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  叶片的气动特性与结构         
叶片的气动特性与结构
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叶片的气动特性与结构

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。

下图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。

翼型的攻角

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。见下图

攻角超过失速迎角后翼型开始失速

翼型什么时候开始失速,下图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。

翼型的升力曲线与阻力曲线

叶片的结构

在下图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。

翼型的浆距角

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。下图是一个风力机叶片,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。

风力机叶片截面图

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。

有三个叶片的风轮

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