【正文】 流是連續(xù)的、不可壓縮的，氣流在整個葉輪掃掠面上是均勻的。貝茲理論是世界上第一個關于風力機風輪葉片接受風能的完整理論，它是1919年由貝茲(Betz)建立的。壓力中心的位置通常用距前緣的距離表示，作用在壓力中心上的只有升力與阻力，而無力矩。(4)翼型的壓力中心。1)極曲線上的每一點對應一種升阻比及相應的攻角狀態(tài)，如等。以及最佳升阻比。在風力機的設計中往往更關心升力和阻力的比值，即升阻比F。在時，Cd隨a的增加而逐漸加大。稱為零升力角，對應零升力線。將下降，氣流也變?yōu)槲闪?。稱為臨界攻角或失速攻角。當時，Cl達到最大值Clmax；。時，CO，氣流為層流。升力FL為阻力FD為翼型剖面的升力特性用升力系數G隨攻角a變化的曲線(升力特性曲線)來描述，如圖1—3—37所示。、M分別為翼型沿展向單位長度上的升力、阻力和氣動力矩。；而在垂直于翼弦方向上的投影稱為升力，記為Fh合力F對(除自己的作用點外)其他點的力矩，記為氣動力矩M，又稱扭轉力矩。風吹過葉片時翼型面上的壓力如圖1—3—36所示，上翼面壓力為負，下翼面壓力為正，由于機翼上、下翼面所受的壓力差，實際上存在著一個指向上翼面的合力，記為F。現(xiàn)在先考慮一個不動的翼型受到風吹的情況。4．翼型的空氣動力特性(1)作用在機翼上的氣動力。機翼翼型運動的氣流方向有所變化，在其上表面形成低壓區(qū)，在其下表面形成高壓區(qū)，產生向上的合力，并垂直于氣流方向。下翼面處流場橫截面面積A3變化較小，流速u3幾乎保持不變，進而靜壓力P：≈P。當機翼相對氣流保持圖示的方向與方位時，在機翼上、下面流線簇的疏密程度是不盡相同的。氣動升力和阻力是像飛行器的機翼產生的一種力，當氣流與機翼有相對運動時，氣體對機翼有垂直于氣流方向的作用力——升力，以及平行于氣流方向的作用力——阻力，如圖1—3—35所示。達里厄垂直軸風力機就是利用空氣的阻力作用轉換風能的。其實水平軸風力機的葉片受力情況也與風箏類似，如圖1—3—35所示。在處于零升力角時，會產生很小的阻力。3．阻力與升力(1)升力和阻力試驗。當流體繞過障礙物時，流線形狀會改變，其形狀取決于所繞過的障礙物的形狀。一般情況下，各流線彼此不會相交。流線：在某一瞬時沿著流場中各氣體質點的速度方向連成的一條平滑曲線。8)攻角：氣流相對速度與翼弦間所夾的角度，記做a，又稱迎角、沖角。6)厚度：翼弦垂直方向上上下翼面間的距離。4)翼型下表面(下翼面)：平緩的翼型表面0NB。此外，翼型上還有氣動弦，又稱零升力線。0B的長度稱為弦長，記為c。1)前緣與后緣：翼型的尖尾點B稱為后緣，圓頭上0點為前緣。10)安裝角或槳距角：在葉片徑向位置(通常為1O0％葉片半徑R處)葉片翼型弦線與風輪旋轉面間的夾角p。8)葉片軸線：葉片縱向軸線，繞其可以改變葉片相對于旋轉平面的偏轉角。6)風輪錐角：葉片相對于和旋轉軸垂直的平面的傾斜度，如圖1—3—32所不。4)風輪中心高：風輪旋轉中心到基礎平面的垂直距離，如圖1—3—31所不。2)旋轉平面：與風輪軸垂直，葉片在旋轉時的平面。有關風輪的幾何參數定義如下(見圖I一3—30)。風力機的基本參數與基本理論3．1風力機空氣動力學的基本概念1．風力機空氣動力學的幾何定義風力機空氣動力學主要研究空氣流過風力機時的運動規(guī)律。輪轂的常用形式主要有剛性輪轂和鉸鏈式輪轂(柔性輪轂或蹺蹺板式輪轂)，剛性輪轂由于制造成本低、維護少、沒有磨損，三葉片風輪一般采用剛性輪轂，剛性輪轂安裝、使用和維護較簡單，日常維護工作較少，只要在設計時充分考慮輪轂的防腐蝕問題，基本上可以說是免維護的，是目前使用最廣泛的一種形式。