1、摘要面对日益增长的能耗需求和环保方面的压力，世界各国都在加大新能源的开发力度.清洁无污染、绿色环保的可再生能源是当今世界能源开发的焦点。风能是可再生清洁能源中最具代表性的一种，它对保护环境和维持生态平衡，以及减少对常规能源依赖和改善能源结构都有重要意义.风能开发的重点是利用风力发电机将风能转换成电能。水平轴风力机是风能利用中最主要的形式，风力机中的关键部件又是叶片，随着计算机技术和计算流体力学的发展，风力机的设计研究工作也在不断深入。出现了很多有关风力机叶片设计的新方法，在掌握基本风力机理论的同时我们也有必要开发自己的风力机设计方法。风力机的叶片接受吸收风能并将其转换成机械能，再驱动发电机得到
2、电能。对于这样重要的部件，其研究工作又是风力机研究的开端，我们更应重视基础研究工作。通过对风力机叶片设计的基础理论及外型参数等研究，分力风力机叶片设计的方法.运用翼型的基本概念和风力机叶片的基础外型参数进行叶片设计的预研讨论，并分别运用了Glauert和Schmitz叶片设计方法叶片进行初步设计，这两种方法有其各自技术特点和缺点，文中还着重研究了动量一叶素理论方法，这种方法在前两种设计方法的基础上发展而成，并采用两者的叶素研究方法进行叶片设计，动量叶素理论方法在进行叶片外型设计和叶片气动特性计算都涉及到干涉因子，文中重点对设计和计算情况下的干涉因子进行处理，并由此来设计叶片的外型和进行气动特性
3、的计算。关键词:风力发电水平轴风力机叶片设计动量叶素AbstractIn order to meet increasing need of energy and the press of environment protection, Inthe world many country increase the develop degree of new energy. Today the clean,pollute-free, green and renewable energy has become the focus of worlds energydevelopment. Wind en
4、ergy is the most representational energy in clean reproducible energy,It has important signification of the environment protection and ecosystems balance, it canreduce the depend on the conventional source of energy and improve the energy structure.The keystone of the development makes use of the wi
5、nd power machine is to convert thewind energy into the electric power. Horizontal-axis wind turbine is also the most form ofmany wind energy use forms, the blade of wind turbine is also the important part. Alongwith the development of computer technology and CFD, the design and research work ofwind
6、turbine also keep deeply developing, It also appears many new ways of vane design,in simultaneously master the basic theory of wind turbine, we must develop our own wayof vane design. The blade of wind turbine absorbing the wind energy and converting into machineenergy, then drive the generator and
