3.1空氣動力學

3.2風力機原理與結構3.1空氣動力學3.1.1葉片翼型的幾何形狀與空氣動力學特性如圖31所示是風力機葉片的示意圖。葉片的功能是將風能轉變成機械能。風力機的風輪一般由2~3個葉片組成。先考慮一個不動的翼型受到風吹的情況。風的速度為矢量v,方向與翼型平面平行。有關翼型幾何形狀定義如下:翼型的尖尾點B稱為后緣,圓頭上A點為前緣。連接前、后緣的直線AB長為l,稱為翼弦。AMB稱為翼型上表面,ANB稱為翼型下表面。從前緣到后緣的彎曲虛線叫做翼型的中線。仰角θ是翼弦與氣流速度矢量v之間的夾角。下面考慮風吹過葉片時所受的空氣動力。如圖32所示是翼剖面上的壓力示意圖,上表面壓力為負,下表面壓力為正,合力如圖33所示。合力F可用下式表達,即力F可分解為兩個分力,一個是垂直于氣流速度v的分力———阻力Fd,另一個是平行于氣流速度v的分力———升力FL,FL和Fd可用下式表示,即式中:CL和Cd和分別是翼型的升力系數和阻力系數。翼型的升力系數CL和阻力系數Cd隨攻角(翼弦與來流速度之間的夾角)的變化曲線如圖34和圖35所示。與風輪有關的幾何定義有:(1)風輪軸:風輪旋轉運動的軸線。(2)旋轉平面:與風輪軸垂直,葉片在旋轉時的平面。(3)風輪直徑:風輪掃掠面的直徑。(4)葉片軸:葉片縱向軸,繞此軸可以改變葉片相對于旋轉平面的偏轉角(安裝角)。(5)葉片截面:葉片在半徑r處并以風輪軸為軸線的圓柱相交的截面。(6)安裝角或槳距角:在半徑r處翼型的弦線與旋轉面的夾角α,如圖36所示。R為風輪半徑,也可稱為葉片長度;將葉片視為橢圓,r為葉片長半軸,這里通常叫葉片半徑;α為葉片半徑外翼型的弦線與旋轉角面的夾角;t為葉片最大寬度;V為葉片外邊緣氣流速度。3.1.2風力機主要部件的設計風力機經過多年的發(fā)展,現在已有很多種形式,有的是老式風力機,現在不再使用;有的是現代風力機,正為人們廣泛利用;有的正在研究之中。盡管風力機的形式各異,但它們的工作原理是相同的,即利用風輪從風中吸收能量,然后再轉變成其他形式的能量。下面主要研究新型風力機的風輪、塔架和對風裝置。風力機主要由風輪、塔架及對風裝置組成,如圖37所示。1)風輪水平軸風力機的風輪由1~3個葉片組成。葉片是風力機從風中吸收能量的部件。葉片的結構有四種形式,如圖38所示。(1)實心木質葉片。這種葉片是用優(yōu)質木材精心加工而成的,其表面可以蒙上一層玻璃鋼,以防雨水和塵土對木材的侵蝕。(2)使用管子作為葉片的受力梁,用泡沫材料、輕木或其他材料作中間填料,并在其表面包上一層玻璃鋼。(3)葉片用管梁、金屬肋條和蒙皮組成。金屬蒙皮做成氣動外形,用鋼釘和環(huán)氧樹脂將蒙皮、肋條和管梁黏結在一起。(4)葉片用管梁和具有氣動外形的玻璃鋼蒙皮做成。玻璃鋼蒙皮較厚,具有一定的強度,同時,在玻璃鋼蒙皮內可黏結一些泡沫材料的肋條。當風輪旋轉時,葉片受到離心力和氣動力的作用,離心力對葉片是一個拉力,而氣動力使葉片彎曲,如圖39所示。當風速高于風力機的設計風速時,為防止葉片損壞,需對風輪進行控制。控制風輪有三種主要方法:①

使風輪偏離主風向;②

改變葉片角度(改變槳距角);③

利用擾流器,產生阻力,以降低風輪轉速。偏離主風向的控制方法如圖310所示。當風速太大時,風輪向側方或上方偏轉,從而減少風輪的迎風面,防止超過額定轉速。側向偏轉風輪在風輪中心與風力機支撐塔的旋轉中心之間有一個偏心距,當風速太大時,使風輪旋轉面偏向側方。對于向上偏轉風輪,當風速太大時,風輪旋轉面便向上偏轉。葉片變槳距機構如圖311所示。它是通過改變風力機葉片的角度來控制輸出功率的。對于小風力機,當葉片轉速超過額定轉速時,由連接在每個葉片上控制錘的離心力的作用使葉片的槳距角加大,從而避開風力的作用。