淺析垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的翼型與展弦比

升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)是依靠升力工作的，故葉片設(shè)計(jì)多參考飛機(jī)機(jī)翼的形式。設(shè)計(jì)葉片首先遇到的是選擇翼型、決定展弦比，本站就這兩個(gè)問(wèn)題談?wù)効捶ā?

   采用對(duì)稱(chēng)翼型還是有彎度翼型

   對(duì)稱(chēng)翼型

由于在垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周中每個(gè)葉片都要在上風(fēng)面與下風(fēng)面各做功一次，在上風(fēng)面與下風(fēng)面葉片的攻角是正負(fù)變化的，葉片兩面各有一次受風(fēng)機(jī)會(huì)，見(jiàn)圖1，所以垂直軸風(fēng)力機(jī)多采用對(duì)稱(chēng)翼型，保證葉片在正攻角與負(fù)攻角時(shí)升力系數(shù)相同、阻力系數(shù)相同。H型垂直軸風(fēng)力機(jī)常用的對(duì)稱(chēng)翼型是NACA0012與NACA0015。

圖1 采用對(duì)稱(chēng)翼型的垂直軸風(fēng)力機(jī)示意圖

也有些垂直軸風(fēng)力機(jī)產(chǎn)品采用彎度較大的翼型，既有向外彎的也有向內(nèi)彎的，下面簡(jiǎn)析一下其理由。

   向外彎的翼型

首先看看向外彎的翼型，見(jiàn)圖2，因?yàn)轱L(fēng)通過(guò)垂直軸風(fēng)力機(jī)上風(fēng)面做功后風(fēng)速會(huì)降低，由于葉片受力與風(fēng)速二次方成正比，到下風(fēng)面對(duì)葉片作用力要小不少，風(fēng)輪的上風(fēng)面是主要做功面，下風(fēng)面是次要做功面。為盡量發(fā)揮葉片在上風(fēng)面的做功能力，就采用有彎度翼型，而且弦線與切線方向有夾角θ。

圖2 采用向外彎曲翼型的垂直軸風(fēng)力機(jī)示意圖

這樣在相同的風(fēng)速下能增大葉片在上風(fēng)面的轉(zhuǎn)矩，不過(guò)葉片在下風(fēng)面轉(zhuǎn)矩會(huì)減小，需要綜合利弊來(lái)選擇翼型與角度，該方案可使風(fēng)輪在小的葉尖速比進(jìn)入升力狀態(tài)，但會(huì)限制進(jìn)入大的尖速比，只能運(yùn)行在低葉尖速比狀態(tài)。另外阻力會(huì)略有增加，故翼型與夾角的選擇很重要，選擇得好在一定的風(fēng)速范圍可得到較大的風(fēng)能利用率。在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)所選擇的工作狀態(tài)與利弊綜合考慮。采用這樣的翼型可使用比對(duì)稱(chēng)翼型寬一些的翼型，而且實(shí)度比也可高些。

   向內(nèi)彎的翼型

也有風(fēng)力機(jī)采用向內(nèi)彎的翼型，見(jiàn)圖3，

圖3 采用向內(nèi)彎曲翼型的垂直軸風(fēng)力機(jī)示意圖

對(duì)稱(chēng)翼型的氣動(dòng)特性是針對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的平行氣流而言的，由于翼型是繞軸做圓周運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)翼型的氣流不是直線而是弧線的，此時(shí)翼型的狀態(tài)猶如在直線氣流中的有彎度翼型。尤其是較寬翼型的升力與阻力特性發(fā)生變化，會(huì)影響葉片的轉(zhuǎn)矩與效率，故把翼型做成向內(nèi)彎，這樣在做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)接近對(duì)稱(chēng)翼型的效果。采用這樣的翼型可使用比對(duì)稱(chēng)翼型寬一些的翼型，而且實(shí)度比也可高些。

以上是本站的看法，希望大家有更好的解釋發(fā)往本站。

   葉片展弦比的影響

展弦比是葉片的長(zhǎng)度與葉片的弦長(zhǎng)之比，展弦比對(duì)葉片的氣動(dòng)力學(xué)特性有什么影響，在下面作簡(jiǎn)單介紹。

圖4是一個(gè)葉片的前視圖，當(dāng)葉片以一定的速度運(yùn)行時(shí)，在葉片下方空氣壓強(qiáng)較高、在葉片上方空氣壓強(qiáng)較低，葉片產(chǎn)生向上的升力。由于葉片上下面氣壓之差，在葉片兩端的下方氣體會(huì)向上方繞動(dòng)，產(chǎn)生翼尖渦。翼尖渦會(huì)擾亂葉片兩端氣流的正常流動(dòng)，減小葉片的升力，葉片的升力系數(shù)越大則渦的影響越大，并且翼尖渦會(huì)在葉端后方形成一串的渦流，產(chǎn)生渦誘導(dǎo)阻力，造成葉片阻力增加。

圖4 翼尖渦示意圖

如果葉片足夠長(zhǎng)，翼尖渦造成的升力損失與阻力增加與葉片的升力與阻力相比可忽略不計(jì)；如果葉片較短，翼尖渦造成的升力與阻力損失比較明顯，這就是選擇大展弦比的優(yōu)點(diǎn)。

