葉輪空氣動力簡介朱雨2008.02新疆金風科技股份有限公司前言風力發電的原理是利用風力帶動風機葉輪旋轉（風能轉換成機械能），再通過傳動軸驅動發電機產生電能（機械能轉換成電能）。因此，風機葉輪效率的高低直接影響了發電系統產生電能的多寡。本次課程將對風機葉輪系統涉及的主要空氣動力學理論和技術作一簡單介紹，以供參考。 一、影響風機性能的重要幾何參數 二、風機葉片性能分析技術 三、風機葉片上的流場控制裝置影響風機性能的重要幾何參數1、葉片數B

風機葉片數目是風力發電機組最直觀的特征。目前被普遍采用的形式是三葉片。

一葉、二葉、三葉風機示意圖 不同葉片數、葉尖數比與風能利用系數關系圖影響風機性能的重要幾何參數由圖可以看出：隨著葉片數的增加，其效率也在增加，但增加的幅度在逐漸減小。這意味著當葉片數增加到一定程度之后，其效率增加所帶來的好處將無法彌補相對需增加的制造成本；隨著葉片數的減少，其最佳葉尖速比在增加。這意味著當葉片數減少，轉速需增加以產生相同的旋轉動能，但轉速增加則意味著噪音問題更加嚴重（風機噪音與葉尖速度的5次方成正比）。影響風機性能的重要幾何參數2、葉片外形風機葉輪效率與葉片外形直接相關。 葉片外形主要包括兩部份：槳距角分布(r)和弦長分布c(r)。影響風機性能的重要幾何參數理想的槳距角分布將使葉片在設計葉尖速比運轉時，其升力與阻力之比達到最大。為達此目的，通常槳距角的分布會沿徑向作變化。最佳槳距角分布可以由當地的入流角和最佳攻角計算得到：與槳距角相關聯的另一概念是扭轉角。某一徑向位置的扭轉角即為其槳距角與基準徑向位置槳距角之差。影響風機性能的重要幾何參數弦長分布可以通過理論推導得到代入當地最佳的軸向誘導因子就可求得最佳弦長分布。與弦長相關聯的另一概念是弦周比。某一徑向位置的弦周比即為該位置處總弦長與周長之比。影響風機性能的重要幾何參數3、翼型 在所有影響風機性能的幾何參數中，翼型幾何外形是最基本和最重要的。若將葉片沿徑向截成數段，從其橫截面看，整個葉片是由一系列不同幾何外形的翼型組成。影響風機性能的重要幾何參數影響風機性能的重要幾何參數攻角：相對氣流與翼型弦線之間的夾角槳距角：旋轉平面與翼型弦線之間的夾角入流角：相對氣流與旋轉平面之間的夾角升力：垂直于弦線方向的氣動力分量阻力：平行于弦線方向的氣動力分量垂向力：垂直于旋轉平面的氣動力分量切向力：平行于旋轉平面的氣動力分量作用在翼型上的氣動力特性將直接影響整個葉片的性能。翼型的氣動特性雷諾數的影響 影響低速翼型性能的最重要的流體因素是流體的粘性，它間接產生升力而直接產生阻力，造成流體分離。這種影響用雷諾數表示。 隨雷諾數增加，升力曲線斜率增加，最大升力系數增加，失速臨界攻角增加；最小阻力系數減小；翼型升阻比也增加 對于風機翼型，雷諾數范圍在(10~0.7)×106,這表明風機翼型通常都不運行在敏感的低雷諾數范圍。翼型的氣動特性邊界層的影響 翼型的氣動特性和翼型表面的邊界層密切相關。在低雷諾數下，翼型表面從層流邊界發展為完全分離和失速；在中雷諾數下，翼型表面從層流邊界層經過分離氣泡，再附著發展為湍流邊界層；在高雷諾數下，翼型表面從層流邊界經過轉捩發展為湍流邊界層。 不同的邊界層發展情況對翼型的氣動特性，特別是阻力特性有較大的影響。尤為顯著。翼型的氣動特性粗糙度的影響 翼型表面由于材料、加工能力以及環境的影響，使表面不可能絕對光滑，而呈凹凸不平。這些凹凸不平的波峰和波谷之間的高度的平均值稱粗糙度。 通常粗糙的型面和光滑的型面相比，翼型的升力系數降低，阻力系數增加。其程度與雷諾數和翼型的幾何外形等相關。 通常翼型前緣向后到20－30%弦長處的上下表面對翼型氣動特性影響較為明顯。翼型的氣動特性湍流度的影響 通常情況下，湍流度增加，翼型的阻力系數和最大升力系數增加，最大升阻比減小。攻角的影響 上述氣動特性大多在小攻角范圍，在大攻角情況下，其變化要復雜得多。 風機葉片的工況很寬，不僅涉及小攻角情況，而且涉及失速和大攻角范圍的升、阻特性。由于大功角的氣動特性變化復雜，純理論計算相當困難，因而大多依據相應的試驗得到較可靠的結果。風機葉輪性能分析技術1、風機葉輪性能的表示 風機葉輪的性能通常以風能利用系數表示。風機葉輪性能分析技術2、動量理論 風機葉輪吸收風能轉換為機械能的過程可以用動量理論來模擬。動量理論又稱滑流理論，其起源可以追溯到19世紀的船用螺旋槳的研究。

