风电叶片空气动力学.pdf

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。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。 WE Handbook- 2- Aerodynamics and Loads  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