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。

翼型正常运行时的气流图

图1--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。

翼型在失速时的气流图

图2--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,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。

翼型的升力曲线与阻力曲线

图3--翼型的升力曲线与阻力曲线

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。

风力机的专用翼型

图4--风力机的专用翼型

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。

翼型的浆距角

图5--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。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。

风力机叶片不同部位截面图

图6--风力机叶片不同部位截面图 

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,见图7。

有三个叶片的风轮

图7--有三个叶片的风轮

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。

风力机叶片扭转角

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。

风力机叶片不同部位的截面与扭角图

图8--风力机叶片不同部位的截面与扭角图
 
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