| 風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) | ||
| Wind Turbine Basics | ||
[本節(jié)為“水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)”與“升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)” |
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| 與“阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)”欄目共用] | ||
| 升力與阻力 | ||
| 風(fēng)能曾是蒸汽機(jī)發(fā)明之前最重要的動(dòng)力，數(shù)千年前就有了帆船用于交通運(yùn)輸，后來有了風(fēng)車用來磨面與抽水等。近年來，由于傳統(tǒng)能源逐漸枯竭、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，風(fēng)能作為清潔的新能源得到人們的重視。為方便風(fēng)力機(jī)技術(shù)知識(shí)的學(xué)習(xí)，下面介紹一些風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。 | ||
| 風(fēng)就是流動(dòng)的空氣，一塊薄平板放在流動(dòng)的空氣中會(huì)受到氣流對(duì)它的作用力，我們把這個(gè)力分解為阻力與升力。圖1中F是平板受到的作用力，F(xiàn)D為阻力，F(xiàn)L為升力。阻力與氣流方向平行，升力與氣流方向垂直。 | ||
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| 我們先分析一下平板與氣流方向垂直時(shí)的情況，見圖2，此時(shí)平板受到的阻力最大，升力為零。當(dāng)平板靜止時(shí)，阻力雖大但并未對(duì)平板做功；當(dāng)平板在阻力作用下運(yùn)動(dòng)，氣流才對(duì)平板做功；如果平板運(yùn)動(dòng)速度方向與氣流相同，氣流相對(duì)平板速度為零，則阻力為零，氣流也沒有對(duì)平板做功。一般說來受阻力運(yùn)動(dòng)的平板當(dāng)速度是氣流速度的20%至50%時(shí)能獲得較大的功率，阻力型風(fēng)力機(jī)就是利用葉片受的阻力工作的。 | ||
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| 當(dāng)平板與氣流方向平行時(shí)，平板受到的作用力為零（阻力與升力都為零）。 當(dāng)平板與氣流方向有夾角時(shí)（見圖3），氣流遇到平板的向風(fēng)面會(huì)轉(zhuǎn)向斜下方，從而給平板一個(gè)壓力，氣流繞過平板上方時(shí)在平板的下風(fēng)面會(huì)形成低壓區(qū)，平板兩面的壓差就產(chǎn)生了側(cè)向作用力F，該力可分解為阻力FD與升力FL。 | ||
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| 下面是平板受氣流作用產(chǎn)生升力與阻力的動(dòng)畫，動(dòng)畫格式.mp4；分辨率640×480。 | ||
| 薄平板與氣流方向的夾角稱為攻角，當(dāng)攻角較小時(shí)，平板受到的阻力FD較小；此時(shí)平板受到的作用力主要是升力FL，見圖4。 | ||
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| 飛機(jī)、風(fēng)箏能夠升到空中就是依靠升力，升力型風(fēng)力機(jī)就是靠葉片受到的升力工作的。 | ||
| 翼型 | ||
| 翼型本是來自航空動(dòng)力學(xué)的名詞，是機(jī)翼剖面的形狀，翼型均為流線型，風(fēng)力機(jī)的葉片都是采用機(jī)翼或類似機(jī)翼的翼型，圖5是翼型的幾何參數(shù)圖 | ||
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| 與翼型上表面和下表面距離相等的曲線稱為中弧線，翼型通過以下參數(shù)來描述：? （1）前緣、后緣? 翼型中弧線的最前點(diǎn)稱為翼型的前緣，最后點(diǎn)稱為翼型的后緣。 （2）弦線、弦長 連接前緣與后緣的直線稱為弦線；其長度稱為弦長，用c表示。弦長是很重要的數(shù)據(jù)，翼型上的所有尺寸數(shù)據(jù)都是弦長的相對(duì)值。 （3）最大彎度、最大彎度位置 中弧線在y坐標(biāo)最大值稱為最大彎度，用f表示，簡稱彎度；最大彎度點(diǎn)的x坐標(biāo)稱為最大彎度位置，用xf表示。 （4）最大厚度、最大厚度位置 上下翼面在y坐標(biāo)上的最大距離稱為翼型的最大厚度，簡稱厚度，用t表示；最大厚度點(diǎn)的x坐標(biāo)稱為最大厚度位置，用xt表示。 （5）前緣半徑 翼型前緣為一圓弧，該圓弧半徑稱為前緣半徑，用r1表示。 （6）后緣角 翼型后緣上下兩弧線切線的夾角稱為后緣角，用τ表示。 對(duì)稱翼型的彎度f為0，t1=t2,上下表面對(duì)稱。 |
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| 翼型的升力與阻力 | ||
| 民航飛機(jī)機(jī)翼的截面是常用的翼型，能產(chǎn)生較大的升力，且對(duì)氣流的阻力很小，常用的飛機(jī)翼型上表面彎曲，下表面平直，是有彎度翼型（不對(duì)稱翼型），見圖7，即使葉片弦線與氣流方向平行也會(huì)有升力產(chǎn)生，這是因?yàn)槔@過翼型上方的氣流速度比下方氣流快許多，跟據(jù)流體力學(xué)的伯努利原理，上方氣體壓強(qiáng)比下方小，翼片就受到向上的升力FL。 | ||
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| 翼型的弦線與來流方向的夾角稱為攻角或迎角，當(dāng)攻角增大時(shí)，翼型受到的升力會(huì)增大，有攻角的翼型能受到較大的升力，在來流不變時(shí)翼型受到的升力隨攻角的增大而增大，阻力雖有增加但很小，與升力相比可忽略不計(jì)。圖8是攻角為12度時(shí)的氣流與升力圖。 | ||
