风力机的工作原理

! 升力与阻力 当气流流经如图 ! 所示的翼型叶片时，叶 片上面气流速度增高，压力下降，叶片下面几乎 保持原来的气流压力，于是叶片受到了向上的 作用力 !。此力可分解成与气流方向平行的力 "# （称为阻力）和与气流方向垂直的力 "$（称为升 力）。 （!）升力的计算公式 图 !中气流对叶片的作用力 !用下式计算： "% !& !’()* & （!） 式中：*———吹向叶片的风速； !———空气密度； ’(———叶片总空气动力系数； )———叶片的最大投影面积。 叶片的升力"$与阻力 "#按下式计算： "$% ! & !’$)* & （&） "#% ! & !’#)* & （+） 式中：’$———升力系数； ’#———阻力系数。 ’$与 ’#均由试验求得。 由于 "$与"#相互垂直，所以 "$&,"#&%" & （-） 并且 ’$&,’#&%’& （.） 对于同一翼型，其升力系数与阻力系数之比 值，称为它的升阻比 "。 "%’$ / ’# （0） （&）影响升力系数与阻力系数的因素 影响升力系数与阻力系数的主要因素有翼 型、攻角、雷诺数和粗糙度等。 "翼型的影响 图 & 所示为 + 种不同横截面形状（翼型）的 叶片在气流中的升力和阻力。 当气流由左向右吹过，对于不同的翼型产生 的升力与阻力不同。平板型阻力1弧板型阻力1流 线型阻力；流线型升力1弧板型升力1平板型升 力。相对应的 ’$与 ’#值亦如此。 23 技 术 讲 座可再生能源 &4405&（总第 !&0 期） 图 ! 气体流经翼型叶片的受力示意图 风 力 发 电 技 术 讲 座（二） 风 力 机 的 工 作 原 理 姚兴佳，王士荣，董丽萍 （沈阳工业大学 风能技术研究所，辽宁 沈阳 !!44&+） 中图分类号：670!- 文献标识码：8 文章编号：!03!9.&:&（&440）4&9442394+ 收稿日期：&44094&9!. 作者简介：姚兴佳（!:-:9）;男，教授，博士研究生导师，长期从事风能利用技术的研究工作，国家“20+”项目主持人，是享受国务院政府特 殊津贴的专家。 图 " # 种不同翼型叶片的升力和阻力 !! 技 术 讲 座 "#$#%&’(# #$#")* $+,- -../ 01-/ 23345 67 &889 图 ! 风轮叶片的攻角 图 " !"和 !#与攻角 !的关系 !攻角的影响 气流方向与叶片横截面的弦长 ( 的夹角 " 称为攻角，也称迎角，其值正、负如图 :所示。;*与 ;<随 "的变化情况如图 =所示。 当攻角 " 值在一定范围内变化时，升力随 攻角的增加而变大，阻力也在变化；当攻角 " 值增加到某一临界值时，升力达到最大值（即 ;*!;*>?@）；当 " 值再增大时，升力突然开始下 降，同时阻力也急剧增加，这种现象称为“失 速”。产生失速的根本原因，是气体的比较有规 则的流线与翼型后上部（见图 :A-A= 之 B 处） 的轮廓分离，并在分离区形成涡流，使翼型上下 压差变小。 #雷诺数的影响 空气流经叶片时，气体的粘性力将表现出 来，这种粘性力可以用雷诺数 "5表示： "5C D( $ （E） 式中：D———吹向叶片的空气流速； (———翼型弦长； $———空气的运动粘性系数，$C% F &（% 为空 气的动力粘性系数，&为空气密度）。 "5值越大，粘性作用越小，;*值增加，;<值减 小，升阻比 ! 值变大。 ’叶片表面粗糙度的影响 叶片表面不可能做得绝对光滑，我们把凹凸 不平的波峰与波谷之间高度的平均值称为粗糙 度。波峰与波谷之间高度的平均值大，阻力增加， ;<值高，但是粗糙度对 ;*值的影响不大。制造叶 片时应尽量使叶片表面平滑，避免产生过大的摩 擦阻力。 # 风力机的类型 国内外风力机的结构形式繁多，从不同的角 度有多种分类方法。 (按风轮轴与地面的相对位置，分为水平轴 式风力机和垂直轴（立轴）式风力机。 !按叶片工作原理，分为升力型风力机和阻 力型风力机。 #按风力机的用途分类，有风力发电机、风 力提水机、风力铡草机、风力脱谷机等。 ’按风轮叶片的叶尖线速度与吹来的风速 之比的大小来分，有高速风力机（比值大于 :）和 低速风力机（比值小于 :）；也有把该比值 -GH 者 称为中速风力机。 )按风机容量大小分类：国际上通常将风力 机组分为小型（1.. I% 以下）、中型（1..G1 ... I%）和大型（1 ... I%以上）: 种；我国则分成微 型（1 I% 以下）、小型（1G1. I%）、中型（1.G1.. I%）和大型（1.. I% 以上）= 种；也有的将 1 ... I%以上的风机称为巨型风力机。 *按风轮相对于塔架的位置，分为上风式 （前置式）风力机和下风式（后置式）风力机。 +按风轮的叶片数量，分单叶片、双叶片、三 叶片、四叶片及多叶片式风力机。 现在各国应用较多的是水平轴、升力型和少 叶式的风力发电机（多数为 -G: 个叶片），本讲座 将侧重介绍此类风力发电机。 ! 风力机的基本工作原理 风力机的基本功能是利用风轮接收风能，并 将其转换成机械能，再由风轮轴将它输送出去。 风力机的工作原理：空气流经风轮叶片产生升力 或阻力，推动叶片转动，将风能转化为机械能。 尽管风力机的类型很多，但是普遍应用的是 水平轴和垂直轴两大类。国内外普遍应用的风力 机以水平轴升力型居多。下面重点介绍水平轴升 力型和垂直轴阻力型风力机的基本工作原理。 图 ! 风力转换成叶片的升力与阻力 图 " 垂直轴式 #型叶片风轮 !""# 年，美国的风能产业得到了前所未有的发 展。据美国风能协会透露，!""# 年美国安装风力发电 机组的容量为 ! #"" $%，这些风力发电机组所产生 的电力足够美国 &" 万家庭同时使用。目前美国各州 都在考虑利用风能发电来推动本州经济的发展。 然而，美国的风能市场并不像有些人想象的那样 前景光明。由于一些地区的电力传输容量一直没有提 高，目前的电力传输网已经不能承受更多的电力负 荷，这些地区只可能建造少数几座风力发电机组。虽 然美国政府计划在此地区建造更多的电力传输线以 满足日益增长的电力需求。但是由于有关机构互相推 委，使该计划的实 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 作一拖再拖。另外，由于美国政 府对风力发电机组生产规模的扩大没有相关的优惠 政策，致使风力发电机组的生产量急剧下降。 （李 兵 译自美国《今日美国报》!""#’(’!&） $%%! 年美国的风力发电 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " )* 技 术 讲 座可再生能源 !""(+!（总第 ,!( 期） （,）升力型风力机的工作原理 图 #所示是水平轴风力机的机头部分。风轮 主要由两个螺旋桨式的叶片组成。风从左方吹 来，叶片产生的升力 -! 和阻力 -. 。阻力是风对 风轮的正面压力，由风力机的塔架承受；升力是 推动风轮旋转的动力。 现代风力发电机的叶片都制成螺旋桨式的， 其原因如下所述。 风以 / 的速度吹向风轮旋转平面0 风轮以 ! 角速度旋转，风相对翼型的风速为 /"1!"2/ 假如相对风速 /3 与翼型的弦的夹角 " 是最 佳攻角值，此时的升力系数为 45678（参阅图 9，" 约为 ,!:,9;），这是我们所希望的。然而，由于叶 片各截面的旋转半径 " 不同，因此，各截面的相对 风速 /"也不同，甚至在某些截面上升力系数为负 值。所以，要把叶片制成沿叶片长度方向呈扭曲 的螺旋状，让整个叶片由根部到尖部各截面翼型 的弦与对应处的相对风速 /"大致相同，并应使其 在最佳攻角值附近。使风力尽可能多的转换成叶 片的升力。此升力由叶柄传给风轮轴，再由风轮 轴将机械能输送出去。 （!）阻力型风力机的工作原理 图 ( 所示为垂直轴阻力型风力机的风轮，它 主要由 <个曲面叶片组成。 当风吹向风轮，叶片产生阻力，驱动风轮作逆 时针方向旋转（顶视）。凹下的叶片驱动风轮旋转， 凸起的叶片阻碍风轮的转动，每个叶片产生的阻 力值 -=可按下式计算： -=1 , ! #（/!#） !>?4= （)） 式中：#———空气密度； /———风速； #———叶片线速度，在半径方向线速度的平 均数； >?———叶片的最大投影面积（宽度@高度）； 4=———叶片阻力系数，对于由 ! 个曲面叶片 组成的风轮，凹下的叶片的4= 值可取为 ,+"；凸起 的叶片的 4= 值为 "+,!:"+!#。 在计算-= 时0式中的“A”号的选取：对风凹下 的叶片（右面）取“’”；对风凸起的叶片（左面）取 “2”。 这种垂直轴阻力型风力机，凹下的叶片产生 的阻力大于凸起叶片产生的阻力，风轮自然是按 逆时针方向旋转。当然，若把吹向风轮左面的风 挡住，使凸起的叶片不被风吹，更有助于风轮的 转动。 （连载待续）