【正文】 在貝茨理論的基礎(chǔ)上，通過實踐總結(jié)出了設(shè)計風(fēng)力機(jī)的經(jīng)驗公式，可以為從事風(fēng)力機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計者提供設(shè)計的依據(jù)。到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)有突破貝茨風(fēng)能效率的風(fēng)力機(jī)。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％。因此合成風(fēng)速： 風(fēng)通過風(fēng)輪時的風(fēng)速風(fēng)通過風(fēng)輪后的風(fēng)速將上述二式消去vy，得 這與貝茨理論導(dǎo)出的v=(v1+v2)是相同的。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nLI，與風(fēng)速v1的方向相同。環(huán)形磁場2HD相當(dāng)于周向誘導(dǎo)風(fēng)速vy，風(fēng)以一定轉(zhuǎn)速繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，與葉片的轉(zhuǎn)向相反。在螺線管末端圓面上所產(chǎn)生的電流磁場為Hs／2= nLI／2。圖34(c)中所示是磁場的旋渦系，它是由一根中心導(dǎo)線及流經(jīng)的電流KI,k為經(jīng)線數(shù)，與風(fēng)輪葉片數(shù)k相同的導(dǎo)線，每根導(dǎo)線流過的電流為I，這有如k條流量為I的小河匯流到中心流量為KI的大河一樣。風(fēng)輪有k個葉片，就有3k個旋渦環(huán)量。圖34風(fēng)輪旋渦與磁場旋渦(a)多葉片低速風(fēng)輪；(b)高速風(fēng)輪；(c)磁場旋渦 空間給定一點的風(fēng)速，可以看作是直線運動的風(fēng)速和旋渦誘導(dǎo)速度的合速度，而旋渦誘導(dǎo)速度又是三個旋渦速度的合速度。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。m。 dM，dN表達(dá)如下式中 ri——葉片積分元距葉片轉(zhuǎn)動中心之距離，In； Ф——相對風(fēng)向角，Ф=a+θ。葉片轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩及風(fēng)輪功率都是這些積分元沿葉片積分的結(jié)果。式中 ——葉片角速度，rad／s；——葉片計算速度點至轉(zhuǎn)動中心之距，m； n——葉片轉(zhuǎn)數(shù)，r／min。 式中ρ——空氣密度； Cr——空氣動力系數(shù)； CD——阻力系數(shù)； CL——升力系數(shù)； Sy——葉片面積。空氣的總動力F分解在相對風(fēng)速方向的一個力FD，稱作阻力；另一個垂直于阻力FD的力，稱作升力FL。葉片轉(zhuǎn)動掃掠面的直徑，亦稱葉片直徑。葉片轉(zhuǎn)動時所形成的圓面。葉片的翼型及扭曲、葉片的數(shù)量和尖速比都直接影響葉片接受風(fēng)能的效率。 (15)葉片。圖33升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD隨迎角α變化 (14)風(fēng)輪。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。 升力隨迎角α的增加而增加，阻力FD隨迎角的增加而減小。氣動俯仰力矩表達(dá)式為：式中Sy——葉片面積； Cm——俯仰力矩系數(shù)； L——翼的弦長。當(dāng)葉片縱梁沒有通過這個點就會對縱梁形成力矩，這個力矩稱氣動俯仰力矩。 (12)翼的氣動俯仰力矩。 (11)展弦比。 (10)迎角α。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與翼弦所成的角θ稱葉片安裝角。葉片旋轉(zhuǎn)直徑，即風(fēng)輪轉(zhuǎn)動直徑稱為翼展。一般翼的最大厚度距前緣占弦長的20％一35％，當(dāng)厚度表達(dá)為弦長的函數(shù)稱厚弦比或稱相對厚度，通常為10％～l5％。 (7)翼的最大厚度h。 (6)翼的下表面。 (5)翼的上表面。 (4)翼弦。圖32翼的概念及翼的受力分析 (3)翼的后緣。 (2)翼的前緣。 法國L?瓦多特(Romani)設(shè)計的Best Romani風(fēng)力發(fā)電機(jī)，試驗一種尖速比大的風(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，此時葉尖線速度達(dá)v=112m／s，結(jié)果一個葉片損壞。 低速風(fēng)輪，λ取小值；高速風(fēng)輪，λ取大值。 (1)葉尖速比。風(fēng)輪葉片的幾何形狀不同則其空氣動力特性也不同。3％，一般設(shè)計時根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況，取0．25～0．45。貝茨理論說明，理想的風(fēng)能對風(fēng)輪葉片做功的最高效率是 59．3％。 風(fēng)輪所接受的功率為經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化式中—空氣質(zhì)量。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機(jī)械能，則必V2vl，s2sl。 分析一個放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動空氣對風(fēng)輪葉片所做的功。貝茨理論的建立是假定風(fēng)輪是‘‘理想’’的，全部接受風(fēng)能(沒有輪轂)，葉片無限多，對空氣流沒有阻力。本節(jié)主要介紹貝茨理論及葛勞渥理論。風(fēng)能在這里指的是風(fēng)的動能。第一節(jié)風(fēng)力機(jī)的基本原理空氣的流動就是風(fēng)。現(xiàn)代大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)都采用扭曲葉片。由于葉片在轉(zhuǎn)動中，距轉(zhuǎn)動中心不同半徑的線速度也不同，接受風(fēng)能也不同。 圖2—4(a) 美國MOD1型大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 1—轉(zhuǎn)盤座；2一調(diào)向制動器；3一調(diào)向電機(jī)；4—低速聯(lián)軸器；5一增速器； 6一機(jī)艙底座；7一勵磁機(jī)；8一交流發(fā)電機(jī)；9高速軸聯(lián)軸器；10高速 軸制動器；11機(jī)艙；l2爬梯；l3．變槳距控制軸承；l4一變槳距液壓 油缸；1卜．