動量理論采用如下假設：空氣是無粘、不可壓縮的理想流體；視葉輪為一個無厚度的槳盤，流過槳盤的氣流為均勻滑流。換言之，流動是一維的。

風機葉輪性能分析技術 風速流經槳盤時，其速度值會減小，定義軸向誘導因子。在滿足質量守恒、動量守恒和Bernoulli方程的條件下可以推導出葉輪的推力系數和功率系數風機葉輪性能分析技術3、葉素理論 葉素理論最早由Drzewiwcki在19世紀末提出，是葉輪空氣動力學研究中被廣泛采用的又一經典理論 葉素理論把槳葉視作由若干個葉素構成。假設葉素的氣動載荷是準二維的，即每個葉素類似于一個二維翼型來產生氣動作用。于是，對葉素氣動載荷的計算便等同于二維翼型氣動載荷的計算。沿槳葉徑向積分就可以得整個葉片進而整個葉輪的氣動特性。風機葉輪性能分析技術 盡管作了準二維的假設，但是通過對葉素迎角的修正，葉素理論考慮了旋翼的非均勻誘導入流的三維效應。換言之，旋翼誘導速度不再假定是均勻分布的；從而，能更真實地反映誘導速度沿半徑和方位角的變化。

drr0RrUUTURdFTdFPdDdRdLUTUPU風機葉輪性能分析技術

合速度下，葉素的升力和阻力分別為： 式中翼型的升力系數Cl，阻力系數Cd取決于葉素的迎角。 葉素的垂向力和切向力分別為： 因此，對于槳葉數為Nb的葉輪系統，其拉力，扭矩和功率分別為：

風機葉輪性能分析技術4、動量——葉素理論 將動量理論應用在葉片每個葉素上，就得到了目前風機葉輪設計與分析最常用的模式： 動量——葉素理論（BEM） 動量——葉素理論在針對每個葉素作性能分析的同時考慮軸向和弦向誘導速度，理論基礎相當完整。應用動量——葉素理論對葉輪性能進行分析時，最關鍵的步驟是軸向誘導因子和弦向誘導因子的求解。風機葉輪性能分析技術5、計算流體力學在葉輪性能分析中的應用

目前，計算風機葉輪流場的方法主要有拉格朗日描述和歐拉描述，分別對應于渦流理論和CFD方法。CFD方法渦流理論CFD方法以Navier-Stokes方程作為控制方程的CFD方法，因其完整的理論構架，可以充分考慮粘性的影響，計算出控制體內任意一處所有的物理信息，已經成為計算流體力學的主流。對于粘性模擬的準確性取決于合適的紊流模型。目前常用的紊流模型有k-ε模型和k-ω模型。隨著計算方法和計算機技術的發展，CFD方法得到了長足的進步，但要令人充滿信心地應用在風機葉輪分析和設計上，還需再進一步。CFD方法渦流理論渦流理論在廣義上，包括兩個問題： 內部問題：通過葉片模型對葉片渦系的分析； 外部問題：通過尾跡模型對葉輪尾跡的分析。外部問題一直是渦流理論的關注重點。其關鍵就在于葉輪尾跡模型的選取。一般地，葉輪尾跡模型可歸納為： 固定尾跡模型 預定尾跡模型 自由尾跡模型渦流理論固定尾跡模型在20世紀六、七十年代被廣泛應用于葉輪氣動特性分析。但固定尾跡未考慮尾跡的收縮和渦線的畸變，因而與實際尾跡形狀有一定差別。預定尾跡模型從流場顯示實驗出發，總結出尾跡形狀。因此它考慮了尾跡的實際收縮，在20世紀七、八十年代成為葉輪尾跡分析的有效手段。自由尾跡模型則從自由渦面不承力的思想出發，允許渦線隨當地氣流速度自由移動。它充分考慮了尾跡對自身的作用和葉片與尾跡之間的相互干擾，因此它是一種更準確且物理上正確的方法。

渦流理論風機葉片上的流場控制裝置渦流發生器 渦流發生器通常安裝在葉片的吸力面，距離前緣15%－30%弦長處，借由延緩分離流的發生而提高最大升力，但同時也使得阻力增加。風機葉片上的流場控制裝置StallStrip StallStrip通常安裝在葉片外圍的