第二章風力機的基本理論及工作原理

1、風力機空氣動力學基礎知識風力機空氣動力學基礎知識 升力與阻力升力與阻力 風就是流動的空氣，一塊薄平板放在流動的空氣中會受到氣流對它的作用力，我們把這個力分解為阻力與升力。圖中F是平板受到的作用力，D為阻力，L為升力。阻力與氣流方向平行，升力與氣流方向垂直 先分析一下平板與氣流方向垂直時的情況，此時平板受到的阻力最大，升力為零。當平板靜止時，阻力雖大但并未對平板做功；當平板在阻力作用下運動，氣流才對平板做功；如果平板運動速度方向與氣流相同，氣流相對平板速度為零，則阻力為零，氣流也沒有對平板做功。一般說來受阻力運動的平板速度是氣流速度的20%至50%時能獲得較大的功率。 當平板與氣流方向平行時，平

2、板受到的作用力為零（阻力與升力都為零）。 當平板與氣流方向有夾角時，在平板的向風面會受到氣流的壓力，在平板的下風面會形成低壓區(qū)，平板兩面的壓差就產生了側向作用力F，該力可分解為阻力D與升力L。 當夾角較小時，平板受到的阻力D較??；此時平板受到的作用力主要是升力L。 截面為流線型的飛機翼片阻力很小，即使與氣流方向平行也會有升力，因為翼片上表面彎曲，下表面平直，翼片上方氣流速度比下方快，跟據流體力學的伯努利原理，上方氣體壓強比下方小，翼片就受到向上的升力作用。 當翼片與氣流方向有夾角（該角稱攻角或迎角）時，隨攻角增加升力會增大，阻力也會增大，平衡這一利弊，一般說來攻角為8至15度較好。超過15度后

3、翼片上方氣流會發(fā)生分離，產生渦流，升力會迅速下降，阻力會急劇上升，這一現(xiàn)象稱為失速。風力發(fā)電用風力機有阻力型與升力型兩種，水平軸風力機基本都是升力型，垂直軸風力機有多種阻力型結構，也有是升力型結構。 翼型翼型：也叫翼剖面，指用垂直于葉片長度：也叫翼剖面，指用垂直于葉片長度方向的平面去截葉片而得到截面形狀。方向的平面去截葉片而得到截面形狀。一一 葉片的相關術語葉片的相關術語tUAB后緣后緣：翼型的尖尾（：翼型的尖尾（B點）。點）。后緣角后緣角：后緣處上下弧線之間的夾角。：后緣處上下弧線之間的夾角。前緣前緣：翼型周線圓頭上距后緣最遠的點：翼型周線圓頭上距后緣最遠的點（A點）。點）。前緣半徑前緣半徑

4、rN：翼型前緣處內切圓的半徑。：翼型前緣處內切圓的半徑。rN與與t 之比稱相對前緣半徑。之比稱相對前緣半徑。翼弦（弦長）翼弦（弦長）：連接翼型前后緣的直線：連接翼型前后緣的直線段（段（AB)，為弦線，長度為，為弦線，長度為t。葉片根部。葉片根部剖面的翼型弦長稱根弦，尖部剖面翼型剖面的翼型弦長稱根弦，尖部剖面翼型弦長稱尖弦。弦長稱尖弦。風輪風輪：多個葉片固定在輪轂上就構成了：多個葉片固定在輪轂上就構成了風輪。風輪。旋轉平面旋轉平面：與風輪軸垂直，由葉片上距：與風輪軸垂直，由葉片上距風輪軸線坐標原點等距的點旋轉切線構風輪軸線坐標原點等距的點旋轉切線構成的一組相互平行的平面。成的一組相互平行的平面。

5、風輪直徑風輪直徑(D)：風輪掃掠圓面對直徑。：風輪掃掠圓面對直徑。風輪的輪轂比風輪的輪轂比(Dh/D)：風輪輪轂直徑：風輪輪轂直徑Dh與風輪直徑之比。與風輪直徑之比。二二 葉輪的幾何定義與參數(shù)葉輪的幾何定義與參數(shù)風輪旋轉平面風輪旋轉平面rR葉片長度葉片長度(H)：葉片的有效長度，：葉片的有效長度，H=(D-Dh)/2。葉片數(shù)葉片數(shù)(z)：風力渦輪的葉片數(shù)目。：風力渦輪的葉片數(shù)目。葉素葉素：風輪葉片在風輪任意半徑：風輪葉片在風輪任意半徑r處的處的一個基本單元。它是由一個基本單元。它是由r處翼型剖面的處翼型剖面的延伸一小段厚度延伸一小段厚度dr而形成。而形成。U(1-a)rrr貝茲極限貝茲極限 風