變槳距控制連桿；l6一葉片；l7一輪轂；l8風(fēng)輪軸軸承；l9一 轉(zhuǎn)盤軸承；20一三相交流電輸出集電環(huán)；21一風(fēng)輪接合器 圖24(b) 美國M0n0型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 1一左調(diào)向電機(jī)；2—左調(diào)向減速器；3右調(diào)向電機(jī)；4右調(diào)向減速器 5調(diào)向傳動軸；6發(fā)電機(jī)；7—高速軸；8一高速軸接合器；9低速制動 器；l0—低速軸；11調(diào)速裝置；l2一增速器；13一調(diào)向制動盤；l4一調(diào)向制動器15葉片 葉片又可分為變槳距葉片和固定槳距葉尖可變槳距或葉尖有阻尼器兩種葉片，其作用都是為了調(diào)速。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。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件。 ． 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片一般用玻璃鋼手工制作。 ’ 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片一般用金屬或玻璃鋼擠壓成型。這種葉片至今沒有得到大面積推廣。它的效率介于上述兩種葉片之間。這種葉片在其全長上各處的截面形狀及面積都是固定的。． 等截面葉片的制造工藝遠(yuǎn)優(yōu)于變截面葉片，特別是在發(fā)電機(jī)組功率較大時變截面葉片幾乎是很難制作的。 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。 在某一轉(zhuǎn)速下通過改變?nèi)~片全長上各處的截面形狀及面積，使葉片全長上各處的攻角相同，這就是變截面葉片設(shè)計的初衷。 ’ 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)。 變截面葉片在葉片全長上各處的截面形狀及面積都是不同的，等截面葉片則在其全長上各處的截面形狀和面積都是相同的。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)場成功安裝完畢，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。 葉片的翼型是根據(jù)空氣動力學(xué)原理設(shè)計的，是決定風(fēng)輪效率和工作情況的決定性因素。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，但價格昂貴，影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。對葉片來講，剛度也是一個十分重要的指標(biāo)。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。 (4)玻璃鋼葉片 所謂玻璃鋼(glass fiber reinforced plastic，簡稱GFRP)就是環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂等塑料滲入長度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強(qiáng)塑料。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，因為目前世界各國尚未解決這種擠壓工藝。葉片縱梁的鋼管及D型型鋼從 ，葉根至葉尖的截面應(yīng)逐漸變小，以滿足扭曲葉片的要求并減輕葉片重量，即做成等強(qiáng) 、度梁。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)葉片在工作時所必須承擔(dān)的力和彎矩。用于加工葉片的材料有哪些? 用于加工葉片的材料有木頭、金屬、工程塑料、玻璃鋼等。耐腐蝕、紫外線照射和雷擊的性能好； 不得產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁波干擾和光反射； 葉片的彈性、旋轉(zhuǎn)時的慣性及其振動頻率特性曲線都正常，傳遞給整個發(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)生引起整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的強(qiáng)烈共振； 惡劣的環(huán)境和長期不停地運轉(zhuǎn)，對葉片的要求有： 風(fēng)輪通常在3～50m／s風(fēng)速下都是轉(zhuǎn)動的，這其中包含了許多共振點(物體的共振頻率并非只有一個)，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)空氣動力學(xué)來計算，還應(yīng)根據(jù)各零部件的震動頻率進(jìn)行修正。葉片最大扭曲變形程度(葉片外端繞自身軸線極限轉(zhuǎn)角)正比于葉片長度的3次方。如圖3．18所示。；這里r可近似看成葉片的長度(嚴(yán)格說，r是葉尖到轉(zhuǎn)軸中心的長度)。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個葉片，如圖3．1 3和圖3．1 4所示。 等截面葉片的制造工藝遠(yuǎn)優(yōu)于變截面葉片，特別是在發(fā)電機(jī)組功率較大時變截面葉片幾乎是很難制作的。 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。 在某一轉(zhuǎn)速下通過改變?nèi)~片全長上各處的截面形狀及面積，使葉片全長上各處的攻角相同，這就是變截面葉片設(shè)計的初衷。 葉片的形狀(翼形)主要有變截面葉片和等截面葉片這兩種。一般小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是直驅(qū)的，沒有齒輪箱。齒輪箱用來提高高速軸的轉(zhuǎn)速。什么是直驅(qū)式和變速式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組? 根據(jù)風(fēng)輪機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的連接方式可將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分為直驅(qū)式和變速式。風(fēng)力磨面機(jī)轉(zhuǎn)子的效率大約為30％，提水時的轉(zhuǎn)換效率約為l8％。 風(fēng)力磨面機(jī)和提水機(jī)具有非常低的轉(zhuǎn)子速度(r／rain)而不適宜用來發(fā)電。上風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在偏航系統(tǒng)(機(jī)構(gòu))失效時可能會轉(zhuǎn)化為下風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。