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有彎度翼型在攻角為某一負(fù)值時(shí)，升力為0，稱該攻角為零升力攻角（零升力角）。 雖然翼型受到的升力隨攻角的增大而增大，但攻角增大到某個(gè)臨界角度后，翼型上方氣流會(huì)發(fā)生分離，產(chǎn)生渦流，升力會(huì)迅速下降，阻力會(huì)急劇上升，這一現(xiàn)象稱為失速。對(duì)于不同的翼型這個(gè)角度也不同，一般為10至15度，關(guān)于失速下面有進(jìn)一步介紹。 下面是翼型受來流產(chǎn)生升力與阻力的動(dòng)畫，動(dòng)畫演示了翼型在零升力攻角、攻角為0度、6度、12度、18度、24度時(shí)的氣流狀態(tài)。 動(dòng)畫格式.mp4；分辨率640×400。 |
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| 風(fēng)力發(fā)電用風(fēng)力機(jī)有阻力型與升力型兩種，水平軸風(fēng)力機(jī)基本都是升力型，垂直軸風(fēng)力機(jī)有升力型結(jié)構(gòu)也有多種阻力型結(jié)構(gòu)，一些實(shí)度比很高的風(fēng)力機(jī)（水平軸或垂直軸）會(huì)工作在升力與阻力狀態(tài)。 | ||
| 壓力中心 | ||
正常工作的翼型受到下方的氣流壓力與上方氣流的吸力，這些力可用一個(gè)合力來表示，該力與弦線（翼型前緣與后緣的連線）的交點(diǎn)即為翼型的壓力中心。 對(duì)稱翼型在不失速狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置（見圖9）。 |
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| 運(yùn)行在不失速狀態(tài)下的非對(duì)稱翼型，在較大攻角時(shí)壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置，在小攻角時(shí)壓力中心會(huì)沿葉片弦長向后移。 | ||
| 雷諾數(shù) | ||
雷諾數(shù)是衡量作用于流體上的慣性力與粘性力相對(duì)大小的一個(gè)無量綱參數(shù)，雷諾數(shù)用Re表示，
式中ρ——流體密度；V——流場(chǎng)中的特征速度；L——特征長度；μ——流體的粘度，流體的粘度主要隨溫度變化，空氣的粘度隨氣溫升高加大；而液體則相反，溫度升高粘度減小。 定義ν為流體的運(yùn)動(dòng)粘度， 由于空氣的密度ρ隨氣溫上升而減小、空氣的粘度μ隨氣溫上升而增加，所以雷諾數(shù)Re隨氣溫上升而減明顯減小。 在研究翼型的氣動(dòng)特性時(shí)，V取翼型的運(yùn)動(dòng)速度，L取翼型的弦長，得到的就是該翼型的雷諾數(shù)。 雷諾數(shù)對(duì)翼型氣動(dòng)特性影響較大，一般翼型的失速迎角隨雷諾數(shù)的增大而增大、最大升力系數(shù)也隨失速攻角的增大而增大；阻力系數(shù)在總體上會(huì)有降低。 有關(guān)雷諾數(shù)的簡單計(jì)算見NACA0012翼型的截面與升力曲線圖章節(jié) |
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| 失速迎角 | ||
| 當(dāng)翼片運(yùn)行較小迎角時(shí)，翼片處在正常升力狀態(tài)，翼片上方與下方的氣流都是平順的附著翼型表面流過，見圖10中的A圖，此時(shí)有較大的升力且阻力很小。如果將翼片迎角變大，當(dāng)超過某個(gè)臨界角度時(shí)，翼片上表面氣流會(huì)發(fā)生分離，不再附著翼型表面流過，翼型上方會(huì)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致阻力急劇上升而升力下降，這種情況稱為失速。見圖10中的B圖，在翼型受來流產(chǎn)生升力與阻力動(dòng)畫中后部分也有翼型失速時(shí)氣流動(dòng)畫。 | ||
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| 發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界角度稱之為臨界迎角或失速迎角，對(duì)于不同的翼型不同的氣流速度失速迎角也不同，普通翼型多在10度至15度，一般薄翼型失速迎角稍小，厚翼型失速迎角要大一些；對(duì)于同一個(gè)翼型影響失速迎角的是翼片運(yùn)行時(shí)的雷諾數(shù)與翼片的光潔度。 對(duì)于薄平板來說失速迎角較小，且阻力略大，攻角稍大就會(huì)失速。 | ||
| 風(fēng)能與風(fēng)能利用系數(shù) | ||
風(fēng)能就是空氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，當(dāng)風(fēng)速為v時(shí)每秒通過面積為S的空氣流的動(dòng)能為 ????? 由于是每秒的動(dòng)能，E也就是功率，稱為風(fēng)功率，例如，風(fēng)速為6m/s的空氣流，通過1平方米所具有的功率為129.6W。 風(fēng)在通過風(fēng)輪時(shí)推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，把它的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的能量，但經(jīng)過風(fēng)輪做功后的風(fēng)速不會(huì)為零，僅僅是減小，故風(fēng)只能把一部分能量轉(zhuǎn)交給風(fēng)輪，若流過風(fēng)力機(jī)葉片掃掠面積的風(fēng)功率為E，風(fēng)力機(jī)獲得的功率定為P,則風(fēng)能利用系數(shù)為Cp ????? 風(fēng)能利用系數(shù)也稱為功率系數(shù)，有關(guān)風(fēng)能利用系數(shù)更多知識(shí)見風(fēng)能與風(fēng)功率章節(jié)。 |