7、gain the electric energy. For this important component,its research is the threshold of the research of wind turbine, we must attach importance tothe basic research work. After recommending the trend of wind power and the technologyof wind energy, Use the basic concept of aerofoil and wind turbine v
8、ane exterior parameterto design the vane. And use the prior and more consummate ways to carry through vaneaccidence design, These ways have own technology points and disadvantage, In this paperstressly discuss the momentum-element theory way, this way was developed in the basic ofthe two ahead ways,
9、 and it overcome their defect. It also use element theory to deal withvane design. In the vane designing and aerodynamical characteristic calculating they bothrelate with intervene gene, so the keystone is to carry through the intervene gene in twocase, thereout to do the vane design and aerodynamic
10、al characteristic calculating.Key words: wind energy; horizontal-axis wind turbine(HAW劝;vane design;blade element and momentum theory注释表犷sp尸cPnl尸qq了刀q刀动能，w气体的质量，kg气体的密度，kglm3气体的速度，m/s风能最大利用系数尖速比风轮角频率，rad lJ叶片半径，m推力，N扭矩，N-m翼型厚度攻角升力系数升力，N气动系数旋转平面的速度，脚/sdF和dl之间的交角周向速度因子轴向分力，N气流旋转角速度，rad / s轴向速度干涉因子叶尖损失
11、系数风轮损失系数叶片载荷系数叶片厚度改变攻角量气体的体积，m单位面积，二，功率，w作用力，N功率系数风轮的转速，rls翼型的弦长，沉风轮半径，m推力系数扭矩系数翼型弯度安装角(桨距角)阻力系数阻力，N气流入流角相对速度，脚/s叶片数轴向速度因子切向分力，N叶片影响宽度切向速度干涉因子轮毅损失系数轮毅半径，脚叶片宽度改变攻角量攻角改变量口rMCaC.汤.甲LC，U刀k兀ba凡兔妈如h凡Q月F声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工
12、作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。研究生签名:七)I-01年夕月了日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名:一本王L问年7月I日南京理工大学硕士学位论文风力发电机的叶片设计方法研究1绪论1.，开展风电研究的背景社会的高速发展离不开能源的开发利用，各行各业的进步和技术更新也离不开能源，突出问题是对电力的需求越来越大，然而目前我们的发电仍是以传统的常规能源为主，其中尤其
13、以煤电为主。而这些如煤炭类的能源是不可再生的，其储量因不断消耗正一天天减少，在利用的过程中，虽然采取一定的措施，还是对环境造成了严重影响，特别是产生温室效应的二氧化碳和硫氧化合物、氮氧化合物等污染物的排放日益增多，这对环境、气候都造成了很大的负面影响，这种影响现在也越发体现出来，人类比历史上任何时候都要更加关心环境的保护。能源短缺、环境污染是目前世界各国都迫切需要解决的问题，解决的方法是寻求替代的可再生清洁新能源，坚持可持续的发展策略日. 同世界上的许多国家一样我国的能源消费有近一半是用于发电，而这其中也是以煤电为主。目前我国的经济发展进程比世界上其它国家的还要快，这就决定了我国对能源需求量更
