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第十、十一讲叶片的设计理论

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一、风力发电机风轮技术的发展

一、风力发电机风轮技术的发展

风轮是风力发电机吸收风能的关键部件，把风能转化成机械化能是由风力机的风轮完成的，它直接决定风力发电机的重要性能指标—风能利用系数。因此，风轮设计极为重要，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。1888年，美国的Charles

F．Brush制成了世界上第一个用于发电的风力发电机，叶片采取平板设计，所以效率较低。

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1891年，丹麦的PoulLaCour教授首先将气体动

力学引入风力发电机的研究，是世界上第一个利用风洞实验研究风力发电机的科学家，为设计和制造性能良好的风力发电机开辟了新途径。

20世纪初，空气动力学的蓬勃发展和飞机的发明

使人们对叶片的气动设计更为重视。

1925年，美国的雅克布斯风力发电机生产厂发明

了三叶片螺旋桨型叶轮，使水平轴叶轮的效率及

性能均得到了较大提高。

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随着风电技术的发展，风力发电机叶轮技术也在迅速发展。在空气动力学方面最重要的发展是进行新型风力发电机专用翼型的研究，目前美国、瑞典和丹麦等风能技术发达国家都发展各自的翼型系列，这些翼型系列各具特点。

美国的SERI系列翼型具有较高的升阻比和一定的最大升力系数,失速时对翼型表面的粗糙度敏感性低,而NREL系列翼型能有效减小由于桨叶表面粗糙度增加而造成的风轮性能下降,并且能增加能量输出和改善功率控制；

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丹麦的RISФA系列翼型在接近失速时具有较大的升阻比,并且具有对前缘粗糙度的不敏感性；

瑞典的FFA-W翼型系列具有较高的最大升力系数和升阻比,并且在失速工况下具有良好的气动性能。

同时,采用柔性叶片也是一个发展方向,利用新型材料进行设计制造,使其根据风况的变化能够改变空气动力型面,从而改进空气动力性能和叶片受力状况,增加可靠性和对风能的捕获量。

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另外在开发新的空气动力装置上也进行了大量尝试,如在水平轴风力机叶端加一小翼以增加风力机的功率输出。

对于叶片的材料,随着叶片尺寸的不断增大,主要朝大型化和轻量化的方向发展,由最初的木质品逐步过渡到玻璃钢,现在采用碳纤维复合材料

(CFRP)的大型叶片制造技术是大型风力机制造的关键技术之一。

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风轮的组成部件，主要是叶片。风力发电机的风轮，一般是由2-3片叶片组成的。为了理解叶片的功能，即它们是怎样将风能转变成机械能的，必须懂得有关翼型的空气动力学知识。

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风力机空气动力学的基本概念

叶片翼型的几何形状与空气动力特性

风轮的组成部件，主要是叶片。风力发电机的风轮，一般是由2-3片叶片组成的。为了理解叶片的功能，即它们是怎样将风能转变成机械能的，必须懂得有关翼型的空气动力学知识。

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现代风力发电机风轮叶片的剖面形状如图1所示。先考虑一个不动的翼型受到风吹时的情况。风的速度为矢量，方向与翼型平面平行，有关翼型几何形状定义如下：

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VL

V

L

θα

M

θ

A

i

N

B

图1叶片的剖面形状

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翼型的尖尾点B为后缘，圆头上A点称为前缘。连接前、后缘的直线AB=l,称为翼弦。AMB为翼型上表面，ANB称为翼型下表面。从前缘到后缘的虚线叫做翼型的中张线。迎角i是翼型与来流速度矢量之间的夹角。

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下面考虑风吹过叶片时所受的空气动力。翼剖面

上的压力分部如图2所示。上表面压力为正，下表

面压力为负，下表面压力为正。合力如图3所示。

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低压

高压

图2翼剖面上的压力

图3翼剖面上的合力

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合力可用下式表达：

式中：p

SCr

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F=2pCrSV

—空气密度，kg/m3；

—叶片面积=叶片长×翼型，m2；—总的气动力系数。

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这个力可以分解为两个分力：

垂直于气流速度的分力——升力

平行于气流速度的分力——阻力

FLFd

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FL和Fd可用下式表示：

CL和Cd分别别为翼型的升力系数和阻力系数。由于这两个力互相垂直，所以

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图4翼剖面的升力系数随攻角变化的曲线

图4翼剖面的升力系数随攻角变化的曲线

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图5翼剖面的阻力系数随攻角变化的曲线

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假设将受影响的空气与那些没有经过风轮圆盘、没有减速的空气分离出来，那么就可以画出一个包含受到影响的空气团的边界面，该边界面分别向上游和下游延伸，从而形成一个横截面为圆形的长的气流管（如图6所示）。

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如果没有空气横穿边界面，那么对于所有的沿气流管流向位置的空气质量流量都相等。但是因为