水平轴风力机

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1、风力机空气动力学基础知识风力机空气动力学基础知识风能曾是蒸汽机发明之前最重要的动力，数千年前就有了帆船用于交通运输，后来有了风车用来磨面与抽水等。近年来，由于传统能源逐渐枯竭、对环境污染严重，风能作为清洁的新能源得到人们的重视。为方便风力机技术知识的学习，下面介绍一些风力机空气动力学的基础知识。 升力与阻力升力与阻力 风就是流动的空气，一块薄平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力，我们把这个力分解为阻力与升力。图中 F 是平板受到的作用力，D 为阻力，L 为升力。阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。 我们先分析一下平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，升力为零。当平板静止

2、时，阻力虽大但并未对平板做功；当平板在阻力作用下运动，气流才对平板做功；如果平板运动速度方向与气流相同，气流相对平板速度为零，则阻力为零，气流也没有对平板做功。一般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的 20%至 50%时能获得较大的功率。 当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零（阻力与升力都为零）。 当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会受到气流的压力，在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力 F，该力可分解为阻力 D 与升力 L。 当夹角较小时，平板受到的阻力 D 较小；此时平板受到的作用力主要是升力 L。 截面为流线型的飞机翼片阻力很小，即使与气流方向平行也

3、会有升力，因为翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。 当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为 8 至 15 度较好。超过 15 度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。 风力发电用风力机有阻力型与升力型两种，水平轴风力机基本都是升力型，垂直轴风力机有多种阻力型结构，也有是升力型结构。 翼型翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型

4、上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。下面是翼型的几何参数图 翼型通过以下参数来描述 （1 1）前缘、后缘）前缘、后缘 翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。 （2 2）弦线、弦长）弦线、弦长 连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用 c 表示。弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。 （3 3）最大弯度、最大弯度位置）最大弯度、最大弯度位置 中弧线在 y 坐标最大值称为最大弯度，用 f 表示，简称弯度；最大弯度点的 x 坐标称为最大弯度位置，用xf 表示。 （4 4）最大厚度、最大厚度位置）最大厚度、最大厚度位置 上下翼面在 y 坐标上的最大距离

5、称为翼型的最大厚度，简称厚度，用 t 表示；最大厚度点的 x 坐标称为最大厚度位置，用 xt 表示。 （5 5）前缘半径）前缘半径 翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用 r1 表示。 （6 6）后缘角）后缘角 翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用 表示。 对称翼型的弯度为 0，上下表面对称。 压力中心压力中心正常工作的翼片受到下方的气流压力与上方气流的吸力，这些力可用一个合力来表示，该力与弦线（翼片前缘与后缘的连线）的交点即为翼片的压力中心。对称翼型在不失速状态下运行时，压力中心在离叶片前缘 1/4 叶片弦长位置；运行在不失速状态下的非对称翼型，在较大攻角时压力中心在离叶片前缘

6、1/4 叶片弦长位置，在小攻角时压力中心会沿叶片弦长向后移。 贝兹极限贝兹极限风能就是空气运动的动能，风在通过风轮时推动风轮旋转，把它的动能转变为风轮旋转的能量，但经过风轮做功后的风速不会为零，仅仅是减小，故风只能把一部分能量转交给风轮。那么风能把多大的能量转交给风轮呢，从理论上讲最大值为 59.3%，这也是风力发电机组的风能利用系数的最大值，称为贝兹极限。目前高性能的风力发电机组风能利用系数约为 40%。 相对风速相对风速风力机叶片运动时所感受到的风速是外来风速与叶片运动速度的合成速度，称为相对风速。下图是一个风力机的叶片截面，当叶片运动时，叶片感受到的相对风速为 w，它是叶片的线速度（矢量

7、）u与风进叶轮前的速度（矢量）v的合成矢量 w=u+v 相对风速与叶片弦线之间的夹角就是叶片的攻角 叶尖速比叶尖速比风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比。 下图是一个风力机的叶轮，u 是旋转的风力机风轮外径切线速度，v 是风进叶轮前的速度，叶尖速比 =u/v阻力型风力机叶尖速比一般为 0.3 至 0.6，升力型风力机叶尖速比一般为 3 至 8。 在升力型风力机中，叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角，是分析风力机性能的重要参数。 实度比实度比风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。 左图为水平轴

8、风力机叶轮，S 为每个叶片对风的投影面积，B 为叶片个数，R 为风轮半径， 为实度比，=BS/R2右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C 为叶片弦长，B 为叶片个数，R 为风轮半径， 为实度比， =BC/2R多叶片的风力机有高实度比，适合低风速、低转速的风力机，其效率较低。风力发电机多采用少叶片与窄叶片的低实度比风力机，可以较高效率高转速运行。 风力与风的测量风力与风的测量风的形成与等级风的形成与等级在地球的外表面包围着一层空气，由于地球引力的作用靠地面的空气密度大压力大、离地面远些的空气密度小压力小。太阳照热地面使地面的空气密度减小上升、又由于各地表面对太阳的吸收与反射不同、地球不同纬度的温度不同

9、造成各地空气密度不同、地球自转使地面温度昼夜交替变化等等都促成空气的不停流动，同时由于地球的自转也造成空气的流动，这就是风的形成原因。风的大小划分为不同等级，国际上通用的风力等级表是英国人蒲福拟定的蒲氏风力分级表，把风力分为13个等级（012级） 。1946年以后，又在原表基础上，作了扩充，增加到18个等级（017级） ，见下表。风力的测量风力的测量风力不仅有大小还有方向，可通过仪器来测量风力的大小与方向。根据测量原理主要有以下几类：机械式、超声波式、声振荡、压力式与热线式等，在一般场合用得较多的是机械式与超声波式，特别是在风力发电中使用广泛。在风力发电中也称这些仪器为风速与风向传感器。机械式

10、测风仪机械式测风仪最简单又常见的风速测量是三杯式风速仪，三个风杯由于阻力差而旋转，风力大则转速高，仪器内的转速传感器把风杯转速变为电信号输出。下图就为三杯式风速仪外形图最简单又常见的风向测量是风向标，其原理不言而喻。其指向的角度由仪器内的角度传感器转变为电信号输出。下图就为风向标外形图下图是是一种同时可测量风速与风向的仪器，仪器前方有测量转速的浆叶，浆叶随风速加大而增高，仪器后方有随风而摆的翼片，仪器内有转速传感器与角度传感器分别把风速与风向转换为电信号输出。下图就是该种仪器的外形图机械式测风仪结构简单、价格低廉；缺点是有旋转件，存在磨损损耗，易被风沙磨损，冰冻雨雪会影响运行，需定期维护。超声

11、波式风速风向仪超声波式风速风向仪 超声波风速风向仪有多种测量计算方法，其中传播时差法简单也用得较多。时差法通过超声波在空气中的传播速度来测量风速，顺风传播速度快，逆风传播速度慢，风速为零时双向速度一样。下面图就是一个超声波风速风向仪，在上方有四个超声波探头，每个探头即可发送超声波也能接受超声波，相对的两个探头是一组。每一组探头可测出相对方向的风速，两组探头联合则可测出具体的风速与风向。超声波式风速风向仪最大优点是无机械摩损，缺点是尺寸大些，雨、雪、霜、雾、沙尘会影响测量，使输出误差加大。采用探头加热技术，可防止冰雪对传感器造成的影响，以适合在恶劣天气条件下使用。水平轴风力机组成与形式水平轴风力

12、机组成与形式水平轴风力机的组成水平轴风力机的组成水平轴风力机的风轮旋转轴是水平方向的，这是为了区别于垂直轴风力机，水平轴风力机主要由叶片、轮毂、机舱、塔架构成。常见的风力机有由三个叶片，叶片安装在轮毂上构成风轮，风吹风轮旋转带动机舱内的发电机发电，塔架是整个风力机的支撑。什么是升力式风力机什么是升力式风力机在“风力机基础知识”已介绍过升力与阻力知识，水平轴风力机则是利用升力推动风机旋转做功的，是升力式风力机。下图中表示的是一个叶片的截面的受力图，叶片弦线与风轮旋转平面的夹角为 ，风是向上吹,风速为 v；叶片向左方运动，线速度为 u；叶片实际受到的是相对风速 w。风速 w 与叶片弦线的夹角为 （

13、攻角） ，在风 w 的作用下,叶片受到升力 Fl 与阻力 Fd， Fl 与 Fd 的合力为 F1，F1在风轮旋转平面上的投影为 F，F 就是推动风轮旋转的力。关于叶片的升力与阻力的更多知识在“叶片的气动特性”一节中有介绍。风力机的对风形式风力机的对风形式风轮要正面对着来风方向才能最好的接受风能，风轮在塔架前方的称为迎风式风力机，风轮在塔架背风方向的称为顺风式风力机，见下图。使风力机自动朝向风向称为对风（偏航）功能。小型风力机普遍采用尾舵来对风，风把尾舵吹向风力机后方使风轮面向风，上图中的迎风式风力机就是带尾舵的风力机。顺风式风力机勿需任何装置即可自动对风，称之为自由偏航。大中型风力机采用专门的

14、偏航装置对风，在后面的章节有相关介绍。风力机的叶片数目风力机的叶片数目风轮除了三叶的还有双叶的，甚至单叶片的。在许多农用风力机中采用多叶片结构的风轮。机舱主要组成机舱主要组成在风力机的机舱里主要有发电机、齿轮箱、偏航装置、风向标、控制柜等，发电机是风力机产生电能的设备，由于发电机转速高，风轮转速低，风轮需通过齿轮箱增加转速后才能使发电机以正常转速工作；控制柜控制风力机的对风、风轮转速等；风向标测量风向发出信号给控制柜；偏航装置按控制柜的信号推动风力机对风。叶片的气动特性与结构叶片的气动特性与结构叶片的升力与失速叶片的升力与失速在风力机基础知识一节中介绍过叶片的升力与阻力，本节就水平轴风力机叶片

15、作进一步介绍。下图是一个运行中的叶片截面气流图，我们称这个截面为翼型，翼型弦线与气流方向的夹角（攻角）为，正常运行时气流附着翼型表面流过，靠近翼型上方的气流速度比下面的气流速度快，根据流体力学的伯努利原理，翼型受到一个上升的力 Fl，当然翼型也会受到气流的阻力 Fd。 这是正常的工作状态，有较大的升力且阻力很小。但翼型并不是在任何情况下都能产生大的升力。如果攻角 大到一定程度，气体将不再附着翼型表面流过，在翼型上方气流会发生分离，翼型前缘后方会产生涡流，导致阻力急剧上升升力下降，这种情况称为失速。见下图翼型什么时候开始失速，下图是一种翼型的升力系数与阻力系数随攻角的变化曲线，这是工作在理想状态

16、下的曲线，与多数薄翼型较接近，图中绿色的是升力曲线、棕色的是阻力曲线。在曲线中可看出，攻角 在15度以下时升力随 增大而增大，当攻角 大于15度时开始失速，升力骤然下降，阻力大幅上升，在 等于45度时升力与阻力基本相等。叶片的结构叶片的结构在下图中的翼型弦线与翼型前进方向有一固定的夹角 称为浆距角，相对翼型的风速是外来风速 v与翼型线速度 u 合成的相对风速 w，相对风速 w 与翼型弦线间的夹角 是翼型的攻角。要尽量让翼型工作在失速前的攻角以获得最大的升力与较小的阻力。对于一定的风速 v 与一定的线速度 u 选择合适的翼型浆距角 以获得最合适的攻角 。实际的叶片是绕轴旋转运动的，沿叶片长度方向不同截面的线速度 u 是不同的，叶尖处最快、靠叶根处最慢。对于同样的风速 v，在叶尖处相对风速与风轮平面夹角最小、在叶根处相对风速与风轮平面夹角最大，为了使叶片各段都能工作在较好的攻角，叶片必须做成扭转的。下图是一个风力机叶片，叶片上绘有各段的截面（浅绿色） ，每个截面两端有该截面弦线的延长线