14、大。煤炭、石油等能源又称为化石能源，是经过上千年甚至上万年的积累才演变而成，其数量有限，用一点其储量就会少一点。所以我们必须寻找新能源来代替这些化石能源。而且寻求的新能源不仅要求其储量丰富，取之不尽，用之不竭，还有一个重要指标是它的清洁环保性。这种新型的可再生能源包括太阳能、风能潮汐能、地热能、水能等.这些新能源的的开发利用都是迫在眉睫，有些已经形成一定的规模。目前，世界上某些国家和我国的很多城市空气质量都低于国家标准，这些大气污染主要还是因为燃煤造成的，这些污染不单单是对大气，它还造成了恶性连锁反应，土壤、生态也在一定程度受其影响出现恶化现象。这些都关乎人类的切身利益，所以使用清洁能源越发引
15、起全世界的关注，而且注重环保不仅仅停留在认识层面上，很多都已付诸于实际行动。在我国，资源开发利用与环境保护协调发展的问题已成为我国实施可持续发展战略急需解决的问题，调整能源结构和保障能源供给一直是经济建设与发展的重要目标。我国是能源消费大国，我们不得不认真思考我国未来能源发展走向和策略。这使我国在新能源的开发利用中也不得不加大开发力度，目前新能源中风能又是被认为最接近商业化的能源之一121。现阶段，国家不仅在政策上支持还实施具体的法规办法来确保可再生能源开发的顺利进行。除了可再生能源法的正式实施，国家又相继出台了可再生能源发电有关管理规定和可再生能源中长期发展规划，这显示了国家对于可再生能源开
16、发利用的决心。创造和谐社会坚持可持续发展战略，开发绿色清洁的新能源己成为国家实现可持续发展的关键，大力发展风电事业又是新能源开发中的关键一环W7南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究1.2国内外风电开发现状风能是最廉价、最清洁的、最有开发价值的新能源。自70年代石油危机以后，世界各国都开始积极研制、开发风力发电机。%年代以后，风力发电能力以平均每年22%的速度增长，已成为世界各种能源中增长最快的一种。其中发展较快的国家有:德国、美国、丹麦、西班牙、荷兰等，他们都已有成熟的大型的商业化产品。许多发展中国家也是风电行业的新生力量，如印度和中国幻. 欧洲仍然是全球风电的主要市场，2006
17、年底，全球风电总装机容量在2005年59091MW的基础上增涨到了74223MWo欧洲风电总装机容量为48545MW，占全球市场65%，其总装机容量增长率为19%，发电量约100TWh，占欧洲年平均电量需求的3.3%。全球有13个国家总装机容量超过了IOOOMW。装机容量最大的国家分别是:德国(20621MW)、西班牙(11615MW),美国(11603MW)、印度(6270MW)和丹麦(3136MW)e新增装机容量，美国以24549W位居第一，其次是德国(2233MW)、印度(1840M,西斑牙(1587MW)、中国(1374MW)和法国(810MW).由此可见，风电新兴国家如中国、法国等已
18、在全球风能产业中取得了一席之地。世界和中国逐年的风电装机容量如下图所示，可以看出世界和中国的风电装机容量逐年增长，发展势头十分迅猛ut女艺)岛公瑞橄种钟。多盔冬琴层解不份图1.2.1世界每年风电装机容量 年份图1.2.2中国每年风电装机容量亚洲2006年新增风电装机容量3679MW,总装机容量达到10600MW，成为紧随欧洲之后装机容量增长最快的地区。2006年亚洲地区总装机容量增长率为53%,新增装机增长率为2495。印度仍是亚洲装机容量增长最快的国家，2006年新增装机容量18409W,总装机容量达62709W,随着2006年1月中国可再生能源法正式实施，中国的风电市场出现了较大幅度增长。
19、2006年中国除台湾省外新增风电机组1454台，风电总装机容量为1347WW，总装机容量达2604MW, 2006年新增装机增长率为166%.中国己成为世界第六大风电市场，这种增长势头还会持续并加快。根据已批复和在建的项目情况推测，2007年，中国新增风电装机容量将超过1500MW。按照规划，2010年，中国风电装机容量要达到5000MW，而根据预测，这个目标还将提前数年实现(+7 e南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究，.3国内外风力机研究状况随着风电技术不断进步和风电产业规模化发展，风电成本一直呈下降趋势，从19811995年，世界风电成本已由15.8欧分/度电下降到5.7欧