對于大風力機,通過控制系統(tǒng)來改變槳距以控制輸出功率。擾流控制器如圖312所示。在風力機風輪葉片的尖端裝上擾流控制器后,在過轉速時離心力增大,擾流控制器克服彈簧的拉力張開,增加了阻力,從而降低了風輪轉速。在大型風力機上,為了使風輪完全停下來,可在低速軸或高速軸上安裝機械剎車。2)塔架為了讓風輪能在地面上以較高的風速運行,需要用塔架把風輪支撐起來,如圖313所示。這時,塔架主要承受兩個力:一個是風力機的重力,向下壓在塔架上;另一個是阻力,使塔架向風的下游方向彎曲。塔架有張線支撐式和懸臂梁式兩種基本形式。塔架可以是木桿、鐵管做成的圓柱結構,也可以是鋼材做成的桁架結構。不論選擇什么塔架,使用塔架的目的都是使風輪獲得較大的風速。在選擇塔架時,必須考慮塔架成本。破壞塔架的力主要是風力機的重力和塔架所受的阻力。因此,選擇塔架要根據風力機的實際情況來確定。大型風力機的塔架基本上是錐形圓柱鋼塔架。3)對風裝置自然界的風,不論是速度還是方向,都經常發(fā)生變化。對于水平軸風力機,為了得到最高的風能利用效率,應使風輪的旋轉面經常對準風向,為此,需要對風裝置。一些典型的對風裝置如圖314所示。圖314(a)是用尾舵控制對風的最簡單的方法,小型風力機多采用這種方式;圖314(b)是在風力機兩側裝有控制方向的舵輪,多用于中型風力發(fā)電機。圖314(c)是用專門設計的風向傳感器與伺服電機相結合的傳動機構來實現對風,多用于大型風力發(fā)電機組。3.2風力機原理與結構3.2.1風力機的功率與效率風的動能與風速的平方成正比。當一個物體使流動的空氣速度變慢時,流動的空氣中的動能部分轉變成物體上的壓力能。整個物體上的壓力就是作用在這個物體上的力。功率是力和速度的乘積,這也可以用于風輪的功率計算。因為風力與速度的平方成正比,所以風的功率與速度的三次方成正比。如果風速增大一倍,風的功率便增大八倍。這在風力機設計中是一個很重要的概念。風力機的風輪是從空氣中吸收能量的,而不是像飛機螺旋槳那樣,把能量投入空氣中去。所以當風速加倍時,風輪從氣流中吸收的能量增加八倍。在確定風力機的安裝位置和選擇風力機型號時,都必須考慮這個因素。風輪從風中吸收的功率可以用下面的公式表示,即式中:P為風輪輸出的功率;CP為風輪的功率系數;A為風輪掃掠面積A=πR2;ρ為空氣密度;v為風速;R為風輪半徑。眾所周知,如果接近風力機的空氣全部動能都被轉動的風輪葉片所吸收,那么風輪后的空氣就不動了,然而空氣不可能完全停止,所以風力機的效率總是小于1。下面介紹一下貝茲(Betz)極限。貝茲假設了一種理想的風輪,即假設風輪是一個平面圓盤(葉片無窮多),空氣沒有摩擦和黏性,流過風輪的氣流是均勻的,且垂直于風輪旋轉平面,氣流可以看做是不可縮壓的,速度不大,所以空氣密度可看做不變。當氣流通過圓盤時,因為速度下降,流線必須擴散。利用動量理論,圓盤上游和下游的壓力是不同的,但在整個盤上是個常量。實際上假設現代風力機一般具有2~3個葉片的風輪,用一個無限多的薄葉片的風輪所替代。在圖315所示的流管中,遠前方(0)、風輪(1)和遠后方(2)的流量是相同的,所以作用在圓盤上的力F可由動量變化來確定,即風輪所吸收的功W可用動量變化的速率來確定,即在圓盤上,力F以v速度做功,所以由式(35)、式(36)、式(37)得下游速度因子b的計算公式為利用式(34)、式(36)、式(37),可得利用式(39)和式(310),可得功率系數定義為風輪吸收的能量和總能量之比,即因為所以把CP對b微分,當b=1/3時,CP最大,CP=16/27=0.59,這就是貝茲極限,它表示風輪可達的最大效率。尖速比,是用來表述風電機特性的一個十分重要的參數。風輪葉片尖端線速度與風速之比稱為尖速比。