第二章風(fēng)力機(jī)的基本理論及工作原理

1、風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識 升力與阻力升力與阻力 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)受到氣流對它的作用力，我們把這個(gè)力分解為阻力與升力。圖中F是平板受到的作用力，D為阻力，L為升力。阻力與氣流方向平行，升力與氣流方向垂直 先分析一下平板與氣流方向垂直時(shí)的情況，此時(shí)平板受到的阻力最大，升力為零。當(dāng)平板靜止時(shí)，阻力雖大但并未對平板做功；當(dāng)平板在阻力作用下運(yùn)動(dòng)，氣流才對平板做功；如果平板運(yùn)動(dòng)速度方向與氣流相同，氣流相對平板速度為零，則阻力為零，氣流也沒有對平板做功。一般說來受阻力運(yùn)動(dòng)的平板速度是氣流速度的20%至50%時(shí)能獲得較大的功率。 當(dāng)平板與氣流方向平行時(shí)，平

2、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)，在平板的向風(fēng)面會(huì)受到氣流的壓力，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D與升力L。 當(dāng)夾角較小時(shí)，平板受到的阻力D較?。淮藭r(shí)平板受到的作用力主要是升力L。 截面為流線型的飛機(jī)翼片阻力很小，即使與氣流方向平行也會(huì)有升力，因?yàn)橐砥媳砻鎻澢?，下表面平直，翼片上方氣流速度比下方快，跟?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作用。 當(dāng)翼片與氣流方向有夾角（該角稱攻角或迎角）時(shí)，隨攻角增加升力會(huì)增大，阻力也會(huì)增大，平衡這一利弊，一般說來攻角為8至15度較好。超過15度后

3、翼片上方氣流會(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。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)有多種阻力型結(jié)構(gòu)，也有是升力型結(jié)構(gòu)。 翼型翼型：也叫翼剖面，指用垂直于葉片長度：也叫翼剖面，指用垂直于葉片長度方向的平面去截葉片而得到截面形狀。方向的平面去截葉片而得到截面形狀。一一 葉片的相關(guān)術(shù)語葉片的相關(guān)術(shù)語tUAB后緣后緣：翼型的尖尾（：翼型的尖尾（B點(diǎn)）。點(diǎn)）。后緣角后緣角：后緣處上下弧線之間的夾角。：后緣處上下弧線之間的夾角。前緣前緣：翼型周線圓頭上距后緣最遠(yuǎn)的點(diǎn)：翼型周線圓頭上距后緣最遠(yuǎn)的點(diǎn)（A點(diǎn)）。點(diǎn)）。前緣半徑前緣半徑

4、rN：翼型前緣處內(nèi)切圓的半徑。：翼型前緣處內(nèi)切圓的半徑。rN與與t 之比稱相對前緣半徑。之比稱相對前緣半徑。翼弦（弦長）翼弦（弦長）：連接翼型前后緣的直線：連接翼型前后緣的直線段（段（AB)，為弦線，長度為，為弦線，長度為t。葉片根部。葉片根部剖面的翼型弦長稱根弦，尖部剖面翼型剖面的翼型弦長稱根弦，尖部剖面翼型弦長稱尖弦。弦長稱尖弦。風(fēng)輪風(fēng)輪：多個(gè)葉片固定在輪轂上就構(gòu)成了：多個(gè)葉片固定在輪轂上就構(gòu)成了風(fēng)輪。風(fēng)輪。旋轉(zhuǎn)平面旋轉(zhuǎn)平面：與風(fēng)輪軸垂直，由葉片上距：與風(fēng)輪軸垂直，由葉片上距風(fēng)輪軸線坐標(biāo)原點(diǎn)等距的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)切線構(gòu)風(fēng)輪軸線坐標(biāo)原點(diǎn)等距的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)切線構(gòu)成的一組相互平行的平面。成的一組相互平行的平面。