20、分/度电，目前风电成本约为4欧分/度电左右，在过去5年中，风电成本下降约20%。如果在常规能源电价中，考虑了因污染环境而发生的外部附加成本之后，那么风能是目前最具有与常规能源竞争的可再生能源b) 欧洲和美国等这些风电技术比较发达的国家，不论是政府还是企业自身都投入大量的资金用于风电技术的改进和发展。世界的风电技术都取得了长足进步，设计、制造技术也日益成熟，产品进入商品化阶段，功率发展成大功率兆瓦级。一方面风力机厂家为了满足市场需要开发不同类型的风力机，如低温型、高原型、海上风机等，另一方面在与传统能源竞争中，风电越来越注重降低成本以增加其竞争力。所以，目前的态势是机组单机容量的大型化，而同时单
21、位成本却逐年减少。近年来，风力机仍以发展水平轴为主，虽然垂直轴有全风向、变速装置及发电机可以置于地面等优点，但其转轴过长、转换效率不高还是制约了其发展:其次通过齿轮箱多级变速驱动风电机组依然是目前风电市场上的主流产品，变速变桨距双馈恒频是大型风电机组的主要模式。现在也出现了直驱电机组，因为其部件少减少传动链损失和停机时间，以及维护费用低等优点在市场上占有越来越大的份额b-b7。一些欧洲国家，如丹麦、德国和英国等，风力发电正由陆地走向海洋，这也成为今后风力发电技术的主要发展方向之一。在空气动力学方面最重要的是进行新型翼型、叶片和风轮的设计与研究，以捕获更多的风能。据说美国国家可再生能源实验室(N
22、REL)开发了一种新型叶片，试验表明:新型叶片比早期的风力机叶片捕获的风能要大20%以上。还有采用柔性叶片也是一个发展方向7，利用新型材料(如新型工程塑料等)进行设计制造叶片，变风况时能达到改善空气动力学性能，这样增加叶片的可靠性和风能的有效利用。另外，还在开发新的空气动力控制装置，如叶片上的副翼，它能够简单有效地限制转子的旋转速度，比机械刹车更可靠，并且能降低费用帅，。因为风能技术是一项高新技术、它涉及到气象学、空气动力学、结构动力学、计算机技术、控制技术、材料力学、机电工程、电气工程、环境科学等学科和专业7我国这方面起步又晚，我国风能发展中技术创新还很薄弱，除小型的风电机组，很少有自主知识
23、产权的核心技术，因此很大程度上还要从国外引进技术。总体来说还处于跟踪和引进国外的先进技术阶段，而且个别引进的技术并不实用.就是某些引进的许可证，有的是国外淘汰技术，有的图纸虽然先进，但受限于国内配套厂的技术、工艺、材料等原因，导致国产化的零部件质量、性能大打折扣。为了早日实现风电机组的国产化，国家投入大量的财力、物力和人力，早在“八五”“九五”期间，我国将风能南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究利用列入了国家重点科技攻关项目，并组织了多家科研单位进行攻关，取得了一定成绩a。此外，在风力发电机组的制造水平上，我国已经成为国际主流机型的兆瓦级机组主要市场。国外的很多知名风电制造商纷纷
24、在中国设立分厂，或者和中方合作开发风机。我国在上世纪的也曾经由政府有关技术与产业部门组织并投资研究风力发电技术与产品开发.首先从国外引进原装产品、技术资料和图纸，消化吸收并与外方合作建立试验性的风电场，更主要的是组织科研所、高校及工厂独自研究与开发风力发电机组。但由于我国技术储备不够雄厚，或因研究方法不够科学，以致现在的很多大型机组仍然是依靠进口，或者是购买国外许可证，按照国外图纸加工生产，所以我国大型风力机技术的还有很长的路要走。在风力机桨叶设计和制造技术方面我国也远远落后于国外先进厂家，作为风力机国产化主要关键技术的叶片设计和制造技术没有完全掌握，叶片的设计和制造材料还需要从国外引进，叶片
25、多数为仿制，生产工艺也不完全过关U-101。叶片是整个风力发电机的关键部件，它的性能优劣、设计好坏直接影响到配套的齿轮箱和发电机的设计和正常运行。虽然目前我国的中航保定惠腾和上海玻璃钢研究院等单位也在开发和生产兆瓦级的风力机叶片，但是由于前面所说的一些原因，风力机桨叶设计和制造技术还是与世界先进叶片制造商的技术水平有一定的差距闭.为了提高机组利用率和可靠性，赶上世界先进水平，发展我国自己的风电事业，对于风力机叶片的设计方法进行研究非常有必要，这样才能开展其它一系列工作。1.4本课题的研究内容风力机叶片的外形决定了风能的转换效率，因而风力机叶片气动外形设计技术在风力机设计机制造中占有相当重要的地
26、位。涉及到技术保密工作，国外知名叶片生产商都不对外公开其设计方法，因此很有必要研究并掌握风力机叶片设计技术，开发我国自己的风力机叶片设计方法。根据以上综述原因，本文主要进行以下研究工作:(1)收集整理风电情报和最新风力机技术进展，为下一步工作明确方向，突出本研究工作的重要性和必要性。(2)介绍基本的风力机翼型参数和风力机参数，掌握风力机设计的基本理论，为更好地研究开发风力机设计方法打好基础.(3)系统研究讨论两种基础的设计理论与方法，简述各自的特点，并进行风力机叶片的初步设计，为接下来的研究工作提供借鉴。(4)研究经典的动量一叶素理论，着重研究千涉因子的处理方法，对风力机叶片进行外形设计并对设