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| 貝茨極限 | ||
風(fēng)能就是空氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，風(fēng)在通過風(fēng)輪時(shí)推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，把它的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的能量，但經(jīng)過風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪做功后的風(fēng)速不會(huì)為零，僅僅是減小，故風(fēng)只把一部分能量轉(zhuǎn)交給風(fēng)輪。 那么風(fēng)能把多大的能量轉(zhuǎn)交給風(fēng)輪呢，1927年德國人貝茨從理論上計(jì)算出最大值為59.3%，如果在風(fēng)輪前方的風(fēng)速是v，計(jì)算認(rèn)為通過風(fēng)輪的風(fēng)速為2v/3，通過風(fēng)輪遠(yuǎn)離位置的風(fēng)速為1v/3。 59.3%稱為貝茨極限，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)的最大值。目前高性能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)一般為40%至45%。 |
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| 相對(duì)風(fēng)速 | ||
風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)所感受到的風(fēng)速是實(shí)際風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)速度的合成速度，稱為相對(duì)風(fēng)速。圖11是一個(gè)風(fēng)力機(jī)的葉片截面，當(dāng)葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片感受到的相對(duì)風(fēng)速為w→，它是葉片的線速度（矢量）u→與風(fēng)進(jìn)葉輪前的速度（矢量）v→的合成矢量 ????? w→=u→+v→ |
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| 相對(duì)風(fēng)速與葉片弦線之間的夾角就是葉片的攻角α，見圖12。 | ||
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| 葉尖速比 | ||
| 風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比。 圖13是一個(gè)風(fēng)力機(jī)的葉輪，u是旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪外徑切線速度，v是風(fēng)進(jìn)葉輪前的速度，v與風(fēng)輪平面垂直，葉尖速比λ ????? λ=u/v |
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阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為3至8。 在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對(duì)風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)方向的夾角，即直接關(guān)系到葉片的攻角，是分析風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。 |
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| 實(shí)度比 | ||
風(fēng)力機(jī)葉片的總面積與風(fēng)通過風(fēng)輪的面積（風(fēng)輪掃掠面積）之比稱為實(shí)度比（容積比），是風(fēng)力機(jī)的一個(gè)參考數(shù)據(jù)。 圖14左圖為水平軸風(fēng)力機(jī)葉輪，S為每個(gè)葉片對(duì)風(fēng)的投影面積，B為葉片個(gè)數(shù)，R為風(fēng)輪半徑，σ為實(shí)度比， ? |
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圖14右圖為升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪，C為葉片弦長，B為葉片個(gè)數(shù)，R為風(fēng)輪半徑，L為葉片長度，σ為實(shí)度比。目前垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪的掃掠面積有兩種算法，一種認(rèn)為是風(fēng)輪的迎風(fēng)面積，對(duì)于H型風(fēng)輪，即2RL,于是 ?????? σ=BCL/2RL= BC/2R 另一種認(rèn)為是葉片運(yùn)行的圓周與葉片長度的乘積，即2RπL，于是 ???? ? σ=BCL/2RπL= BC/2Rπ 為簡化目前一些資料中直接認(rèn)為 σ= BC/R
多葉片的風(fēng)力機(jī)有高實(shí)度比，適合低風(fēng)速、低轉(zhuǎn)速大力矩的風(fēng)力機(jī)，其效率較低。風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用少葉片與窄葉片的低實(shí)度比風(fēng)力機(jī)，可以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，效率也較高。 有關(guān)風(fēng)力機(jī)實(shí)度比更多知識(shí)見“風(fēng)輪的實(shí)度”與“垂直軸風(fēng)力機(jī)的實(shí)度”章節(jié)。 |
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