6、能就是空氣運動的動能，風在通過風輪時推動風輪旋轉，把它的動能轉變?yōu)轱L輪旋轉的能量，但經過風輪做功后的風速不會為零，僅僅是減小，故風只能把一部分能量轉交給風輪。那么風能把多大的能量轉交給風輪呢，從理論上講最大值為59.3%，這也是風力發(fā)電機組的風能利用系數(shù)的最大值，稱為貝茲極限。目前高性能的風力發(fā)電機組風能利用系數(shù)約為40%。 葉尖速比葉尖速比 風輪葉片尖端線速度與風速之比稱為葉尖速比。 下圖是一個風力機的葉輪，u是旋轉的風力機風輪外徑切線速度，v是風進葉輪前的速度，葉尖速比 =u/v 阻力型風力機葉尖速比一阻力型風力機葉尖速比一般為般為0.3至至0.6，升力型風力機，升力型風力機葉尖速比一般為

7、葉尖速比一般為3至至8。 在升力型風力機中，葉尖速在升力型風力機中，葉尖速比直接反映了相對風速與葉比直接反映了相對風速與葉片運動方向的夾角，即直接片運動方向的夾角，即直接關系到葉片的攻角，是分析關系到葉片的攻角，是分析風力機性能的重要參數(shù)。風力機性能的重要參數(shù)。 實度比實度比 風力機葉片的總面積與風通過風輪的面積（風輪掃掠面積）之比稱為實度比（容積比），是風力機的一個參考數(shù)據。 左圖為水平軸風力機葉輪，S為每個葉片對風的投影面積，B為葉片個數(shù)，R為風輪半徑，為實度比， =BS/R2 右圖為升力型垂直軸風力機葉輪，C為葉片弦長，B為葉片個數(shù)，R為風輪半徑，L為葉片長度，為實度比。垂直軸風力機葉輪

8、的掃掠面積為直徑與葉片長度的乘積， =BCL/2RL= BC/2R 多葉片的風力機有高實度比，適合低風速、低轉速大力矩的風力機，其效率較低。風力發(fā)電機多采用少葉片與窄葉片的低實度比風力機，可以較高效率高轉速運行。 3. 垂直軸風力機 1. 垂直軸風力機的分類垂直軸風力機的分類 2. 垂直軸風力機的主要特點垂直軸風力機的主要特點 3. 達里厄型垂直軸風力機達里厄型垂直軸風力機 4. S型垂直軸風力機型垂直軸風力機 5. 其他垂直軸風力機其他垂直軸風力機 6. 直驅式垂直軸風力發(fā)電機直驅式垂直軸風力發(fā)電機 3.5 垂直軸風力機 阻力型風力機阻力型風力機 薩窩紐斯型（Savonius type）風力

9、機，選用的是S型風輪。它由兩個半圓筒形葉片組成，兩圓筒的軸線相互錯開一段距離。其優(yōu)點是啟動轉矩大，啟動性能良好，但是它的轉速低，風能利用系數(shù)低 。升力型風力機升力型風力機 利用翼型的升力做功，最典型的是達里厄式風力機，其風能利用系數(shù)最高。多種達里厄式風力發(fā)電機，如型，型，H型等。這些風輪可以設計成單葉片、雙葉片、三葉片或者多葉片。3.5.1 垂直軸風力機的分類 優(yōu)點優(yōu)點 1 1）壽命長，易維護安裝）壽命長，易維護安裝 2 2）利于環(huán)保）利于環(huán)保 3 3）無需偏航對風）無需偏航對風 4 4）葉片制造工藝簡單）葉片制造工藝簡單 5 5）運行條件寬松）運行條件寬松 缺點缺點 1 1）風能利用率）風能

10、利用率 2 2）起動風速）起動風速 3 3）增速結構）增速結構3.5.2 垂直軸風力機的主要特點 3.5.3 達里厄型垂直軸風力機 法國航空工程師達里厄（法國航空工程師達里厄（DarrieusDarrieus）在在19311931年發(fā)明了升力型垂直軸風力機，年發(fā)明了升力型垂直軸風力機，后人習慣把升力型垂直軸風力機統(tǒng)稱后人習慣把升力型垂直軸風力機統(tǒng)稱為達里厄風力機（為達里厄風力機（DD式風力機）式風力機） 葉輪由兩片垂直的葉片阻成，葉片葉輪由兩片垂直的葉片阻成，葉片截面為流線型的對稱翼型，以相反方截面為流線型的對稱翼型，以相反方向安裝在轉軸兩側。向安裝在轉軸兩側。 達里厄風力機在低風速下運轉困難

11、，達里厄風力機在低風速下運轉困難，要在較高的風力下，風輪轉速達到要在較高的風力下，風輪轉速達到葉尖速比為葉尖速比為3.53.5以上才可能正常運以上才可能正常運轉，在尖速比為轉，在尖速比為4-64-6可獲較高的功可獲較高的功率輸出。下圖為達里厄風力機的功率輸出。下圖為達里厄風力機的功率系數(shù)與葉尖速比的關系曲線。率系數(shù)與葉尖速比的關系曲線。 達里厄風力機對葉片截面達里厄風力機對葉片截面形狀（翼型）選擇與外表光潔形狀（翼型）選擇與外表光潔度要求比較高。達里厄風力機度要求比較高。達里厄風力機不能單靠風力自起動，必須依不能單靠風力自起動，必須依靠外力起動使葉尖速比達到靠外力起動使葉尖速比達到3.53.5

