葉片的氣動特性與結(jié)構(gòu) |
| Aerodynamics the Blades |
| 葉片的升力與失速 |
在風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)知識一節(jié)中介紹過葉片的升力與阻力，本節(jié)就水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的氣動特性作進(jìn)一步介紹。 圖1是一個運(yùn)行中的葉片截面氣流圖，我們稱這個截面為翼型，翼型弦線與氣流方向的夾角（攻角）為α，正常運(yùn)行時氣流附著翼型表面流過，靠近翼型上方的氣流速度比下面的氣流速度快，根據(jù)流體力學(xué)的伯努利原理，翼型受到一個上升的力Fl，當(dāng)然翼型也會受到氣流的阻力Fd。 |
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| 這是正常的工作狀態(tài)，有較大的升力且阻力很小。但翼型并不是在任何情況下都能產(chǎn)生大的升力。如果攻角α大到一定程度，氣體將不再附著翼型表面流過，在翼型上方氣流會發(fā)生分離，翼型前緣后方會產(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，發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界角度稱之為臨界迎角或失速迎角，見圖2。 |
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| 翼型什么時候開始失速，圖3是一種翼型的升力系數(shù)與阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線，這是工作在理想狀態(tài)下的曲線，與多數(shù)薄翼型較接近，圖中綠色的是升力曲線、棕色的是阻力曲線。在曲線中可看出，攻角α在15度以下時升力隨α增大而增大，當(dāng)攻角α大于15度時開始失速，升力驟然下降，阻力大幅上升，在α等于45度時升力與阻力基本相等。 |
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以上翼型的升力曲線與阻力曲線是在氣流平穩(wěn)，翼型攻角變化緩慢時的曲線，在此種條件下產(chǎn)生的失速稱為靜態(tài)失速；如果氣流有湍流、渦流，翼型攻角變化快，升力曲線與阻力曲線會有較大變化，在這種條件下產(chǎn)生的失速稱為動態(tài)失速，在關(guān)于NACA0012翼型的課件對動態(tài)失速有簡單介紹。有關(guān)翼型升力與阻力原理的更多介紹見葉片的空氣動力學(xué)基礎(chǔ)課件。 |
| 風(fēng)力機(jī)的翼型 |
早期風(fēng)力機(jī)多采用NACA系列翼型，但風(fēng)力機(jī)是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其葉片與飛機(jī)翼有許多不同，為保證機(jī)械強(qiáng)度，葉片靠根部附近的厚度要大，但阻力又不能太大；對整個葉片要求就是最大升力系數(shù)大、升阻比高、失速時氣動性能穩(wěn)定、氣動性能對葉片前緣表面粗糙變化敏感性低等。于是20世紀(jì)80年代中期開始，一些風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)的國家研究開發(fā)了各自的風(fēng)力機(jī)專用翼型系列，其中代表性的有美國的NREL S翼型系列、丹麥的RISO翼型系列、瑞典的FFA-W翼型系列、荷蘭的DU翼型系列，國內(nèi)也開發(fā)了WA系列。 下面在《現(xiàn)代陸海風(fēng)力機(jī)計(jì)算與仿真》書中掃描一張圖片，見圖4，圖片顯示了NREL S翼型在風(fēng)力葉片機(jī)各部位的應(yīng)用。 |
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葉片的結(jié)構(gòu) |
| 在圖5中的翼型弦線與翼型前進(jìn)方向有一固定的夾角β稱為槳距角，相對翼型的風(fēng)速是外來風(fēng)速v與翼型線速度u合成的相對風(fēng)速w，相對風(fēng)速w與翼型弦線間的夾角α是翼型的攻角。要盡量讓翼型工作在失速前的攻角以獲得最大的升力與較小的阻力。對于一定的風(fēng)速v與一定的線速度u選擇合適的翼型槳距角β以獲得最合適的攻角α。 |
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實(shí)際的葉片是繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的，沿葉片長度方向不同截面的線速度u是不同的，葉尖處最快、靠葉根處最慢。對于同樣的風(fēng)速v，在葉尖處相對風(fēng)速與風(fēng)輪平面夾角最小、在葉根處相對風(fēng)速與風(fēng)輪平面夾角最大，為了使葉片各段都能工作在較好的攻角，葉片必須做成扭轉(zhuǎn)的。圖6是一個風(fēng)力機(jī)葉片，葉片上繪有各段的截面（淺綠色），每個截面兩端有該截面弦線的延長線（橙紅色），以葉片端截面弦線為水平（水平線為白色），可看出各截面弦線與水平面的夾角，在靠葉根處的夾角最大。 |
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葉片在風(fēng)輪上的安裝角度在靠葉尖處與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角最小，在靠葉根處的夾角最大，見圖7。 |
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這個扭轉(zhuǎn)角有多大，對于不同的風(fēng)力機(jī)與葉片的值不同，但對于大中型風(fēng)力機(jī)相差不大。下面附表的數(shù)據(jù)來自《風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行》一書，表中數(shù)據(jù)是一個半徑約40m的風(fēng)輪，其葉片在不同半徑處的扭轉(zhuǎn)角。該角度是最佳運(yùn)行風(fēng)速為8m/s時的設(shè)計(jì)優(yōu)化值。 |
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另外，在《現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)原理》書中掃描一張圖片供參考，見圖8，圖中繪出了某種風(fēng)力機(jī)的葉片在不同部位（半徑）的截面示意圖，小數(shù)字是葉尖部分，大數(shù)字是葉根部分。 圖中葉片的翼型是NREL S翼型系列。 |
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