27、计好的叶片进行气动特性计算。南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究2风力机的基础理论在风能利用的风机中有水平轴和垂直轴之分，从叶片数来说又有单叶片、双叶片和三叶片乃至多叶片之分，这里以最典型的最常见的水平轴三叶片风力机来研究风能转换和风力机工作的一般原理。相应地对风机外型参数和一些气动术语也加以介绍说明，最后讨论了变化的风速如何计算，以及风能密度等概念。2.，风能的计算由一般的流体力学可知，气流的动能可以表示为: E=生mv22(2.1.1)式中m气体的质量，单位为:v一一气体的速度，单位为:kg;m/s。设单位时间内气流流过单位面积S的气体的体积为V，则V=SV(2. 1. 2)
28、如果以P表示空气密度，该体积的空气质量为:+n=PV =Ps则气流所具有的动能表示为: E=生户sV3(2.1.3)(2.1.4) 上式即为风能的表达式.在国际单位制，P的单位是坛/耐;V的单位是衬;，的单位是m1s: E的单位是W。从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。其中密度P和风速v随地理位置、海拔高度、地形等因素而变X07 G l2.2基本概念2.2.，贝茨理论第一个关于风轮的完整理论是德国哥廷根研究所的A贝茨(Betz)建立的。贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毅，具有无限多的叶片，并且气流通过风轮时没有阻力，因此，这样的风轮是一个纯粹
29、的能量转换器;此外还进一步假定气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流的速度方向无论在风轮前后还是通过风轮时都是，南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究沿着风轮的轴线方向12132。其示意转换过程如下图12. 1所示:图2.2.1风能转换关系图 设v:为风轮前方的风速，v是通过风轮时的实际速度，并且在整个叶片扫掠面S上是均匀的，v:为风轮远后方的风速。通过风轮的气流在风轮前方的截面为S，后方是SZ。风轮的机械能是由空气的动能降低所致，因此v:必然低于v，所以气流从前方穿过风轮到后方其截面是增加的，即又大于风12 如果假定空气是不可压缩的，连续性条件可以表达为:Sv=S2V2 =
30、Sv风作用在风轮上的力可由Eule，定理写出: F二t“,“一、)因此风轮吸收的功率为: P=Fv=pSv2w，一v2 )从风轮前到风轮后气游动能的改变量为，”:(2.2.1)(2.2.2)(2.2.3)vE=工 2风轮的功率即是风能改变量，pSv(V一2V2)(2.2.4)令式(2. 2. 3) P与式(2. 2. 4) DE相等，则得到:v=I.止v2 2作用在风轮上的力及其输出功率可由下式表达:2.5)2.6)(2(2 尸=1 PS(-,22 1一2v2)尸=1 PS(V124 一、Xv +v2)(2.2.7)对于风轮前方气流速度v:是给定的，功率P的变化则可以看成为，2的函数。将上式表
31、示成v2的微分形式，得到:南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究会1 All,4一2v, v2一v zz)(2.2-8)方程式dP /人二。有两个解: 第一个解:，:=-v,，此解没有物理意义:第二个解:、=v,/3，此时对应的功率是最大。 把、=v,/3这个特定得值代入功率P的表达式，就得到了风轮所能产生的最大功率的表达式:二二务,osv一0.363Sv,(2.2.9)式中定义空气的密度P为1.225kg/m3 0 这个表达式称为贝茨公式。其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的。 将上式除以气流通过扫掠面S时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率(或称理
