风力发电技术讲座-风力机的工作原理

1、可再生能源（总第!&0期）&4405&技术讲座风力发电技术讲座（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+!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$力）。阻力系数。#$与#均由试验求得。由于&q

2、uot;$与"#相互垂直，所以"$&,"#&%"&并且（-）（.）$&,#&%&值，称为它的升阻比"。对于同一翼型，其升力系数与阻力系数之比"%$/#（&）影响升力系数与阻力系数的因素（0）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。图!气体流经翼型叶片的受力示意图"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。（!）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

3、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"$与阻力"#按下式计算：!（&）"$%!$)*&!（+）"#%!#)*&式中：升力系数；$图"#种不同翼型叶片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。收稿日期：&44094&9!.作者简介：姚兴佳（!:-:9）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

4、政府特;男，殊津贴的专家。23技术讲座!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"#$#%&(#$#")*$+,-./01-/2334567&889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，但是粗糙度对;*值的影响不大。制造叶;<值高，片时应尽量使叶片表面平滑，避免产生过大的摩擦阻力。;<随"的变化情况如图=所示。#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

5、类方法。分为水平轴(按风轮轴与地面的相对位置，式风力机和垂直轴（立轴）式风力机。图!风轮叶片的攻角分为升力型风力机和阻!按叶片工作原理，力型风力机。风#按风力机的用途分类，有风力发电机、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。图"!"和!#与攻角!的关系当攻角"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;*!;*&

6、gt;?）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。国际上通常将风力)按风机容量大小分类：机组分为小型（1.I%以下）、中型（1.G1.和大型（1.I%以上）我国则分成微I%）:种；型（1I%以下）、小型（1G1.I%）、中型（1.G1.和大型（1.I%以上）也有的将1.I%）=种；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。分单叶片、双叶片、三+按风轮的叶片数量，叶片、四叶片及多叶片式风力机。现

7、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。#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：!（E）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"5CD(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。式中：吹向叶片的空气流

8、速；D翼型弦长；(空气的运动粘性系数，（%为空$C%F&气的动力粘性系数，。&为空气密度）粘性作用越小，"5值越大，;*值增加，;<值减小，升阻比!值变大。!可再生能源（总第,!(期）!""(+!技术讲座图(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：（,）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-

9、!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。-=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）；>?叶片阻力系数，对于由!个曲面叶片4=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

10、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）图!风力转换成叶片的升力与阻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

11、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!"!""#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