5、風(fēng)輪直徑風(fēng)輪直徑(D)：風(fēng)輪掃掠圓面對直徑。：風(fēng)輪掃掠圓面對直徑。風(fēng)輪的輪轂比風(fēng)輪的輪轂比(Dh/D)：風(fēng)輪輪轂直徑：風(fēng)輪輪轂直徑Dh與風(fēng)輪直徑之比。與風(fēng)輪直徑之比。二二 葉輪的幾何定義與參數(shù)葉輪的幾何定義與參數(shù)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面rR葉片長度葉片長度(H)：葉片的有效長度，：葉片的有效長度，H=(D-Dh)/2。葉片數(shù)葉片數(shù)(z)：風(fēng)力渦輪的葉片數(shù)目。：風(fēng)力渦輪的葉片數(shù)目。葉素葉素：風(fēng)輪葉片在風(fēng)輪任意半徑：風(fēng)輪葉片在風(fēng)輪任意半徑r處的處的一個(gè)基本單元。它是由一個(gè)基本單元。它是由r處翼型剖面的處翼型剖面的延伸一小段厚度延伸一小段厚度dr而形成。而形成。U(1-a)rrr貝茲極限貝茲極限 風(fēng)

6、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)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。那么風(fēng)能把多大的能量轉(zhuǎn)交給風(fēng)輪呢，從理論上講最大值為59.3%，這也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)的最大值，稱為貝茲極限。目前高性能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)約為40%。 葉尖速比葉尖速比 風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱為葉尖速比。 下圖是一個(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，葉尖速比 =u/v 阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一阻力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為般為0.3至至0.6，升力型風(fēng)力機(jī)，升力型風(fēng)力機(jī)葉尖速比一般為

7、葉尖速比一般為3至至8。 在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速在升力型風(fēng)力機(jī)中，葉尖速比直接反映了相對風(fēng)速與葉比直接反映了相對風(fēng)速與葉片運(yùn)動(dòng)方向的夾角，即直接片運(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)。風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)。 實(shí)度比實(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)。 左圖為水平軸風(fēng)力機(jī)葉輪，S為每個(gè)葉片對風(fēng)的投影面積，B為葉片個(gè)數(shù)，R為風(fēng)輪半徑，為實(shí)度比， =BS/R2 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，為實(shí)度比。垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪

8、的掃掠面積為直徑與葉片長度的乘積， =BCL/2RL= BC/2R 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)，可以較高效率高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 3. 垂直軸風(fēng)力機(jī) 垂直軸風(fēng)力機(jī)的分類垂直軸風(fēng)力機(jī)的分類 垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要特點(diǎn)垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要特點(diǎn) 達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī) S型垂直軸風(fēng)力機(jī)型垂直軸風(fēng)力機(jī) 其他垂直軸風(fēng)力機(jī)其他垂直軸風(fēng)力機(jī) 直驅(qū)式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)直驅(qū)式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 3.5 垂直軸風(fēng)力機(jī) 阻力型風(fēng)力機(jī)阻力型風(fēng)力機(jī) 薩窩紐斯型（Savonius type）風(fēng)力機(jī)，選用的是S型風(fēng)輪。它由兩個(gè)半圓筒

9、形葉片組成，兩圓筒的軸線相互錯(cuò)開一段距離。其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)性能良好，但是它的轉(zhuǎn)速低，風(fēng)能利用系數(shù)低 。升力型風(fēng)力機(jī)升力型風(fēng)力機(jī) 利用翼型的升力做功，最典型的是達(dá)里厄式風(fēng)力機(jī)，其風(fēng)能利用系數(shù)最高。多種達(dá)里厄式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如型，型，H型等。這些風(fēng)輪可以設(shè)計(jì)成單葉片、雙葉片、三葉片或者多葉片。3.5.1 垂直軸風(fēng)力機(jī)的分類 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 1 1）壽命長，易維護(hù)安裝）壽命長，易維護(hù)安裝 2 2）利于環(huán)保）利于環(huán)保 3 3）無需偏航對風(fēng)）無需偏航對風(fēng) 4 4）葉片制造工藝簡單）葉片制造工藝簡單 5 5）運(yùn)行條件寬松）運(yùn)行條件寬松 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 1 1）風(fēng)能利用率）風(fēng)能利用率 2 2）起動(dòng)風(fēng)速）起動(dòng)風(fēng)速