輪轂可以是鑄造結構，如圖1—3—16所示，也可絲器用焊接結構，其材料可以是鑄鋼也可以采用高強度球墨鑄鐵。輪轂承受了風力作用在葉片上推力、扭矩、彎矩及陀螺力矩。所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng)，再傳到風力機驅動的對象。 2．輪轂。在有扭曲變形時，粘接部分不會產生剪切損壢。：j在前緣粘接部位常重疊，_以便增加粘接面積。致的。45層來承受扭矩，再用結構膠將葉片殼體和大梁牢固地粘接在一起。C形梁用玻璃纖維夾心結構，使其承受拉力和彎曲力矩達到最佳。其優(yōu)點是葉片整體強度和剛度較大，在運輸、使用中安全性好。2)葉片殼體以GRP層板為主，厚度在10～20mm之間；為了減輕葉片后緣重量，提高葉片整體剛度，在葉片上、下殼體后緣局部采用硬質泡沫夾心結構，葉片上、下殼體是其主要承載結構。D形、O形和矩形梁在纏繞機上纏繞成形；在模具中成形上、下兩個半殼，再用結構膠將梁和兩個半殼粘接起來。由于葉片前緣強度和剛度較低，在運輸過程中局部易于損壞。1)葉片主體采用硬質泡沫塑料夾心結構，GRP結構的大梁作為葉片的主要承載部件，大梁常用D形、O形、矩形和C形等形式，蒙皮GRP結構較薄，僅2～3mm，主要保持翼型和承受葉片的扭轉載荷，如圖1—3—1圖1—3一l4所示。聚酯材料較便宜，它在固化時收縮大，在葉片的連接處可能存在潛在的危險，即由于收縮變形在金屬材料與玻璃鋼之間可能產生裂紋。目前葉片多為玻璃纖維增強復合材料，基體材料為聚酯樹脂或環(huán)氧樹脂。對于小型的風力發(fā)電機，如葉輪直徑小于5m，選擇材料通常關心的是效率而不是重量、硬度和葉片的其他特性，常用整塊優(yōu)質杰材加工制成，表面涂上保護漆，其根部與輪轂相接處使用良好的金屬接頭并用螺栓擰緊。葉片的擺動運動，在每周旋轉中會明顯地減少由于陣風和剪切在葉片上產生的載荷。3葉片葉輪上的受力更平衡，輪轂可以簡單些，然而2葉片、1葉片葉輪的輪轂通常比較復雜，因為葉片掃過風時，速度是變化的，為了限制力的波動，輪轂具有蹺蹺板的特性。對于外形很均衡的葉片，葉片少的葉輪轉速就要快些，這樣就會導致葉尖噪聲和腐蝕等問題。甚至可以使用單葉片葉輪，它帶有平衡的重錘，其效率又降低一些，通常比2葉片葉輪低6％。風力發(fā)電場的風力機通常有2片或3片葉片，葉尖速度50~70m／。風力發(fā)電機設計資料匯總風輪風輪風力機區(qū)別于其他機械的最主要特征就是風輪，如圖1—3—11所示。風輪一般由2～3個葉片和輪轂所組成，其功能是將風能轉換為機械能。3葉片葉輪通常能夠提供最佳效率，然而2葉片葉輪僅降低2％o～3％效率。盡管葉片少了，自然降低了葉片的費用，但這是有代價的。更多的人認為3葉片從審美的角度更令人滿蒽。蹺蹺板的輪轂，葉片鏈接在輪轂上，允許葉片在旋轉平面內向后或向前傾斜幾度。1．葉片葉片是用加強玻璃塑料(GRP)、木頭和木板、碳纖維強化塑料(CFRP)、鋼和鋁構成的。對于大型風機，葉片特性通常較難滿足，所以對材料的選擇更為重要，如圖1—3—12所示。環(huán)氧樹脂比聚酯樹脂強度高，材料疲勞特性好，且收縮變形小。．水平軸風輪葉片一般近似是梯形的，曲面外形復雜，葉片的主體結構主要為梁、殼結構，有以下幾種結構形式。其特點是重量輕，對葉片運輸要求較高。同時這種葉片整體剛度較低，運行過程中葉片變形較大，必須選擇高性能的結構膠，否則極易造成后緣開裂。另一種方法是先在模具中成形C(或I)形梁，然后在模具中成形上、下兩個半殼，利用結構膠將C(或I)形梁和兩半殼粘接。大梁設計相對較弱，為硬質泡沫夾心結構，與殼體粘接后形成盒式結構，共同提供葉片的強度和剮度，如圖1—3—15所示。但這種葉片比較重，比同型號的輕型葉片重2o9，6～309，6，制造成本也相對較高。葉片上、下殼體主要以單向增強材料為主，并適當鋪設i177。在這兩種結構中，：大梁和殼體的變形是。經過收縮，夾心結構作為支撐，兩半葉片牢固地粘接在一起。在后繚糌接縫，由于粘接角的產生而變堅固了。關鍵問題是葉根的連接，它將承受所有的力，并由葉片傳遞到輪轂，常用的有多種連接方式。輪轂是風輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件。同時輪轂也是控制葉片槳距(使葉片作俯仰轉動)的所在。通常輪轂的形狀為三通形或三角形。．由于高強度球墨鑄鐵具有不可替代的優(yōu)越性，如鑄造性能好、容易鑄成、減振性能好、應力集中敏感性低、。在設計中，應保證輪轂有足夠的強度，并力求結構簡單，．在可能條件下(如采用葉片失速控制)，葉片采用定槳距結構，即將葉片固定在輪轂上 (無俯仰轉動)，這樣不但能簡化結構設計，提高壽命，而且能有效地降低成本。(1)風輪的幾何參數。1)風輪軸線：風輪旋轉運動的軸線。3)風輪直徑：風輪在旋轉平面上的投影圓的直徑，如圖1—3—31所不。5)風輪掃掠面積：風輪在旋轉平面上的投影圓面積。7)風輪仰角：風輪的旋轉軸線和水平面的夾角，如圖1—3—32所不。9)風輪翼型(在半徑r處的葉片截面)：葉片與半徑為r并以風輪軸為軸線的圓柱相交的截面。(2)翼型的幾何參數(見圖1—3—33)。2)翼弦：連接前、后緣的直線0B，稱為翼弦。弦長是翼型的基本長度，也稱幾何弦。3)翼型上表面(上翼面)：凸出的翼型表面0MB。5)翼型的中弧線：翼型內切圓圓心的連線，對稱翼型的中弧線與翼弦重合。7)彎度：翼型中弧線與翼弦間的距離。2．流線概念氣體質點：體積無限小的具有質量和速度的流體微團。流線描述了該時刻各氣體質點的運動方向(切線方向)。流線簇：流場中眾多流線的集合稱為流線簇，如圖1—3—34所示。不同形狀的物體對氣流的阻礙效果也各不相同。很多人都有放風箏的體驗，當手抓著風箏奔跑時，前緣稍稍朝上，會感到一種向上的升力，如果前緣朝下一點，會感到一個向下的力，在向上和向下的升力之間，有一個角度，不產生升力，稱做零升力角。升力和阻力是同時產生的，將風箏的前緣從零升力角開始慢慢地向上抬起，開始時升力增加，阻力也增加，但升力比阻力增力的快得多，感覺風箏明顯受到向上的升力作用；到某一個角度之后，升力突然下降，但阻力繼續(xù)增加，感覺風箏明顯受到向后的阻力作用，這時的功角大約是2O。當坐在帆船上時，可以看到風帆在開始有一面受風的阻力作用，并做彎曲運動，當帆船彎曲運動到一定角度時，另一面受風，繼續(xù)做彎曲運動。(2)升力和阻力產生機理。下面就來定性分析飛機機翼附近的流線及壓力變化情況。1)根據流體運動的質量守恒定律，有連續(xù)性方程：2)根據流體運動的伯努利方程，有式中P0——氣體總壓力；P——氣體靜壓力。上翼面突出，流場橫截面面積減小，空氣流速增大，u2磯，使得P2P，即壓力減小。在產生升力的同時也產生阻力，風速因此有所下降。風力機的風輪一般由2～3個葉片組成。設風的速度為矢量39。F在翼弦上的投影稱為阻力，記為F。此處，F(xiàn)hF。合力F可用式(1—3—3)表達，即式中r空氣密度；S——葉片面積；c——總的氣動力系數。當a=0。在之間，CL與a呈近似的線性關系，即隨著a的增加，升力FL逐漸加大，氣流仍為層流。a。當時，C。當時，cl=0，表明無升力。翼型剖面的阻力特性用阻力系數C，隨攻角a變化的曲線(阻力特性曲線)來描述，如圖1—3—37所示。在時，Cd達最小值CDmin(3)極曲線。．／F。通過極曲線(又稱艾菲爾曲線)來討論，如圖l一3～38所示。2)為了得到最佳升阻比，可從原點作極曲線的切線，由于此時的夾角θ最大，故切點處的升阻比最大，對應的攻角為最有利攻角。翼型的壓力中心為氣動合力的作用點，也即合力作用線與翼弦的交點。3．3．2風力機基本理論1．貝茲理論(1)貝茲理論中的假設。貝茲理論的建立，首先假定風輪是“理想風輪”，即： 1)風輪葉片全部接受風能(沒有輪轂)，葉片無限多，對空氣流沒有阻力。3)葉輪處在單元流管模型中，氣流速度的方向不論在葉片前或流經葉片后都是垂直葉片掃掠面的(或稱平行風輪軸線的)，如圖1—3—39所示。設風輪前方的風速為V1。、葉片掃掠面的風速面積S及掃掠后風速面積s2。應用氣流沖量原理，風輪所受的軸向推力：式中，為單位時間內通過風輪的氣流質量，ID為空氣密度，取決于溫度、氣壓、濕度，一般可取風輪吸收的功率(即風輪單位時間內吸收的風能)為(3)動能定理的應用。因此整理得在葉輪前后，單位時間內氣流動能的改變量為即穿越風輪的掃風面的風速等于風輪遠前方與遠后方風速和的一半(平均值)。下面引入軸向干擾因子進一步討論。討論a的范圍：當a=，v2=0,因此a＜又v＜v1，有1＞a＞0 ＞a＞0由于風輪吸收的功率為令解a=1和a=1/3，可得吸收功率最大時的入流因子。對實際使用的風力機來說，二葉片高性能風力機效率可達0Cp值越大，則風力機能夠從自然風中獲得的能量百分比也越大，風力機效率越高，即風力機對風能的利用率也越高。1)將葉片沿展向分成若干微段葉片元素，即葉素。3)假設作用在每個葉素上的力互不干擾。(2)葉素模型。2)葉素模型的翼型剖面：翼型剖面的弦長C，安裝角θ假設v為來流的風速，由于U的影響，氣流相對于槳葉的速度應是兩者的合成，記為W。在W的作用下，葉素受到一個氣動合力dR，可分解為平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。和旋轉切向力元dF。和升力系數C。將葉素上的力元沿展向積分，得作用在葉輪上的推力為：∫dR作用在葉輪上的扭矩：∫dT葉輪的輸出功率：∫dTwwT3．3．3風力機性能參數1．風能利用系數CP風能利用系數C，是指風力機的風輪能夠從自然風中獲得的能量與風輪掃掠面積內的未擾動氣流所含風能的百分比。風的能量只有部分可被風輪吸收成為機械能，因此風能利用系數定義為式中P——實際獲得的輸出功率，kw；r空氣密度，kg／m。；口——風速，m／S。2．葉尖速比葉尖速比，簡稱尖速比，風輪葉片葉尖的線速度與風速u之比用A表示，即得式中v葉——葉片尖端線速度，m／s；v——風速，m／s；n——風輪轉速，r／min；R——風輪轉動半徑，m。低速風輪，取小值；高速風輪，取大值。3．升阻比(失速)、風在葉片翼型上產生的升力F。之比稱為翼型的升阻比，用L／D來表示，即L/D=Fl/FD=Cl/CD式中Cl——升力系數；cd——阻力系數；Fl——升力，N或kN；，F(xiàn)d——阻力，N或kN。在攻角達臨界值之前，升力F。當攻角增加到某一臨界值a。4．實度SA風力機實度的定義是：風輪的葉片面積之和與風輪掃掠面積之比值，用SA表示。實度大小取決于尖速比