但對于下風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于一部分空氣通過塔架后再吹向風(fēng)輪，塔架干擾了流經(jīng)葉片的氣流，形成所謂塔影效應(yīng)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能有所降低。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)。風(fēng)輪安裝在塔架的上風(fēng)位置迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)的(風(fēng)首先通過風(fēng)輪再穿過塔架)，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪總是面對風(fēng)來的方向，風(fēng)輪在塔架“前面”，叫做上風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品樣本中都有一個功率曲線圖，如圖1—3—42所示。此后風(fēng)速再增加，由于風(fēng)輪的調(diào)節(jié)，功率保持不變，定槳距風(fēng)輪因失速有個過程，超過額定風(fēng)速后功率略有上升，然后又下降。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率會隨風(fēng)速變化，在風(fēng)速很低的時候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪會保持不動，當(dāng)?shù)竭_(dá)切入風(fēng)速時，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)，輸出功率會增加。9．風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，可用式(1—3—29)來計算，即式中C，——風(fēng)能利用系數(shù)CQ——傳動裝置及發(fā)電機(jī)韻效率系數(shù)。一般來說，風(fēng)力機(jī)在無負(fù)載時達(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，轉(zhuǎn)速就保持穩(wěn)定。它取決于風(fēng)的能量和風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)，即風(fēng)輪的氣動效率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運行的最大風(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)計風(fēng)速叫安全風(fēng)速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)開始發(fā)電時，輪轂高度處的最低風(fēng)速叫切人風(fēng)速(通常3~4m／s)。5．設(shè)計風(fēng)速(額定風(fēng)速)研風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率輸出時規(guī)定的風(fēng)速叫額定風(fēng)速。自啟動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實度是由預(yù)定的啟動風(fēng)速來決定的，啟動風(fēng)速小，要求實度大。風(fēng)力機(jī)實度是標(biāo)志風(fēng)力機(jī)性能的重要特征系數(shù)。時，升力突然減小而阻力急劇增加，此時風(fēng)輪葉片突然喪失支承力，這種現(xiàn)象稱為失速。隨攻角a的增加而增加，阻力Fo隨迎角的增加而減小。翼型的升阻比(L／D)值越高則風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率越高。與阻力F。表1—3—1給出了風(fēng)輪葉片數(shù)與尖速比A的匹配值。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。不同類型的風(fēng)輪其風(fēng)能利用系數(shù)是不同的，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)一般都應(yīng)在0．4以上。；A——風(fēng)力機(jī)的掃掠面積，m。風(fēng)能利用系數(shù)是評定風(fēng)輪氣動特性優(yōu)劣的主要參數(shù)。分別求得dD和dL：故dR和dT可求。由幾何關(guān)系可得扭轉(zhuǎn)元dT為由于可利用阻力系數(shù)C。另一方面，dR還可分解軸向推力元dF。W與葉輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角為人流角，記為Y，則有葉片翼型的攻角為；(3)葉素上的受力分析(見圖1—3—4O)。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。4)將作用在葉素上的氣動力元沿展向積分，求得作用在葉輪上的氣動扭矩與軸向推力。2)把葉素視為二元翼型，即不考慮葉素在展向的變化。2．葉素理論(1)葉素理論的基本思想。47，達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)效率可達(dá)0．35。取a=1/3，這里是遠(yuǎn)前方單位時間內(nèi)氣流的功率，并定義風(fēng)能利用系數(shù)cp為于是最大風(fēng)能利用系數(shù)為此乃貝茲極限，它表示理想風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)cp的最大值是0．593(風(fēng)輪理論可達(dá)的最大效率)。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。(4)貝茲極限。應(yīng)用動能定理，可得氣流所具有的動能為則風(fēng)功率(單位時間內(nèi)氣流所做的功)為在葉輪前后，單位時間內(nèi)氣流動能的改變量為此即氣流穿越風(fēng)輪時，被風(fēng)輪吸收的功率。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機(jī)械能，則必V2＜V1，S2＞S1.由流體連續(xù)性條件可得 (2)風(fēng)輪受力及風(fēng)輪吸收功率。訓(xùn)是實際通過風(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分析一個放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動空氣對風(fēng)輪葉片所做的功。2)空氣