风电叶片空气动力学

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1、风电叶片空气动力学风电叶片的形状设计均出自于对以最低成本获取最高效能的考虑。基本上，设计必须满足空气动力学要求，但经济性要求意味着叶片形状同样要保证成本架构的合理性。特别需要提到的是，越接近根部，叶片弯曲程度越大，结构应力也达到最大，叶片实际厚度比理想的空气动力学设计更厚。叶片设计往往开始于一个“理想的猜测”，这个“猜测”将空气动力学与结构效率有机地结合起来；同时，材料和制造工艺的选择对能否把叶片做“薄”（理想的空气动力学设计）也有很大影响。例如，对比碳纤维预浸料和灌注的玻璃纤维，前者强度高刚性好，优势十分明显。

2、当在既定的动力学形状上施加更高载荷时，许多设计问题将会显现出来，此时，设计者需要重新计算空气动力学性能，这些问题则可以帮助设计者优化翼形。风能很显然，对风的了解是风电叶片设计的基础。风所蕴含的能源与风速成立方关系，即双倍的风速会使风能增加八倍，这就是风场谨慎选址的原因：风速低于5米/秒(10英里/小时)的风场无法获得足够的有用的能量；相反地，将风机安装在大风较多的地方，虽然风速很高时风机可以捕获较多风能，但其余时间效率很低，这也是对风机设备的浪费。因此，理想的风场应该选在常年有风的地区，而且在这里风机既可以利用大

3、部分低速风发电，又可以经受最强风的考验。由于地表特征、热蒸汽和天气变化，地表气流变幻莫测，因此，风不仅是每天在变化，而是每时每刻都在变化；而且，越是远离地表，风力越强。所有这些都将引起加载在叶片上的载荷发生波动，叶片设计及结构都需要经受无法预测的考验，这远比理想状态复杂得多。风机除了捕获风能外，对附近的气流会产生一定的影响：气流经过叶片进入背风带后运动速率减小。因为叶尖形成的圆盘扫风区，风速甚至在靠近叶片时已经开始下降，也减少了可利用的风能。部分风吹向圆盘扫风区时，围绕着缓慢移动的气流发生转向，最终完全无法被风机

4、获取。因此，不同的扫风圆盘直径均有最佳捕风量：捕风量过大会导致风速减少过多，相应地，可利用的风能也会减少。理想的状态是经过风机后，风速下降背风区风速的三分之二，这样才有可能捕获最大可达59%（理论值）的风能，即所谓的Betz极限。实际应用中，目前的设计仅能达到40-50%。叶片数量对每个风机而言，捕获风能的能力固定且有限，这意味着：首先，叶片数量越多，每支叶片捕获的风能越少；此外，叶片也必须足够窄，以保证其空气动力学效率。这里需要介绍一个概念，就是“实度”，即叶片的面积占总扫风面积的比例。在给定的叶尖速度下，叶片

5、存在理论最佳实度，叶片数量越多，叶片宽度就必须越窄。实际风机中，实度的值非常低，因此，即使只有三支叶片，每支也必须非常窄；同时，这也导致叶片被设计得非常薄，当然薄叶片也是为了减小叶片运行中的空气阻力。进一步需要考虑的是，薄叶片所带来的制造技术的挑战和制造成本的压力。鉴于以上原因，大型风电设备中叶片数量都不会多于三。WEHandbook-2-AerodynamicsandLoads另一个影响叶片数量的因素是审美学，三支叶片的风机比两支叶片或一支叶片在视觉上更容易被接受。叶片如何捕获风能如飞机机翼一样，风电叶片因其

6、翼型设计产生的升力而持续运转。空气在翼型的曲面产生的压力较小，在另一面产生较大压力，两个力合成后即为垂直于空气流动方向的升力。升力合力几何攻角阻力风向升力和阻力向量叶片轴向与风向夹角越大，其受到的升力也越大，这个夹角被称为几何攻角。当几何攻角增达到一定程度，叶片会停止转动，升力也会降低，故存在产生最大升力的最佳几何攻角。叶片在高、中、低几何攻角下的升力和阻力在受到升力作用的同时，叶片还受到阻碍其运动的阻力。阻力平行于风向，也随着几何攻角的增加而增大。如果翼型设计较好，升力降远大于阻力，但是几何攻角过大，特别是叶片

7、停转时，阻力会急剧增大。因此，在几何攻角略小于获得最大升力的攻角时，叶片达到最大的升力/阻力比。最佳工作点即介于两个角度之间。从图示可以看出，阻力是处于背风方向而且与叶片轴向平行，它仅产生“推力”，既然WEHandbook-2-AerodynamicsandLoads2如此，阻力似乎并不会使叶片转速增大或减小。当叶片处于静止状态时，事实的确如此。但叶片自身的不断运动意味着，风对叶片而言将从另一个方向吹来，这里的风被称为可视风。可视风要大于真实的风，角度则不利于叶片转动，也就是说，它使升力和阻力的角度发生旋转，从而

8、降低了升力增加了阻力对叶片的作用。这也意味着升力对叶片受到的推力也有贡献。升力和阻力向量从以上的描述中可以得出：可视风的存在导致叶片必须旋转更大的角度，以保持最佳几何攻角。叶片扭角越接近叶片尖部，叶片转速越快，可视风角度也越大，因此，叶片尖部旋转角度比根部更大。换言之，叶片延长度方向出现了扭曲。通常，从根部到尖部，扭角为10-20°。扭角的存在使叶片的制作更加困难。叶片扭