10、3 3）增速結(jié)構(gòu)）增速結(jié)構(gòu)3.5.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要特點(diǎn) 3.5.3 達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī) 法國航空工程師達(dá)里厄（法國航空工程師達(dá)里厄（DarrieusDarrieus）在在19311931年發(fā)明了升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，年發(fā)明了升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，后人習(xí)慣把升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)統(tǒng)稱后人習(xí)慣把升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)統(tǒng)稱為達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)（為達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)（DD式風(fēng)力機(jī)）式風(fēng)力機(jī)） 葉輪由兩片垂直的葉片阻成，葉片葉輪由兩片垂直的葉片阻成，葉片截面為流線型的對稱翼型，以相反方截面為流線型的對稱翼型，以相反方向安裝在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)。向安裝在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)。 達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)困難，達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)困難，要

11、在較高的風(fēng)力下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到要在較高的風(fēng)力下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到葉尖速比為葉尖速比為3.53.5以上才可能正常運(yùn)以上才可能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在尖速比為轉(zhuǎn)，在尖速比為4-64-6可獲較高的功可獲較高的功率輸出。下圖為達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的功率輸出。下圖為達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線。率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線。 達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)對葉片截面達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)對葉片截面形狀（翼型）選擇與外表光潔形狀（翼型）選擇與外表光潔度要求比較高。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)度要求比較高。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)不能單靠風(fēng)力自起動(dòng)，必須依不能單靠風(fēng)力自起動(dòng)，必須依靠外力起動(dòng)使葉尖速比達(dá)到靠外力起動(dòng)使葉尖速比達(dá)到3.53.5以上時(shí)才能依靠升力運(yùn)轉(zhuǎn)。以上時(shí)才能依

12、靠升力運(yùn)轉(zhuǎn)。典型的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)翼片不是典型的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)翼片不是直的，而是彎成弧形，兩翼片直的，而是彎成弧形，兩翼片合成一個(gè)合成一個(gè) 形。形。 3.5.4 S型垂直軸風(fēng)力機(jī) 1）S S式阻力差風(fēng)力機(jī)式阻力差風(fēng)力機(jī) 2 2）薩渥紐斯）薩渥紐斯(Savonius)(Savonius)風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)3 3）塞內(nèi)加爾式風(fēng)力機(jī)）塞內(nèi)加爾式風(fēng)力機(jī) 4) 4) 風(fēng)杯式阻力差風(fēng)力機(jī)風(fēng)杯式阻力差風(fēng)力機(jī) 1）S S式阻力差風(fēng)力機(jī)式阻力差風(fēng)力機(jī) 兩個(gè)半圓柱面的葉片，一個(gè)凸面向風(fēng)，另一個(gè)凹面向風(fēng)，顯然在相同風(fēng)力下后者對風(fēng)的阻力比前者大。 當(dāng)垂直方向有風(fēng)時(shí)，凹面向風(fēng)的半圓柱面受到的風(fēng)阻力要比凸面向風(fēng)的半圓柱面大，兩側(cè)的阻

13、力差將使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)風(fēng)向與兩半圓柱面直徑方向夾角很當(dāng)風(fēng)向與兩半圓柱面直徑方向夾角很小時(shí)，靜止的葉輪不能起動(dòng)，為防止這個(gè)小時(shí)，靜止的葉輪不能起動(dòng)，為防止這個(gè)死角，也為轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，死角，也為轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，S S式風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子一式風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子一般由上下兩組葉片阻成，在水平方向相互般由上下兩組葉片阻成，在水平方向相互垂直安裝。垂直安裝。 風(fēng)葉也可以是螺旋狀，同樣可防死風(fēng)葉也可以是螺旋狀，同樣可防死角，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，也很美觀角，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，也很美觀 2 2）薩渥紐斯薩渥紐斯(Savonius)風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī) 這個(gè)S式風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子（葉輪）兩個(gè)半圓柱面葉片對稱安裝在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)，柱面朝向相反，兩個(gè)半圓柱面葉片部分交錯(cuò)。半圓