32、论风能的利用系数)wI 二、，。“一蕴=号- 16 x 0.593272”2(2.2.10)式(2.2.10)即为著名的贝茨理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。在能量的转换的过程中，由于各种损失的存在必将导致风轮输出功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异.因此，风力机的实际风能利用系数CP是小于。.593。我们一般设定风力机实际能得到的有用功率输出是:P=告P; SCP(2.2.11)对于每平方米扫风面积则实际得到的能量有;二告、。(2.2.12)2.2.2风力机的特性系数1121(1)风能利用系数CP用风能利用
33、系数CP表示风力机从自然风能中吸取能量的大小程度，由下式表示Cr二1 Z PSvra(2.2.13)南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究1 ,os(v?一v2)(v, +v,)，lr 合叫, L vi A、式中尸风力机实际获得的轴功率，单位为:K . P-空气密度，单位为:kg/m;S风轮的扫掠面积，单位为:m2; v上游风速，单位为:m/s这样我们也可以表示风能利用系数Cr随v2 / vi变化关系，同样如图中所示，我们可以看到，在v2 /V.的比值在1/3处得到最大的q值，如下图2.2.2所示:U 03巨二f，一厂一尸厂一下一厂一门厂一巨二巨-万二尸二二二厂，厂一厂二巨了巨二厂
34、一户叮，厂一厂一门叮不二厂一门盯厂门巨丁一二厂，巨一产一吓万门巨一二巨下厂下【一巨一下一厂二二口丫尸下厂，下二厂，厂一厂一又厂厂门口丁厂下一门口，门尸口口一厂一-下一厂一一仄一4厂了二仁丫门仁一厂一厂一厂仁又巨二二厂气厂一厂一厂一!一二巨下、巨盯厂一一厂一厂一厂一!一二一厂一一一厂一厂一.厂一厂一厂门巨二口一厂一.一厂一不厂一甲厂种厂一a认0 0.2 0月Z众.门力 VA图2.2.2q随v2 /V,变化关系图 (2)叶尖速比A为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比兄又=2zRn= mR(2.2.19) Vv式中摊风轮的转速，单位为:，/:; m风轮角
35、频率，单位为:rad 1 s;R风轮半径，单位为:，; v上游风速，单位为:m/s。(3)扭矩系数CM和推力系数CT 扭矩是由气流作用于叶片的升力产生，而作用于叶片的阻力则导致推力产生，这也是体现风力机性能的两个主要系数。在设计风力机时，要尽可能得到较大的扭矩，从而得到较大的输出功率;同时要尽可能减小推力而使运行可靠性提高。南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究为了便于把气流作用下风力机所产生的扭矩和推力进行比较，常以叶尖速比又为变量作为扭矩和推力的变化曲线。因此，扭矩和推力也要无因次化。CN2Mpv2sR(2.2.20)(2.2.21).一5T一汽21外C,.M1 pv2SR止
36、T二告一二七 粤PVZS乙式中M扭矩，单位为:T推力，单位为:N.m;N。2.3叶片和翼型的几何形状与空气动力特性2.3.1翼型的几何参数和气流角无论是水平轴或垂直轴风力机，主要部分都是叶片。可以把叶片看成旋转的机翼。为了很好地理解叶片的功能，特别是选择最佳形状和尺寸，必须懂得有关翼型的基本空气动力学知识，首先介绍一下翼型的概念，翼型是组成风力机叶片的基本元素，因此，翼型的气动特性对风力机的性能起着决定性的作用。为了更好的认识不同翼型对风轮叶片的作用，特别是翼型的形状和尺寸对性能的影响，以下简要介绍一下风力机翼型的气动特性lj一l.J.如下图2.3.1所示，考虑这样的一种情况，一个静止的翼型受
37、到风吹，风的速度为v，方向与翼型截面平行.。j仑，图2.3.1翼型的几何参数和气流角翼型的尖尾(点B)称为后缘.圆头上的A点称为前缘，距离后缘最远。1-翼型的弦长，是两端点A. B连线方向上翼型的最大长度;C最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度; C-翼型相对厚度，c二C/1翼型中线从前缘点开始，与上、 f-翼型中线最大弯度;了翼型相对弯度，7=f/l;，通常为10%一15%;下表面相切诸圆之圆心的连线，一般为曲线:南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究a攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角:00-零升力角，它是弦线与零升力线间的夹角:沪升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角。a=
