叶片的气动特性与结构 |
| Aerodynamics the Blades |
| 叶片的升力与失速 |
在风力机基础知识一节中介绍过叶片的升力与阻力，本节就水平轴风力机叶片的气动特性作进一步介绍。 图1是一个运行中的叶片截面气流图，我们称这个截面为翼型，翼型弦线与气流方向的夹角（攻角）为α，正常运行时气流附着翼型表面流过，靠近翼型上方的气流速度比下面的气流速度快，根据流体力学的伯努利原理，翼型受到一个上升的力Fl，当然翼型也会受到气流的阻力Fd。 |
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| 这是正常的工作状态，有较大的升力且阻力很小。但翼型并不是在任何情况下都能产生大的升力。如果攻角α大到一定程度，气体将不再附着翼型表面流过，在翼型上方气流会发生分离，翼型前缘后方会产生涡流，导致阻力急剧上升而升力下降，这种情况称为失速，发生转变的临界角度称之为临界迎角或失速迎角，见图2。 |
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| 翼型什么时候开始失速，图3是一种翼型的升力系数与阻力系数随攻角的变化曲线，这是工作在理想状态下的曲线，与多数薄翼型较接近，图中绿色的是升力曲线、棕色的是阻力曲线。在曲线中可看出，攻角α在15度以下时升力随α增大而增大，当攻角α大于15度时开始失速，升力骤然下降，阻力大幅上升，在α等于45度时升力与阻力基本相等。 |
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以上翼型的升力曲线与阻力曲线是在气流平稳，翼型攻角变化缓慢时的曲线，在此种条件下产生的失速称为静态失速；如果气流有湍流、涡流，翼型攻角变化快，升力曲线与阻力曲线会有较大变化，在这种条件下产生的失速称为动态失速，在关于NACA0012翼型的课件对动态失速有简单介绍。有关翼型升力与阻力原理的更多介绍见叶片的空气动力学基础课件。 |
| 风力机的翼型 |
早期风力机多采用NACA系列翼型，但风力机是大型旋转机械，其叶片与飞机翼有许多不同，为保证机械强度，叶片靠根部附近的厚度要大，但阻力又不能太大；对整个叶片要求就是最大升力系数大、升阻比高、失速时气动性能稳定、气动性能对叶片前缘表面粗糙变化敏感性低等。于是20世纪80年代中期开始，一些风能技术发达的国家研究开发了各自的风力机专用翼型系列，其中代表性的有美国的NREL S翼型系列、丹麦的RISO翼型系列、瑞典的FFA-W翼型系列、荷兰的DU翼型系列，国内也开发了WA系列。 下面在《现代陆海风力机计算与仿真》书中扫描一张图片，见图4，图片显示了NREL S翼型在风力叶片机各部位的应用。 |
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叶片的结构 |
| 在图5中的翼型弦线与翼型前进方向有一固定的夹角β称为桨距角，相对翼型的风速是外来风速v与翼型线速度u合成的相对风速w，相对风速w与翼型弦线间的夹角α是翼型的攻角。要尽量让翼型工作在失速前的攻角以获得最大的升力与较小的阻力。对于一定的风速v与一定的线速度u选择合适的翼型桨距角β以获得最合适的攻角α。 |
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实际的叶片是绕轴旋转运动的，沿叶片长度方向不同截面的线速度u是不同的，叶尖处最快、靠叶根处最慢。对于同样的风速v，在叶尖处相对风速与风轮平面夹角最小、在叶根处相对风速与风轮平面夹角最大，为了使叶片各段都能工作在较好的攻角，叶片必须做成扭转的。图6是一个风力机叶片，叶片上绘有各段的截面（浅绿色），每个截面两端有该截面弦线的延长线（橙红色），以叶片端截面弦线为水平（水平线为白色），可看出各截面弦线与水平面的夹角，在靠叶根处的夹角最大。 |
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叶片在风轮上的安装角度在靠叶尖处与风轮旋转平面的夹角最小，在靠叶根处的夹角最大，见图7。 |
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这个扭转角有多大，对于不同的风力机与叶片的值不同，但对于大中型风力机相差不大。下面附表的数据来自《风力机设计、制造与运行》一书，表中数据是一个半径约40m的风轮，其叶片在不同半径处的扭转角。该角度是最佳运行风速为8m/s时的设计优化值。 |
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另外，在《现代大型风力机设计原理》书中扫描一张图片供参考，见图8，图中绘出了某种风力机的叶片在不同部位（半径）的截面示意图，小数字是叶尖部分，大数字是叶根部分。 图中叶片的翼型是NREL S翼型系列。 |
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