12、以上時才能依靠升力運轉。以上時才能依靠升力運轉。典型的達里厄風力機翼片不是典型的達里厄風力機翼片不是直的，而是彎成弧形，兩翼片直的，而是彎成弧形，兩翼片合成一個合成一個 形。形。 3.5.4 S型垂直軸風力機 1）S S式阻力差風力機式阻力差風力機 2 2）薩渥紐斯）薩渥紐斯(Savonius(Savonius) )風力機風力機3 3）塞內加爾式風力機）塞內加爾式風力機 4) 4) 風杯式阻力差風力機風杯式阻力差風力機 1）S S式阻力差風力機式阻力差風力機 兩個半圓柱面的葉片，一個凸面向風，另一個凹面向風，顯然在相同風力下后者對風的阻力比前者大。 當垂直方向有風時，凹面向風的半圓柱面受到的風

13、阻力要比凸面向風的半圓柱面大，兩側的阻力差將使風力機轉子轉動。 當風向與兩半圓柱面直徑方向夾角很當風向與兩半圓柱面直徑方向夾角很小時，靜止的葉輪不能起動，為防止這個小時，靜止的葉輪不能起動，為防止這個死角，也為轉動平穩(wěn)，死角，也為轉動平穩(wěn)，S S式風力機轉子一式風力機轉子一般由上下兩組葉片阻成，在水平方向相互般由上下兩組葉片阻成，在水平方向相互垂直安裝。垂直安裝。 風葉也可以是螺旋狀，同樣可防死風葉也可以是螺旋狀，同樣可防死角，旋轉平穩(wěn)，也很美觀角，旋轉平穩(wěn)，也很美觀 2 2）薩渥紐斯薩渥紐斯(Savonius)風力機風力機 這個S式風力機轉子（葉輪）兩個半圓柱面葉片對稱安裝在轉軸兩側，柱面朝

14、向相反，兩個半圓柱面葉片部分交錯。半圓柱面葉片直徑為d，交錯距離為e。 當風吹向葉輪時由于阻力差會旋當風吹向葉輪時由于阻力差會旋轉，而且凹面部分氣流會通過交轉，而且凹面部分氣流會通過交錯的空隙進入凸面背后，轉折的錯的空隙進入凸面背后，轉折的氣流能抵消部分凸面的阻力，可氣流能抵消部分凸面的阻力，可提高風機的效率?？障短岣唢L機的效率?？障秂 e過大也過大也會降低效率，當會降低效率，當e/de/d=0.17=0.17時效時效果最好，如果空隙果最好，如果空隙e e中有轉軸，中有轉軸，轉軸要細并要適當增大空隙。轉軸要細并要適當增大空隙。兩個半球面杯對稱安裝在轉軸兩兩個半球面杯對稱安裝在轉軸兩側，球面方向

15、相反。一個凸面向側，球面方向相反。一個凸面向風，另一個凹面向風，顯然在相風，另一個凹面向風，顯然在相同風力下后者對風的阻力比前者同風力下后者對風的阻力比前者大。大。 4 4）風杯式阻力差風力機風杯式阻力差風力機 為接收更多的風力，風杯要大又要簡單結實，可做成是弧面的風為接收更多的風力，風杯要大又要簡單結實，可做成是弧面的風杯，如圖中右面的風力機，不過阻力差一般為杯，如圖中右面的風力機，不過阻力差一般為2 2倍左右。多個半球倍左右。多個半球面組成多層結構也是好辦法，如圖中左面的風力機就由多個錐形面組成多層結構也是好辦法，如圖中左面的風力機就由多個錐形風杯構成。風杯構成。3.5.5 其他垂直軸風力

16、機 （1 1）升力阻力結合式垂直軸風力機）升力阻力結合式垂直軸風力機（2 2）葉片可擺動的垂直軸風力機）葉片可擺動的垂直軸風力機 （3 3）葉片可擺動的離心力調節(jié)葉片攻角垂直軸風力機）葉片可擺動的離心力調節(jié)葉片攻角垂直軸風力機 3.5.6直驅式垂直軸風力發(fā)電機 一個永磁直驅式發(fā)電機模型，是多極發(fā)電機，結構與水輪發(fā)電機一個永磁直驅式發(fā)電機模型，是多極發(fā)電機，結構與水輪發(fā)電機類似，只是轉子勵磁采用永久磁體。轉子旋轉在定子繞組中產生電類似，只是轉子勵磁采用永久磁體。轉子旋轉在定子繞組中產生電流輸出。流輸出。 發(fā)電機安裝在鋼結構的塔架基座上，塔架基座的柱與梁還要支持塔架與發(fā)電機安裝在鋼結構的塔架基座上，塔架基座的柱與梁還要支持塔架與風輪。風輪。塔架安裝在塔架基座上。塔架安裝在塔架基座上。風輪在塔架頂端，風輪軸通風輪在塔架頂端，風輪軸通過傳動軸連接發(fā)電機，發(fā)電過傳動軸連接發(fā)電機，發(fā)電機與風輪