試驗數據表明:二葉片的風輪旋轉速度越快,風輪效率越高,尖速比為5或6時,效率可達0.47。同樣,達里厄式風輪在尖速比為6時,最大效率為0.35。其他一些風輪的效率如圖316所示。3.2.2各類風力機盡管風力機多種多樣,但歸納起來,可分為兩類:一是水平軸風力機,其風輪的旋轉軸與風向平行;二是垂直軸風力機,其風輪的旋轉軸垂直于地面或氣流方向。1.水平軸風力機水平軸風力機可分為升力型和阻力型兩類。升力型旋轉速度快,阻力型旋轉速度慢。對于風力發(fā)電,多采用升力型水平軸風力機。大多數水平軸風力機具有對風裝置,能隨風向改變而轉動。對小型風力機,這種對風裝置采用尾舵,而對于大型的風力機,則利用風向傳感元件及伺服電動機組成的傳動機構。風力機的風輪在塔架前面的稱為上風向風力機,風輪在塔架后面的則稱為下風向風力機。水平軸風力機的式樣很多,有的具有反轉葉片的風輪;有的在一個塔架上安裝多個風輪,以便在輸出功率一定的條件下減少塔架的成本;有的利用錐型罩,使氣流通過水平軸風輪時集中或擴散,起到加速或減速的作用;還有的水平軸風力機在風輪周圍產生旋渦,集中氣流,增加氣流速度。2.垂直軸風力機垂直軸風力機在風向改變時無需對風,在這點上相對水平軸風力機是一大優(yōu)點,它不僅使結構設計簡化,而且也減少了風輪對風時的陀螺力。利用阻力旋轉的垂直軸風力機有幾種類型,其中有利用平板和杯子做成的風輪,這是一種純阻力裝置;S型風機,具有部分升力,但主要還是阻力裝置。這些裝置有較大的啟動力矩,但尖速比較低,在風輪尺寸、重量和成本一定的條件下,提供的功率輸出較低。達里厄式風輪是法國G.J.M.達里厄于19世紀30年代發(fā)明的。在20世紀70年代,加拿大國家科學研究院對此進行了大量的研究。達里厄式風輪現在是水平軸風力機的主要競爭者。達里厄式風輪是一種升力裝置,彎曲葉片的剖面是翼型。它的啟動力矩低,但尖速比可以很高,對于給定的風輪重量和成本,有較高的輸出功率?，F在有多種達里厄式風力機,如Φ形、△形和Y形等。這些風輪可以設計成單葉片、雙葉片、三葉片或多葉片。我國的達里厄式風力機一般采用三葉片。其他形式的垂直軸風輪有美格勞斯效應風輪。美格勞斯效應風輪是由自旋的圓柱體組成。當它在氣流中工作時,產生的移動力是由美格勞斯效應引起的,其大小與風速成正比。垂直軸風輪有的使用管道或旋渦發(fā)生塔,通過套管或擴壓器使水平氣流變成垂直方向,以增加速度;有些還利用太陽能或燃燒某種燃料,使水平氣流變成垂直方向氣流。3.2.3風力機的氣動基礎風力發(fā)電機組主要是利用氣動升力的風輪。氣動升力是由飛行器的機翼產生的一種力。從圖317可以看出,機翼翼型運動的氣流方向有所變化,在其上表面形成低壓區(qū),在其下表面形成高壓區(qū),產生向上的合力,并垂直于氣流方向。如圖318所示,在產生升力的同時也產生阻力,風速因此有所下降。現在做一個升力和阻力試驗。把一塊板子從行駛的車中伸出來,只抓住板子的一端,板子迎風邊稱做前緣。把前緣稍稍朝上,會感到一種向上的升力,如果前緣朝下一點,會感到一個向下的力。在向上和向下的升力之間,有一個角度,不產生升力,稱做零升力角。在零升力角的位置,會產生很小的阻力。阻力向后拉板子,使板子成90°,前緣向上,這時阻力已大大增加。如果車的速度很大,板子可能從手中吹走。升力和阻力是同時產生的,將板子的前緣從零升力角開始慢慢地向上轉動,開始時升力增加,阻力也增加,但升力比阻力增加的快得多;到某一個角度之后,升力突然下降,但阻力繼續(xù)增加。迎角度是在達里厄垂直風力機中,葉片傾角與風速流動水平方向的夾角。這時的迎角度大約是20°,這時的機翼會產生失速。在某些特定的迎角度下,升力比阻力大得多,升力就是設計高效風力機的動力。翼型的高升力區(qū)、低阻力區(qū)對風力機設計是十分重要的,翼型的升