖3—7及表35。風力機的全效率一般取η= 25％～50％。第二節(jié)風力發(fā)電機設計計算