但事物經(jīng)常是兩面的，當(dāng)葉片長(zhǎng)度有限時(shí)，要想增大展弦比就要減小葉片寬度，其結(jié)果是減小了葉片面積，總升力減少，而且葉片弦長(zhǎng)減少導(dǎo)致葉片雷諾數(shù)減小，雷諾數(shù)減小使葉片的失速角減小、最大升力系數(shù)減小、阻力增加。

對(duì)于較小的風(fēng)力機(jī)，葉片長(zhǎng)度本來(lái)有限，也要盡量保證葉片的寬度，為了避免展弦比小造成的弊端，有些風(fēng)力機(jī)采用航空技術(shù)中的一些措施，在葉片頂端加裝端板是較簡(jiǎn)單的辦法，可大大減小繞流的影響，圖5是加裝有端板的葉片示意圖（上圖是立體圖、下圖是前視圖），當(dāng)然端板的設(shè)計(jì)既要減小繞流也不能明顯增加阻力。

圖5 安裝翼尖端板示意圖

   我們的看法

以上從空氣動(dòng)力學(xué)上對(duì)葉片的的翼型與展弦比進(jìn)行了粗淺的介紹，對(duì)如何選擇葉片的的翼型與展弦比我們提供一些看法供大家參考：

由于特殊翼型設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)較麻煩，普通垂直軸風(fēng)力機(jī)宜選用對(duì)稱(chēng)翼型。

可調(diào)攻角的垂直軸風(fēng)力機(jī)采用對(duì)稱(chēng)翼型。

小型風(fēng)力機(jī)選用較薄的翼型，大型風(fēng)力機(jī)可選用稍厚的翼型。

高風(fēng)速運(yùn)行宜選較薄的翼型，低風(fēng)速運(yùn)行可選稍厚的翼型。

固定葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)要使葉片弦長(zhǎng)與葉輪半徑之比小一些，一般來(lái)說(shuō)風(fēng)輪所有葉片弦長(zhǎng)總和不超過(guò)風(fēng)輪直徑的20%，在下面提到的寬與窄都以15%作參考值。

對(duì)稱(chēng)翼型宜選較窄的葉片，會(huì)使葉片運(yùn)行在較好的狀態(tài)，在國(guó)外運(yùn)行的大中型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其葉片弦長(zhǎng)總和不超過(guò)風(fēng)輪直徑的10%，見(jiàn)垂直軸風(fēng)力機(jī)的實(shí)度。

大型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片可選用選較大的的展弦比，葉片相對(duì)窄一些；小型垂直軸風(fēng)力機(jī)可用稍寬一點(diǎn)的葉片。

高風(fēng)速運(yùn)行宜選窄一些的葉片，低風(fēng)速運(yùn)行可選略寛一些的葉片，通過(guò)增加輸出力矩來(lái)增加輸出功率。

可調(diào)攻角的垂直軸風(fēng)力機(jī)可用較寬的葉片，所有葉片弦長(zhǎng)總和可達(dá)風(fēng)輪直徑的20%或更多，并在較寬風(fēng)速范圍有較大輸出力矩與功率。

微型風(fēng)力機(jī)由于過(guò)窄的葉片雷諾數(shù)太小，會(huì)影響葉片的工作性能，所以葉片寬度應(yīng)該大于0.1m。微型風(fēng)力機(jī)的葉片若采用可調(diào)攻角方式運(yùn)行能改善葉片的工作性能，在較寬風(fēng)速范圍較好的運(yùn)行。

微型與小型風(fēng)力機(jī)在高風(fēng)速時(shí)轉(zhuǎn)速很高，離心力是葉片受到的主要作用力，葉片與支架必須有足夠的強(qiáng)度，不可因?yàn)樾《鲆暯Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

除此之外葉片的設(shè)計(jì)還要考慮風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)上的要求，由于垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)在不同的位置對(duì)主軸的作用力大小與方向是不同的，相差很大，極易產(chǎn)生晃動(dòng)，故風(fēng)輪主軸與塔架要有足夠的強(qiáng)度，特別是抗疲勞的強(qiáng)度，同時(shí)要使風(fēng)力機(jī)塔架與風(fēng)輪的固有頻率遠(yuǎn)距葉片的交變作用頻率。

主軸與塔架的晃動(dòng)不僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)有破壞作用，其晃動(dòng)直接帶動(dòng)葉片晃動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重破壞葉片的氣動(dòng)性能，使風(fēng)力機(jī)工作不正常，性能下降，所以必須盡量減小主軸與塔架的晃動(dòng)，不但Φ型風(fēng)輪要在主軸頂部加拉索或其它方法固定，H風(fēng)輪宜用低結(jié)構(gòu)（葉片長(zhǎng)度不宜超過(guò)風(fēng)輪直徑），特別是大中型風(fēng)力機(jī)中，也可加拉索固定。

當(dāng)然最后的結(jié)構(gòu)尺寸還是要看實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。