第三章水平軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

1、第3章 水平軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)水平軸式風(fēng)力機(jī)無(wú)論過(guò)去還是現(xiàn)在都是最流行、采用最廣泛的。從古代傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)車(chē)到現(xiàn)在功率已達(dá)兆瓦級(jí)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其發(fā)展歷史和應(yīng)用規(guī)模充分說(shuō)明了它在風(fēng)力機(jī)領(lǐng)域的地位。1759年，英國(guó)人John Smeaton在著名的荷蘭風(fēng)力磨(見(jiàn)圖3-1)上已把水平軸風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)提高到了。而在空氣動(dòng)力學(xué)、新型材料、加工制造技術(shù)等近代科技成果的支持下，現(xiàn)在水平軸風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)已達(dá)到0.5左右。為了制造出效率高、運(yùn)行可靠的風(fēng)力機(jī)，在它投入制造前，必須設(shè)計(jì)解決以下兩個(gè)問(wèn)題。首先是確定風(fēng)輪的基本幾何尺寸與特性參數(shù)，如葉片數(shù)、風(fēng)輪直徑、葉尖速比等；確定葉片的空氣動(dòng)力參數(shù)，如翼型、

2、各葉素弦長(zhǎng)，各葉素安裝角、葉片外形等。 其次要確定葉片和風(fēng)力機(jī)所受的力，以便按照強(qiáng)度、剛度要求設(shè)計(jì)葉片結(jié)構(gòu)和葉輪，使葉片和風(fēng)力機(jī)具有可靠的安全性能以承受它所處環(huán)境的惡劣運(yùn)行條件。圖3-1荷蘭風(fēng)力磨3.1 葉片數(shù)和風(fēng)輪直徑的確定 風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的基本幾何尺寸與特性參數(shù)取決于它的使用目的和當(dāng)?shù)氐哪昶骄L(fēng)能密度。 如果要在風(fēng)能豐富的地方建一臺(tái)風(fēng)力機(jī)用于發(fā)電，因要連接一個(gè)高轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)，為避免齒輪箱過(guò)高的增速比，就需要風(fēng)輪有盡可能高的工作轉(zhuǎn)速，所以應(yīng)選擇具有高葉尖速比值的風(fēng)輪。這時(shí)它也具有較高的功率系數(shù)，高速風(fēng)輪的。 將風(fēng)力機(jī)用于鄉(xiāng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)的提水、制熱，而當(dāng)?shù)啬昃L(fēng)速又不高，則用葉尖速比的低速、多葉片

3、風(fēng)力機(jī)就比較合適。 低速風(fēng)力機(jī)雖然功率系數(shù)低，但它可獲得很大的轉(zhuǎn)矩輸出，在較低風(fēng)速下也能為負(fù)載(泵)提供較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。3.1.1 葉片數(shù)的確定 依使用目的、當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能狀況決定水平軸風(fēng)力機(jī)是采用高速還是低速風(fēng)輪之后，葉片數(shù) 圖3-2具有代表性的風(fēng)力機(jī)的性能函數(shù)也就相應(yīng)地被限定了。圖3-2給出不同形式風(fēng)輪的功率系數(shù)與葉尖速比間的關(guān)系。 對(duì)的大型高速風(fēng)力機(jī)而言，選擇的葉片數(shù)究竟是1個(gè)、2個(gè)還是3個(gè)，需要考慮以下四個(gè)原則。 要提高風(fēng)輪轉(zhuǎn)速就要減少葉片數(shù)，這樣可使齒輪箱變速比減小，并可降低齒輪箱的費(fèi)用。 要減少風(fēng)輪成本就要減少葉片數(shù)。 葉片葉素的弦長(zhǎng)與葉片數(shù)成反比。應(yīng)綜合把握這兩個(gè)參數(shù)的尺度，合理選擇

4、。 風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的動(dòng)力平衡、振動(dòng)控制問(wèn)題的難易程度，風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲的大小。 3個(gè)葉片的風(fēng)輪，葉片數(shù)不多，轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡比較簡(jiǎn)單。且三葉片的質(zhì)量對(duì)風(fēng)輪-塔架軸線形成勻稱分布，該質(zhì)量分布也與葉片在葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)所處的角度無(wú)關(guān)。這不易造成對(duì)風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的干擾。 從結(jié)構(gòu)成本角度看，12個(gè)葉片比較合適。但兩葉片風(fēng)輪其葉片對(duì)風(fēng)輪-塔架軸線的質(zhì)量矩在葉輪整個(gè)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中是變化的，這種變化與葉片所處位置有關(guān)。當(dāng)葉片在垂直位置時(shí)，它對(duì)風(fēng)輪-塔架軸線的質(zhì)量矩很??；當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，質(zhì)量矩相對(duì)塔架平行且很大，風(fēng)輪會(huì)產(chǎn)生干擾力。與三葉片風(fēng)輪比，它容易產(chǎn)生對(duì)正常風(fēng)向的偏離(偏航)和搖擺運(yùn)動(dòng)，并且當(dāng)出現(xiàn)葉輪上下的氣動(dòng)力不平衡、風(fēng)的

5、脈動(dòng)等其他干擾時(shí)，會(huì)對(duì)塔架產(chǎn)生很不好的影響，這些問(wèn)題都必須考慮，以避免結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)然兩葉片風(fēng)輪也有它的優(yōu)點(diǎn)，如葉片實(shí)度小、轉(zhuǎn)速高。假如三葉片風(fēng)輪也要達(dá)到這樣高的轉(zhuǎn)速，每個(gè)葉片就要做得很窄(即葉素弦長(zhǎng)小)，這在結(jié)構(gòu)上可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。雖然單葉片風(fēng)輪(見(jiàn)圖3-3)的轉(zhuǎn)速可進(jìn)一步提高，但其動(dòng)態(tài)不平衡等問(wèn)題會(huì)更為突出，使風(fēng)輪機(jī)艙、塔架產(chǎn)生振動(dòng)等問(wèn)題，使風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生更強(qiáng)的擺動(dòng)和偏航運(yùn)動(dòng)。因此單葉片風(fēng)輪又必須在轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡、振動(dòng)控制方面增加一筆額外費(fèi)用。并且，由于葉片上的氣流相對(duì)速度很高，將產(chǎn)生較強(qiáng)的噪聲。圖3-3德國(guó)MBB公司的380kW、直徑48m的單葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)3.1.2 風(fēng)輪直徑的確定在設(shè)計(jì)最大輸出

6、功率和風(fēng)力機(jī)前風(fēng)速給定的條件下，選定葉尖速比，并預(yù)估出風(fēng)力機(jī)在該葉尖速比下的功率系數(shù)值，則風(fēng)輪的直徑可按下式求出：(3-1)式中，空氣密度的單位為。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速為(3-2)要完成水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，還需要研究選擇葉片翼型，計(jì)算出相對(duì)于風(fēng)輪軸線不同距離處葉片葉素的弦長(zhǎng)和安裝角。3.2 葉片翼型的選擇 圖3-4給出一些常用葉片翼型的升阻比與雷諾數(shù)的變化關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，隨著雷諾數(shù)的增加，葉型升阻比增加，當(dāng)雷諾數(shù)超過(guò)該翼型的臨界雷諾數(shù)時(shí)，其升阻比一般也不再變化。若風(fēng)輪轉(zhuǎn)速高，應(yīng)選擇薄而彎曲度小的高速翼型(見(jiàn)圖3-5)，它具有較小的阻力，也就能保證大型風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。多葉片的低速風(fēng)力機(jī)，由于葉片

7、上氣流的雷諾數(shù)低，一般不需特殊葉型設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3-6)。圖3-4不同翼型升阻比與雷諾數(shù)的關(guān)系圖3-5高速風(fēng)輪葉片的翼型圖3-6低速風(fēng)輪葉片的翼型 常用翼型的型線值及其升阻比特性參見(jiàn)文獻(xiàn)15。 為了得到很高的功率系數(shù)，還可以通過(guò)翼型的氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出具有更好性能的新翼型。3.3 葉素弦長(zhǎng)和安裝角葉素弦長(zhǎng)是很重要的，它決定了風(fēng)輪前后的速度比是否達(dá)到最佳，即是否；安裝角為葉素傾角和沖角之差，它通過(guò)沖角對(duì)葉片的升阻力產(chǎn)生很大影響。為求解葉片各葉素的弦長(zhǎng)和安裝角，至今已建立了不少理論。其中常用的簡(jiǎn)化葉素動(dòng)量理論在處理問(wèn)題時(shí)，忽略了有限長(zhǎng)葉片的葉尖、輪轂處產(chǎn)生的旋渦；而分別由薩比寧(Sabin

8、in)、葛勞渥(Glauert)等人發(fā)展的理論，則都引入了一個(gè)渦流系的概念。這里將介紹簡(jiǎn)化理論和葛勞渥渦流理論。3.3.1 簡(jiǎn)化葉素動(dòng)量理論 已知葉輪旋轉(zhuǎn)角速度為，葉片半徑方向處葉素的圓周速度，通過(guò)風(fēng)輪時(shí)氣流的絕對(duì)速度、該葉素的圓周速度及相對(duì)于翼型的氣流速度之間的關(guān)系為 (見(jiàn)圖3-7)。圖3-7 葉素的速度三角形與受力分析3.3.1.1 最佳葉素弦長(zhǎng)與安裝角設(shè)風(fēng)輪的葉片數(shù)為由第2章的分析結(jié)果得知，風(fēng)輪截面上獲得的推力、切向力為(3-3a)(3-3b)而通過(guò)風(fēng)輪上該圓環(huán)截面的氣體體積流量為(3-4) 這些氣體的速度從風(fēng)輪前的到風(fēng)輪后的，所產(chǎn)生的動(dòng)量減少量等于這些氣體受到的風(fēng)輪作用力，從而有 (3

9、-5)當(dāng)葉素弦長(zhǎng)的取值為最佳時(shí)，可使風(fēng)輪后的速度達(dá)到貝茲理論指出的要求，即，由于，并且，所以有(3-6)最佳葉素弦長(zhǎng)而，最終有(3-7)為了和薩比寧等人提出的方法作比較，式(3-7)改寫(xiě)為(3-8) 當(dāng)選用升阻比大的翼型，并且一般設(shè)計(jì)沖角也接近于最佳值，因而，此時(shí)式(3-8)可簡(jiǎn)化為(3-9) 以下將說(shuō)明葉素安裝角是如何被確定的。 首先，以追求葉素的理論空氣動(dòng)力效率最大為目的，求出葉素的最佳沖角。由第2章得知葉素的空氣動(dòng)力效率：式中，為翼型的升阻比。其值越大，葉素的理論空氣動(dòng)力效率越高。所以最佳沖角就是翼型的升阻力系數(shù)關(guān)系極曲線上過(guò)原點(diǎn)的切線在點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的沖角 (見(jiàn)圖3-8)。由于，所以葉素的安

10、裝角為(3-10)3.3.1.2 實(shí)際葉素弦長(zhǎng)與安裝角的確定為了獲得盡可能高的葉片效率，當(dāng)然希望葉片各個(gè)葉素的弦長(zhǎng)與安裝角都按上述方法取它們各自的最佳值，這樣就得到如圖3-9(a)所示的最佳葉片形狀。在輪轂附近時(shí)，該處葉素具有相當(dāng)大的弦長(zhǎng)值，但從制造角度考慮，這種形狀的葉片在工程實(shí)際上很少采用。實(shí)施中只在葉尖附近選取最佳的葉素弦長(zhǎng)與沖角。因?yàn)樵谌~尖附近，單位長(zhǎng)度葉片的掃掠面積大，位于此處的葉素對(duì)風(fēng)力機(jī)的功率產(chǎn)出起著重要作用。圖3-8翼型的升阻力系數(shù)關(guān)系圖3-10給出不同葉片斷面上葉素安裝角的變化情形。圖3-9最佳葉片形狀與其他兩種葉型圖3-10不同葉片斷面上葉素安裝角的變化 對(duì)葉片的最佳葉素弦

11、長(zhǎng)分布用不同的近似值替代，計(jì)算分析各近似方案對(duì)風(fēng)力機(jī)功率輸出的影響。結(jié)果表明，作為最好的近似值，也就是作為能量損失較少的葉型，應(yīng)采用梯形葉片。圖3-11給出最佳形狀葉片在葉尖安裝角。時(shí)功率系數(shù)隨葉尖速比的變化，以及梯形、矩形葉片在各自葉尖安裝角下的曲線。可以看出，梯形葉片的性能接近于最佳葉片性能。圖3-11 最佳形狀葉片與其他兩種葉型的性能比較 葉素翼型具有最佳沖角(值最大)時(shí)，大多在0.81.0范圍內(nèi)。在葉尖附近()選取最佳的沖角；沿著向輪轂方向下延，則取沖角的值逐漸增大。由式(3-7)可知，這樣可使輪轂附近的弦長(zhǎng)縮短。當(dāng)然仍應(yīng)保持該處沖角對(duì)應(yīng)于、關(guān)系的極曲線上升部分，即所對(duì)應(yīng)的值小于0.1

12、。這樣既達(dá)到了減小輪轂附近葉片弦長(zhǎng)的目的，而且效率下降也不多。 實(shí)踐中對(duì)于常用翼型，距風(fēng)輪軸處的最大迎角選取為10º12º，對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)為1.21.3。3.3.1.3 葉片數(shù)對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能的影響 葉片數(shù)對(duì)通過(guò)風(fēng)輪葉片的氣流帶寬有影響。風(fēng)輪葉片數(shù)少，氣流通過(guò)量增加。如圖3-12所示，葉片間距離為，相鄰葉片氣流的間隔為。氣流帶寬受與角度的影響。當(dāng)葉尖速比變化(引起角度變化)或葉片數(shù)變化時(shí)，間隔隨之變化，葉尖氣流將會(huì)受到影響。葉尖氣流的影響體現(xiàn)為：有限葉片數(shù)時(shí)，葉片葉尖處的壓力面(凹面)與吸力面(凸面)之間壓力差減小，從而，使葉尖葉素的功率系數(shù)值下降。圖3-13說(shuō)明了葉尖氣流變

13、化對(duì)值的影響，圖中右下方的四條曲線對(duì)應(yīng)的是。圖3-12葉片對(duì)氣流帶寬的影響圖3-13沿風(fēng)輪半徑值的變化 此外，由于葉尖、輪轂處葉素后緣旋渦的存在，隨著葉片數(shù)的減少，旋渦引起的能量損失增加，也是一個(gè)影響風(fēng)輪性能的因素。3.3.2 葛勞渥旋渦理論 旋渦理論考慮了葉尖、輪轂處葉素后緣旋渦的存在，以通過(guò)風(fēng)輪的氣流產(chǎn)生軸向誘導(dǎo)風(fēng)速與誘導(dǎo)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，在風(fēng)輪設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了旋渦系的影響。3.3.2.1 風(fēng)輪的旋渦系 由于葉片的長(zhǎng)度是有限的，在風(fēng)輪每個(gè)葉片的后緣氣流中存在旋渦，它由靠近輪轂和葉尖處的兩個(gè)旋渦組成。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)葉尖后的氣流呈螺旋狀，并且各后緣旋渦自身也呈螺旋形。與葉尖后緣的氣流一樣，葉片輪轂處后

14、緣的螺旋狀氣流也將自己的影響施加于其他葉片輪轂處的后緣。 風(fēng)輪的旋渦系如圖3-14所示。在風(fēng)輪葉片后緣處空間任一點(diǎn)的風(fēng)速，可以看作是未受干擾的氣流速度和旋渦系誘導(dǎo)速度的合成。 旋渦系誘導(dǎo)速度本身又可以看作是以下三個(gè)獨(dú)立旋渦所誘導(dǎo)速度的合成。圖3-14風(fēng)輪的旋渦系以風(fēng)輪軸線為中心的旋渦，其環(huán)量 (為附著在各葉片上旋渦的環(huán)量，為葉片數(shù))；附著在各葉片上的旋渦；從各葉片葉尖流出的螺旋狀旋渦。3.3.2.2 旋渦系誘導(dǎo)速度的確定從流體力學(xué)可知，旋渦的形狀與直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)相同，并且旋渦的誘導(dǎo)速度可由畢奧一薩伐爾(Biot-Savart)定律和安培(Ampare)原理求得。設(shè)是風(fēng)輪后方旋渦系產(chǎn)生的軸向誘

15、導(dǎo)速度，其方向與來(lái)流速度相反。在葉輪旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的軸向誘導(dǎo)速度為，最終使通過(guò)風(fēng)輪時(shí)氣流絕對(duì)速度、風(fēng)輪后方的速度分別為所以 這與從貝茲理論所得到的與、間的關(guān)系相符。在風(fēng)輪后方的氣流中，流體相對(duì)于葉片的旋轉(zhuǎn)角速度為。設(shè)，則。在這些條件下，通過(guò)風(fēng)輪時(shí)氣流相對(duì)于葉片的旋轉(zhuǎn)角速度可表達(dá)為(3-11)葉素處，氣流的切向速度為(3-12)設(shè)，通過(guò)風(fēng)輪的軸向速度可以表達(dá)為(3-13)該葉素內(nèi)氣流的相對(duì)速度和傾角為(3-14)(3-15)式中，。3.3.2.3 軸向推力和轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式葉片葉素所受的力如圖3-15所示。其軸向分力、切向分力為(3-16a)(3-17a)圖3-15作用于葉素上的力和氣流的速度三角形設(shè)，上

16、述表達(dá)式可以寫(xiě)為(3-16b)(3-17b)葉片數(shù)為的風(fēng)輪，在區(qū)間葉素上產(chǎn)生軸向推力：(3-18)在該區(qū)間個(gè)葉素上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為(3-19)下面將分析風(fēng)輪對(duì)流過(guò)它的區(qū)間空氣所給予的作用力。軸向流過(guò)環(huán)形單元的空氣在該方向的動(dòng)量變化等于它所受到的推力：為通過(guò)風(fēng)輪上該圓環(huán)截面的氣體體積流量，由于得(3-20)再考慮流動(dòng)空氣角動(dòng)量矩的變化，可得該部氣流的轉(zhuǎn)矩：式中，為通過(guò)風(fēng)輪的氣流角速度變化量，從而得到(3-21)由于，因而得到(3-22)同樣因，可得(3-23)可以證明，式(3-22)和式(3-23)的等號(hào)右端相等。式(3-22)、式(3-23)可分別變形為(3-24)(3-25)由以上兩式，又可得(

17、3-26)3.3.2.4 風(fēng)輪環(huán)形部位可得到的風(fēng)能功率及理想風(fēng)輪時(shí)功率系數(shù)的最大值空氣流過(guò)風(fēng)輪環(huán)形區(qū)間時(shí)，它能給予風(fēng)輪該處的功率為(3-27)對(duì)無(wú)阻力、無(wú)葉片數(shù)的影響、無(wú)空氣摩擦的理想風(fēng)輪，該部位的功率系數(shù)為(3-28)對(duì)于這一不存在阻力(，)并且可全部接受流動(dòng)空氣因其動(dòng)量改變而給予它能量的理想風(fēng)輪，其環(huán)形部位功率系數(shù)達(dá)到式(3-28)給出的最大值時(shí)，若能求出它的值和、等參數(shù)間存在的關(guān)系，就可以據(jù)此進(jìn)行各葉素氣動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)。下面將說(shuō)明隨而變的各最佳參數(shù)的求解過(guò)程。此時(shí)，利用式(3-15)的關(guān)系，式(3-26)變化為(3-29)從而有(3-30)(3-31)將式(3-31)代入功率系數(shù)公式(3-2

18、8)，則(3-32)，對(duì)于給定的值，取得極大值的條件是。由此可得滿足該條件時(shí)存在的關(guān)系：(3-33a)該方程式又可以表達(dá)為(3-33b)設(shè)，并將其代入式(3-33b)，再除以，則有(3-34)由于，則，即，從而得到(3-35)如此以來(lái)，對(duì)于不存在阻力、可全部接受流動(dòng)空氣給予它能量的理想風(fēng)輪(意味著不受葉片數(shù)的影響，即)，對(duì)應(yīng)于每個(gè)值，都可以確定、，并可得到間接反映通過(guò)風(fēng)輪的氣流角速度變化量的值及功率系數(shù)的最大值等。3.3.2.5 最佳傾角和參量的最佳值利用前述理想風(fēng)輪的結(jié)果，即對(duì)應(yīng)于每個(gè)值，都可以確定相應(yīng)的、，從而可分別依據(jù)下面的式(3-36)、式(3-37)確定最佳傾角和參量的最佳值，以此進(jìn)

19、行風(fēng)輪的設(shè)計(jì)。(3-36)(3-37)當(dāng)選定翼型且確定了葉片數(shù)并確定各葉素翼型的沖角后，也就由此決定了葉片任何半徑處的葉素弦長(zhǎng)和安裝角。 為了便于將上述結(jié)果應(yīng)用于風(fēng)輪設(shè)計(jì)，表3-1列出了之間取不同的值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的參數(shù)、和的值。一旦確定了風(fēng)輪設(shè)計(jì)工況下的葉尖速比，則葉片任意葉素的參數(shù)，就可以求得該葉素的其他參數(shù)值。例如，某截面的速比，利用表3-1就能查出對(duì)應(yīng)該值的，；若確定了翼型和沖角，則升力系數(shù)、安裝角 ()也就可以被確定；在葉片數(shù)已選定的基礎(chǔ)上，葉片該半徑處葉素翼型的弦長(zhǎng)也就可以被求出了。至此，問(wèn)題就只剩下如何選擇沖角了。3.3.2.6 存在阻力的非理想風(fēng)輪環(huán)狀區(qū)可達(dá)到的功率系數(shù)、最佳沖角不

20、忽略阻力的非理想風(fēng)輪環(huán)狀區(qū)可達(dá)到的功率系數(shù)為(3-38a)代人的解式(3-22)或式(3-23)，并且注意到最終得到(3-38b) 當(dāng)葉片翼型無(wú)阻力，即時(shí)，式(3-38b)就成為理想風(fēng)輪在部位的功率系數(shù)變形為式(3-28)。從表3-1看出，理想風(fēng)輪部位的功率系數(shù)隨的增加而提高，在之后達(dá)到0.591，這非常接近貝茲理論的極限功率系數(shù)0.593。表3-1 隨以變化的設(shè)計(jì)最佳運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)0.1000.2000.3000.4000.5000.6000.7000.8000.9001.0001.1001.2001.3001.4001.5001.600l.7001.8001.9000.4730.4510.432

21、0.4160.4030.3930.3840.3770.3710.3660.3620.3590.3560.3530.3510.3490.3480.3460.3458.8664.5743.1682.4832.0861.8301.6551.5301.4371.3661.3111.2671.2321.2031.1791.1591.1421.1281.1150.1160.2070.2790.3360.3810.4160.4440.4670.4850.5000.5120.5220.5310.5380.5440.5490.5530.5570.56011.1499.8198.6007.5066.5415.70

22、04.9754.3533.8213.3672.9802.6482.3632.1181.9061.7231.5631.4231.30056.19352.46048.86745.46642.29039.35836.67234.22732.00930.00028.18326.53725.04623.69222.46021.33720.31019.37018.5062.0002.1002.2002.3002.4002.5002.6002.7002.8002.9003.0003.1003.2003.3003.4003.5003.6003.7003.8003.9004.0004.1004.2004.300

23、4.4004.5004.6004.7004.8004.9005.0005.1005.2005.3005.4005.5005.6005.7005.8005.9006.0006.1006.2006.3006.4006.5006.6006.7000.3440.3430.3430.3420.3410.3410.3400.3400.3390.3390.3390.3380.3380.3380.3370.3370.3370.3370.3370.3360.3360.3360.3360.3360.3360.3360.3360.3360.3350.3350.3350.3350.3350.3350.3350.335

24、0.3350.3350.3350.3350.3350.3350.3350.3350.3350.3340.3340.3341.1051.0951.0871.0801.7041.0681.0631.0591.0551.0511.0481.0451.0421.0401.0381. 0361.0341.0321.0301.0291.0271.0261.0251.0241.0231.022l. 0211.0201.0191.0181.0181.0171.0161.0161.0151.0151.0141.0141.0131.0131.0121.0121.0111.0111.0111.0101.0101.0

25、100.5630.5650.5680.5700.5710.5730.5740.5760.5770.5780.5790.5800.5800.5810.5820.5820.5830.5830.5840.5840.5850.5850.5850.5860.5860.5860.5860.5870.5870.5870.5870.5880.5880.5880.5880.5880.5880.5890.5890.5890.5890.5890.5890.5890.5890.5890.5900.5901.191l.0951.0100.9340.8650.8040.7490.6990.6540.6130.5860.5

26、420.5110.4820.4560.4310.4090.3880.3690.3510.3340.3190.3050.2910.2780.2670.2550.2500.2350.2260.2170.2120.2010.1940.1870.1800.1740.1680.1630.1570.1520.1470.1430.1380.1340.1300.1260.12217.71016.97616.29615.66615.08014.53414.02513.54913.10312.68412.29011.91911.56911.23910.92610.63010.34910.0839.8299.588

27、9.3589.1388.9288.7288.5368.3538.1778.0087.8437.6907.5407.3967.2577.1236.9946.8706.7506.6346.5226.4136.3086.2076.1086.0135.9205.8315.7445.6596.8006.9007.0007.1007.2007.3007.4007.5007.6007.7007.8007.9008.0008.1008.2008.3008.4008.5008.6008.7008.8008.9009.0009.1009.2009.3009.4009.5009.6009.7009.8009.900

28、10.0000.3340.3340.3340.3340.3340. 3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3340.3341.0101.0091.0091.0091.0091.0081.0081.0081.0081. 0071.007l.0071.0071.0071.0071.0061.0061.0061.0061.0061.0061.006l.0051.0051.0051.

29、0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0040.5900.5900.5900.5900.5900.5900.5900.5900.5900.5900.5900.5900.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.5910.1190.1160.1120.1090.1060.1030.1010.0980.0960.0930.0910.0880.0860.0840.0820.0800.0780.0770.0750.

30、0730.0710.0700.0680.0670.0650.0640.0630.0610.0600.0590.0580.0570.0555.5775.4985.4205.3455.2715.2005.1315.0634.9974.9334.8714.8104.7504.6924.6354.5804.5264.4734.4224.3714.3224.2744.2274.18l4.1364.0924.0484.0063.9653.9243.8843.8453.807在葉片有阻力的實(shí)際情況下，對(duì)應(yīng)于不同的值，風(fēng)輪局部功率系數(shù)所能達(dá)到的最大值 (此時(shí))隨的變化如圖3-16所示。在確定的值下，對(duì)應(yīng)地有一

31、個(gè)，使該處最大；圖3-16還表明，葉尖速比高的風(fēng)輪，其葉片表面粗糙度必須非常低(值大)，才能保證風(fēng)輪有較高功率系數(shù)。最佳沖角依然要保證翼型的升阻力系數(shù)最大，即最小?？紤]旋渦情形下，有關(guān)葉片實(shí)際弦長(zhǎng)和安裝角的確定以及葉片數(shù)對(duì)風(fēng)輪功率系數(shù)的影響，可參閱3.3.1.2、3.3.1.3節(jié)所述。圖3-16無(wú)限多葉片有阻力風(fēng)輪的局部功率系數(shù)3.3.3 水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)舉例風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)，往往需要多次反復(fù)的計(jì)算、調(diào)整才能完成。首先根據(jù)其用途與當(dāng)?shù)仫L(fēng)況，選定風(fēng)力機(jī)的類(lèi)型；然后以預(yù)估的風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)，計(jì)算出葉輪的直徑，確定葉片及其翼型的幾何、氣動(dòng)參數(shù)；計(jì)算、預(yù)測(cè)出風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)最佳運(yùn)行條件和非最佳運(yùn)行條件下的轉(zhuǎn)矩

32、系數(shù)、功率系數(shù)等特性；將初步結(jié)果與設(shè)計(jì)前提、期望目標(biāo)、模型機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)等相比較；如相去較遠(yuǎn)，就得做出調(diào)整，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。這一循環(huán)過(guò)程可參見(jiàn)圖3-17。圖3-17風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)流程在空氣密度，葉輪前額定風(fēng)速的環(huán)境條件下，設(shè)計(jì)一臺(tái)功率2kW、功率系數(shù)為0.48、用于發(fā)電的風(fēng)力機(jī)。風(fēng)輪掃掠面積為則風(fēng)輪半徑為綜合考慮葉片數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能、振動(dòng)、穩(wěn)定性等影響，選擇該風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)，并設(shè)定葉尖速比。這時(shí)，風(fēng)輪的工作轉(zhuǎn)速為葉片選用NACA 4415翼型，該翼型的廓線坐標(biāo)參見(jiàn)文獻(xiàn)15，它的升力系數(shù)、阻力系數(shù)隨攻角(沖角)的變化分別見(jiàn)圖3-18和圖3-19。 葉片翼型最佳沖角對(duì)應(yīng)于極曲線上為最小值的點(diǎn)。此時(shí)

33、沖角，升力系數(shù)，阻力系數(shù)。為減小輪轂附近葉素的弦長(zhǎng)，依次取=0.25，0.50，2.25，2.50等共10個(gè)葉素的設(shè)計(jì)沖角分別為=10º，9º，8º，7º，6º，6º，6º。圖3-18NACA 4415翼型升力系數(shù)與攻角的關(guān)系圖3-19NACA 4415翼型阻力系數(shù)與攻角的關(guān)系3.3.3.1 用簡(jiǎn)化葉素動(dòng)量理論計(jì)算各葉素的弦長(zhǎng)、安裝角、轉(zhuǎn)矩、功率等參數(shù)葉片各葉素上氣流的絕對(duì)速度，切向速度。各葉素最佳弦長(zhǎng)、安裝角、相對(duì)速度、轉(zhuǎn)矩、功率分別按3.3.1節(jié)中述及和可推導(dǎo)得出的下列公式計(jì)算。 得到的結(jié)果列于表3-2，并得到風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)

34、矩系數(shù)，功率系數(shù)。該值尚未考慮葉片數(shù)、空氣摩擦的影響?？紤]到它們引起值降低的程度，因而設(shè)計(jì)的風(fēng)輪可以滿足決定風(fēng)輪直徑時(shí)所預(yù)期的值0.48。表3-2設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的簡(jiǎn)化葉素動(dòng)量理論計(jì)算結(jié)果半徑葉素安裝角葉素氣流角最佳弦長(zhǎng)氣流相對(duì)速度葉素轉(zhuǎn)矩葉素功率0.250.500.751001.251.501.752.002.252.5038.0920.1212.378.566.564.523.041.931.060.3648.0929.1220.3715.5612.5610.529.047.937.066.360.72520.50170.37730.30710.26350.22130.19060.16730.1

35、4900.13436.2719.59013.40517.39321.45825.56229.69133.38437.98742.1470.7054.2277.0169.74212.39814.97917.46219.86922.20024.45411.8270.82117.56163.24207.73250.97292.58332.91371.96409.733.3.3.2 用葛勞渥旋渦理論計(jì)算各葉素的弦長(zhǎng)、安裝角、轉(zhuǎn)矩、功率系數(shù)等參數(shù)由各葉素的，運(yùn)用表3-1得到不考慮阻力、最佳運(yùn)行條件下葉素的參數(shù)、氣流角。由于各半徑處葉素的升力系數(shù)已確定，此時(shí)，可求得葉素最佳弦長(zhǎng)?？紤]到靠近輪轂的葉素產(chǎn)出的

36、功率很小，并且為便于葉片加工，對(duì)的葉素，取實(shí)際的弦長(zhǎng)，以使葉片形狀成為兼顧氣動(dòng)、加工性能的梯形(見(jiàn)圖3-9)。葉素安裝角和存在阻力情形下，葉素參數(shù)、，氣流相對(duì)速度，以及用于風(fēng)輪推力、轉(zhuǎn)矩、功率計(jì)算的環(huán)形部位的參量，、，可由下述系列公式計(jì)算求得：設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的各葉素安裝角、參數(shù)等的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3-3、表3-4。表3-3設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的旋渦理論計(jì)算結(jié)果I半徑葉素安裝角葉素氣流角最佳弦長(zhǎng)設(shè)計(jì)弦長(zhǎng)氣流相對(duì)速度0.250.500.751.001.251.501.752.002.252.5029.3617.5411.378.086.294.352.931.840.990.3139.3626.5419.3715.

37、0812.2910.358.937.846.996.310.40600.39400.33250.28410.25430.21300.18530.16320.14610.13190.38030.34670.31520.28410.25430.21300.18530.16320.14610.13197.79811.03814.42718.02021.86126.02430.09434.23438.35142.514表3-4設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的旋渦理論計(jì)算結(jié)果半徑參數(shù)參數(shù)推力參數(shù)轉(zhuǎn)矩參數(shù)功率系數(shù)參量0.250.500.751.001.251.501.752.002.252.500.413040.409200.367120.339550.329510.335710.334390.334390.334390.334391.731451.221651.114861.069601.045561.030931.022551.017041.013311.010630.082940.166510.259570.353880.445710.532380.621730.710370.799460.888040.006520.015870.025990.035830.045180.053570.061930.069