风力机空气动力学基础知识

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DYT372 排风罩性能实验台

DYZ111 风管风压、风速、风量的测定实验装置

DYT086 多功能附面层实验台/绕流圆柱体表面压力分布的测定实验台

DYT126 烟气流线演示仪/烟风洞实验台

风能曾是蒸汽机发明之前重要的动力，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

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。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大，升力为零。当平板静止时，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。

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，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。

翼型通过以下参数来描述

（1）前缘、后缘

翼型中弧线的前点称为翼型的前缘，后点称为翼型的后缘。

（2）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）大弯度、大弯度位置

中弧线在y坐标大值称为大弯度，用f表示，简称弯度；大弯度点的x坐标称为大弯度位置，用xf表示。

（4）大厚度、大厚度位置

上下翼面在y坐标上的大距离称为翼型的大厚度，简称厚度，用t表示；大厚度点的x坐标称为大厚度位置，用xt表示。

（5）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）后缘角

翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。

对称翼型的弯度为0，上下表面对称。

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。

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，从理论上讲大值为59.3%，这也是风力发电机组的风能利用系数的大值，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

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）u→与风进叶轮前的速度（矢量）v→的合成矢量w→=u→+v→

叶尖速比

风轮叶片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λ

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

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。