38、0+4(2.3.1)此处00是负值，沪和是a正值。2.3.2作用在叶片上的空气动力假定叶片处于静止状态，令空气以相同的相对速度从相反方向吹向叶片时，作用在叶片上的空气动力将不改变其大小。空气动力只取决于相对速度和攻角的大小，为便于研究，先研究静止的叶片置于流动的空气中，其无穷远来流速度为v时的情况阴。 由于受叶片外型干扰，作用在叶片表面上的空气压力是不均匀的，叶片的上表面气压减少而在下表面则增加。为了表示压力沿表面的变化，可作翼型表面的垂线，用垂线的长度K，表示各部分压力的大小。Kp=(2.3.2)式中P、P-翼型表面上的静压;Po , v无限远处的来流条件.所有作用在叶片上的各个力的合力F，
39、通常与气流方向斜交，可以用下式表达式:PC, Sv2(2.3.3)1一2 - F式中S-翼展面积，等于弦长x翼展长度; C,总的气动系数。该作用力可以分为两部分:一个是平行于气流速度v的分力:阻力D;一个是垂直于气流速度v的分力:升力LD与L可分别表示为(2.3.4)1一2 - D =告PC,s2式中，Cd和C,分别为阻力系数和升力系数。刀+D 2 =F 2因此(2.3.5)这两个分力互相垂直，可写为:(2.3.6)南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究局，十留二C2(2.3.7)设M为F相对于前缘的力矩。力矩系数CM由下式定义:M=生vc.,Slv2(2. 3.8) 式中l-翼型
40、的弦长。因此作用在翼型上的气动力可以表示为升力、阻力和气动力矩三部分。对于各个攻角值都有一特殊点C，该点的气动力矩为零，称为压力中心.空气动力在翼型截面上的影响可由单独作用于该点的升力和阻力来表示。压力中心点与前缘的相对距离与弦长比值大约为25 % 30 % “.2.3.3升力和阻力系数的变化曲线一般来说，翼型的升力系数q和阻力系数q随攻角的变化规律如图2.3.3.1所示.首先来看升力系数的变化，开始直线上升到最大值C,，对应的攻角1M称为失速点，过失速点后，升力系数下降，阻力系数迅速增加。负攻角时，C,通过最小值C,m o阻力系数曲线的变化则不同，它的最小值对应一个确定的攻角。升力系数对阻力
41、系数(埃菲尔极曲线)变化如图2,3.3.2所示。 当OM与C/几曲线相切时，tan B为最大值，而q/C为最小值.ClCd图2.3.3.1翼型升力系数和阻力系数随攻角变化图图2.3.3.2埃菲尔极曲线 需要指出，不同截面形状的翼型其升力和阻力特性差异很大，影响翼型升力阻力特性的外形因素主要有几个方面川: (1)弯度的影响翼型的弯度加大后，导致上、下弧流速差加大，从而使压力差加大，故升力增加;与此同时，上弧流速加大，摩擦阻力上升，并且由于迎流面积加大，故压差阻力也加大，导致阻力上升。因此，同一攻角时随着弯度增加，其升、阻力都将显著增加，但11南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究阻力
42、比升力的增加更快，使升、阻比将有所下降。 (2)厚度的影响翼型厚度增加后，其影响与弯度类似。同一弯度的翼型，采用较厚的翼型时，对应于同一攻角的升力有所提高，但对应于同一升力的阻力也较大，且阻力增大的更快，使升、阻比有所下降。 (3)前缘的影响试验表明，当翼型的前缘抬高时，在负攻角情况下阻力变化不大。前缘低垂时，则在负攻角时会导致阻力迅速增加。(4)表面粗糙度和雷诺数的影响 表面粗糙度和雷诺数对翼型表面边界层的影响很大，因此对翼型空气动力也有着重要的影响。 当叶片在运行中出现失速后，噪声常常会突然增加，引起风力机的振动和运行不稳定等现象。在选取C,值时，不能将失速点作为设计点。对于水平轴风力机而
43、言，为了使风力机在稍向设计点右侧偏移时仍能很好的工作，所取的C,值，最大不超过0.8-0.9q。 (5)有限翼展的影响上述结果只适用于翼型无限长的情况，对于有限长度的叶片，其结果必须修正。一个叶片的下表面压力比周围空气要大，而上表面压力则要小.因此在叶尖，空气企图从高压侧向低压侧流动，从下表面流回上表面，结果在叶尖形成涡流。实际上，由于叶尖的影响，沿整个叶片产生许多小涡旋，这些小涡旋在叶尖内侧形成两个大涡旋。这些涡旋引起的后果是使阻力增加，Fa因此，上述阻力系数变为PC,.SvZ由此产生的阻力称为诱导阻力Fa(2.3.9)Ce = Ca。十C,;(2.3.10)其中Cn。为无限长叶片的阻力系数