14、柱面葉片直徑為d，交錯(cuò)距離為e。 當(dāng)風(fēng)吹向葉輪時(shí)由于阻力差會(huì)旋當(dāng)風(fēng)吹向葉輪時(shí)由于阻力差會(huì)旋轉(zhuǎn)，而且凹面部分氣流會(huì)通過交轉(zhuǎn)，而且凹面部分氣流會(huì)通過交錯(cuò)的空隙進(jìn)入凸面背后，轉(zhuǎn)折的錯(cuò)的空隙進(jìn)入凸面背后，轉(zhuǎn)折的氣流能抵消部分凸面的阻力，可氣流能抵消部分凸面的阻力，可提高風(fēng)機(jī)的效率?？障短岣唢L(fēng)機(jī)的效率?？障秂 e過大也過大也會(huì)降低效率，當(dāng)會(huì)降低效率，當(dāng)e/d=0.17e/d=0.17時(shí)效時(shí)效果最好，如果空隙果最好，如果空隙e e中有轉(zhuǎn)軸，中有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸要細(xì)并要適當(dāng)增大空隙。轉(zhuǎn)軸要細(xì)并要適當(dāng)增大空隙。兩個(gè)半球面杯對稱安裝在轉(zhuǎn)軸兩兩個(gè)半球面杯對稱安裝在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)，球面方向相反。一個(gè)凸面向側(cè)，球面方向相反。一個(gè)

15、凸面向風(fēng)，另一個(gè)凹面向風(fēng)，顯然在相風(fēng)，另一個(gè)凹面向風(fēng)，顯然在相同風(fēng)力下后者對風(fēng)的阻力比前者同風(fēng)力下后者對風(fēng)的阻力比前者大。大。 4 4）風(fēng)杯式阻力差風(fēng)力機(jī)風(fēng)杯式阻力差風(fēng)力機(jī) 為接收更多的風(fēng)力，風(fēng)杯要大又要簡單結(jié)實(shí)，可做成是弧面的風(fēng)為接收更多的風(fēng)力，風(fēng)杯要大又要簡單結(jié)實(shí)，可做成是弧面的風(fēng)杯，如圖中右面的風(fēng)力機(jī)，不過阻力差一般為杯，如圖中右面的風(fēng)力機(jī)，不過阻力差一般為2 2倍左右。多個(gè)半球倍左右。多個(gè)半球面組成多層結(jié)構(gòu)也是好辦法，如圖中左面的風(fēng)力機(jī)就由多個(gè)錐形面組成多層結(jié)構(gòu)也是好辦法，如圖中左面的風(fēng)力機(jī)就由多個(gè)錐形風(fēng)杯構(gòu)成。風(fēng)杯構(gòu)成。3.5.5 其他垂直軸風(fēng)力機(jī) （1 1）升力阻力結(jié)合式垂直軸風(fēng)力

16、機(jī)）升力阻力結(jié)合式垂直軸風(fēng)力機(jī)（2 2）葉片可擺動(dòng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)）葉片可擺動(dòng)的垂直軸風(fēng)力機(jī) （3 3）葉片可擺動(dòng)的離心力調(diào)節(jié)葉片攻角垂直軸風(fēng)力機(jī)）葉片可擺動(dòng)的離心力調(diào)節(jié)葉片攻角垂直軸風(fēng)力機(jī) 3.5.6直驅(qū)式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 一個(gè)永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)模型，是多極發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)與水輪發(fā)電機(jī)一個(gè)永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)模型，是多極發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)與水輪發(fā)電機(jī)類似，只是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁采用永久磁體。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在定子繞組中產(chǎn)生電類似，只是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁采用永久磁體。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在定子繞組中產(chǎn)生電流輸出。流輸出。 發(fā)電機(jī)安裝在鋼結(jié)構(gòu)的塔架基座上，塔架基座的柱與梁還要支持塔架與發(fā)電機(jī)安裝在鋼結(jié)構(gòu)的塔架基座上，塔架基座的柱與梁還要支持塔架與風(fēng)輪。風(fēng)輪。塔架安裝在塔架基座上。塔架安裝在塔架基座上。風(fēng)輪在塔架頂端，風(fēng)輪軸通風(fēng)輪在塔架頂端，風(fēng)輪軸通過傳動(dòng)軸連接發(fā)電機(jī)，發(fā)電過傳動(dòng)軸連接發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪同