風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

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風(fēng)能曾是蒸汽機(jī)發(fā)明之前重要的動(dòng)力，數(shù)千年前就有了帆船用于交通運(yùn)輸，后來有了風(fēng)車用來磨面與抽水等。近年來，由于傳統(tǒng)能源逐漸枯竭、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，風(fēng)能作為清潔的新能源得到人們的重視。為方便風(fēng)力機(jī)技術(shù)知識(shí)的學(xué)習(xí)，下面介紹一些風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。

升力與阻力

風(fēng)就是流動(dòng)的空氣，一塊薄平板放在流動(dòng)的空氣中會(huì)受到氣流對(duì)它的作用力，我們把這個(gè)力分解為阻力與升力。們先分析一下平板與氣流方向垂直時(shí)的情況，此時(shí)平板受到的阻力大，升力為零。當(dāng)平板靜止時(shí)，阻力雖大但并未對(duì)平板做功；當(dāng)平板在阻力作用下運(yùn)動(dòng)，氣流才對(duì)平板做功；如果平板運(yùn)動(dòng)速度方向與氣流相同，氣流相對(duì)平板速度為零，則阻力為零，氣流也沒有對(duì)平板做功。一般說來受阻力運(yùn)動(dòng)的平板當(dāng)速度是氣流速度的20%至50%時(shí)能獲得較大的功率。

風(fēng)力發(fā)電用風(fēng)力機(jī)有阻力型與升力型兩種，水平軸風(fēng)力機(jī)基本都是升力型，垂直軸風(fēng)力機(jī)有多種阻力型結(jié)構(gòu)，也有是升力型結(jié)構(gòu)。

翼型

翼型本是來自航空動(dòng)力學(xué)的名詞，是機(jī)翼剖面的形狀，風(fēng)力機(jī)的葉片都是采用機(jī)翼或類似機(jī)翼的翼型，與翼型上表面和下表面距離相等的曲線稱為中弧線。

翼型通過以下參數(shù)來描述

（1）前緣、后緣

翼型中弧線的前點(diǎn)稱為翼型的前緣，后點(diǎn)稱為翼型的后緣。

（2）弦線、弦長

連接前緣與后緣的直線稱為弦線；其長度稱為弦長，用c表示。弦長是很重要的數(shù)據(jù)，翼型上的所有尺寸數(shù)據(jù)都是弦長的相對(duì)值。

（3）大彎度、大彎度位置

中弧線在y坐標(biāo)大值稱為大彎度，用f表示，簡稱彎度；大彎度點(diǎn)的x坐標(biāo)稱為大彎度位置，用xf表示。

（4）大厚度、大厚度位置

上下翼面在y坐標(biāo)上的大距離稱為翼型的大厚度，簡稱厚度，用t表示；大厚度點(diǎn)的x坐標(biāo)稱為大厚度位置，用xt表示。

（5）前緣半徑

翼型前緣為一圓弧，該圓弧半徑稱為前緣半徑，用r1表示。

6）后緣角

翼型后緣上下兩弧線切線的夾角稱為后緣角，用τ表示。

對(duì)稱翼型的彎度為0，上下表面對(duì)稱。

壓力中心

正常工作的翼片受到下方的氣流壓力與上方氣流的吸力，這些力可用一個(gè)合力來表示，該力與弦線（翼片前緣與后緣的連線）的交點(diǎn)即為翼片的壓力中心。

貝茲極限

風(fēng)能就是空氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，風(fēng)在通過風(fēng)輪時(shí)推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，把它的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的能量，但經(jīng)過風(fēng)輪做功后的風(fēng)速不會(huì)為零，僅僅是減小，故風(fēng)只能把一部分能量轉(zhuǎn)交給風(fēng)輪。那么風(fēng)能把多大的能量轉(zhuǎn)交給風(fēng)輪呢，從理論上講大值為59.3%，這也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)的大值，稱為貝茲極限。目前高性能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)約為40%。

相對(duì)風(fēng)速

風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)所感受到的風(fēng)速是外來風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)速度的合成速度，稱為相對(duì)風(fēng)速。下圖是一個(gè)風(fēng)力機(jī)的葉片截面，當(dāng)葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片感受到的相

對(duì)風(fēng)速為w→，它是葉片的線速度（矢量）u→與風(fēng)進(jìn)葉輪前的速度（矢量）v→的合成矢量w→=u→+v→

葉尖速比

風(fēng)輪葉片線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比。

下圖是一個(gè)風(fēng)力機(jī)的葉輪，u是旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪外徑切線速度，v是風(fēng)進(jìn)葉輪前的速度，葉尖速比λ

阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為3至8。

在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對(duì)風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。

實(shí)度比

風(fēng)力機(jī)葉片的總面積與風(fēng)通過風(fēng)輪的面積（風(fēng)輪掃掠面積）之比稱為實(shí)度比（容積比），是風(fēng)力機(jī)的一個(gè)參考數(shù)據(jù)。