44、。此外，要想得到同样的升力，攻角必须加上一个增量0，所以，新攻角为:a=a,+0(2.3.11)在流体力学中，当环量的分布呈椭圆分布时，Cm和沪可有下列关系给出口一朋C,=三.C,Z =L2万(2.3.12)(2.3.13)q-肋 一一C-才5一刀0=南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究式中S-翼型面积:L-翼型长度;a展弦比(a=刀/S).2.4风轮的空气动力学2.4，1几何定义为了研究风力机的风轮，先给出一些定义tl一lsJ:转轴风轮旋转轴;旋转平面与风轮轴垂直，叶片在其中旋转的平面;风轮直径一风轮扫掠面的直径;叶片轴线叶片纵轴线，绕此轴可以改变叶片一部分或全部相对于旋转平面
45、的倾斜变化:叶片截面叶片与直径为，并以风轮轴为轴线的圆柱面相交的截面;安装角或桨距角a在半径，处翼型截面的弦线与旋转平面的夹角。2.4.2叶素特性分析设风轮叶片在半径;处的一个基本单元，即叶素，其长度为dr，弦长为1及安装角刀。这个叶素在旋转平面内的速度U=2)rrN.如果把v当作通过风轮的轴向风速，则空气相对于叶片流动的速度为w，如图2.4.2所示vV=U+W(2.4.1)W二v一U(2.4.2)攻角a二护一声.沪是W和风轮旋转平面的夹角，称为入流角。叶素受到相对气流速度w的作用直雨的升力dL及平行于万的阻力dD将产生一个空气动力dF，可以分解为一个垂w随攻角a变化.C,和C,的值对应叶素翼
46、型的攻角，其值可以按相应的攻角查取所选翼型的气动特性曲线得到，”.南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究图2. 4. 2叶素特性分析 可以把空气动力dF的作用看成风对风轮轴推力及风轮轴的扭矩u7 pa现在来计算由气动力dF产生的作用在风轮上的轴向推力dT以及作用在转轴上的力矩。dT是dF在风轮轴向上的分力，而dM为dF在旋转平面上的投影分力对风轮轴的力矩use dT = dL cos护+dDsin沪dM二r(dL sin o一dDcos )(2.4.3)(2.4.4)从以下关系式:dL =喜pC,W K形状参数。无纲量;C-一一尺寸参数，纲量为m/so 不同地区、不同时期参数K.
47、C是不同的，可根据某地连续30年的风资料算出该地区的K. C参数。威布尔分布函数曲线如图2.5.1所示.参数K. C影响曲线形状，K大C大曲线陡峻，峰右移;反之，K小C小曲线平缓，峰左移。南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究f()v Wal图2.5. 1威布尔函数分布曲线当C=】时，威布尔分布函数表达式为f (v) = K(v)K- e (2.5.2)(2.51)式称为标准威布尔分布。形状参数K的改变对分布曲线型式有很大影响。当0_0 K?0 C0)(2.5.3)当K=2时与瑞利(Rayleigh)风速概率密度分布相同.瑞利分布为tf (v)一共e-e z.= (v_0。)(2.
48、5.4)2.5.2风速随高度的变化在近地层中，风速随高度有显著的变化，造成在近地层中的垂直变化的原因有动力因素和热力因素，前者主要来源于地面的摩擦效应，即地面的粗糙度，后者主要表现为与近地层大气垂直稳定度的关系，所以风速是随着垂直高度的增加而增大，只有离地面300m以上的高空才不受影响。在考虑高度对风速的影响中，常用的是指数模型。国际上计算风能，一般直接应用风速随高度变化的指数律，以lom为基准，订正到不同高度上的风速，再计算风能116)，如下式所示。(儿丫V(n) = vR I:一Il nR(2.5.5)式中:经验风剪切指数。其数值通常在。.1-0.4之间。南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片设计方法研究hR参考高度。 h-高度。vR参考高度处的风速。则联合前面的风速周期密度得到平均风速为V与风速，的关系为e7=Jvf (vN(2.5.6)2.6本章小结本章主要介绍了风能转换的基本过程及其原理，特别是水平轴风力机的具体转换机理，及其在转换过程中所应用到的一些翼型的几何形状和空气动力学参数，重点讨论了贝茨理论和叶素理论，还探讨了风速是如何来测定计算的，分别描述了风速的周期分布和随高度变化的关系以及平均风速的计算方法。为下面进行风力机叶片设计和一般计算提供基础理论方法.南京理工大学硕士学位论文风力发电机叶片
