第二节 叶片形式与叶片方面概念

风力机的叶片形式多种多样，以适应不同的使用目的，但不论风力机叶片是以何种形式去驱动不同机械，都希望风力机有最高的风能利用系数以获得在有限的风轮扫掠面积内的最大的风能。

1.风力机的叶片形式

风力机叶片形式按风轮叶片的安装形式分为两种，其一是水平轴风力机；其二是垂直轴风力机。水平轴风力机如图3-3所示。

水平轴风力机，风轮安装在水平轴上。叶片接受风能，转动所要驱动的机械。

水平轴风力机又分多叶片低速风力机和1～4枚叶片的高速风力机。水平轴风力机又有上风向和下风向安装风轮的两种形式。

垂直轴风力机的风轮轴是垂直安装的。垂直轴风力机的优点是风轮叶片接受风能不受风向限制，来自任何方向的风它都能接受风能。

垂直轴风力机的叶片形式主要有索旺尼斯叶片，平板型叶片，杯型叶片、达里厄风轮叶片和达里厄与索旺尼斯组合叶片等。如图3-4所示。

图3-3 风力机叶片形式

a）水平轴单叶片 b）水平轴2叶片 c）水平轴3叶片 d）水平轴多叶片 e）水平轴上风向3叶片 f）水平轴下风向3叶片 g）水平轴上、下风向双风轮 h）水平轴多风轮 i）索旺尼斯风轮叶片

图3-4 垂直轴风力机叶片形式

a）2叶片索旺尼斯形式 b）4叶片索旺尼斯形式 c）平板型叶片形式 d）杯型叶片形式 e）达里厄形式 f）达里厄与索旺尼斯组合的叶片形式 g）旋翼式叶片形式

不同叶片形式的风力机适应于驱动不同的机械。多叶片风力机转速低，接受风能的效率不高，适用于提水灌田、碾米、磨面；水平轴1～4叶片风力机转速高，接受风能的效率高，适用于风力发电机。

水平轴上风向风轮需要调向装置将风轮对准风向，水平轴下风向风轮不用调向装置，风轮会自动对准风向。

垂直轴风轮不受风向限制，任何风向都能接受风能。达里厄风轮转速较高，但起动困难，往往需借助外力才能起动。垂直轴风力机除达里厄风轮之外，其余的接受风能的效率都不高。旋翼式还应有变换叶片迎角的装置。

2.关于叶片的概念

贝茨风能理论是理想风能利用理论，“理想风轮”没有涉及到风轮叶片的几何形状。风轮叶片的几何形状对其接受风能效率十分重要。风轮叶片的几何形状不同，则其空气动力特性不同，接受风能的效率也不同。

在讨论叶片的几何形状及空气动力特性之前，先明确几个关于风轮叶片的概念。

（1）叶片翼型

叶片剖面的基本形状称作叶片的翼型。翼型有很多种。

（2）翼的前缘

翼的前端称作翼的前缘。为了减少形状阻力，前缘是圆的。

（3）翼的后缘

翼的后端称作翼的后缘。为了使叶片产生较大的外力，后缘是尖的。

（4）翼弦

翼弦是叶片翼型的重要几何参数。在图3-5a中，从后缘B做一条与翼型下表面相切的直线，再做和前缘相切且垂直于BC的直线ED交CD线于A，则AB称作翼型的弦，弦长用l表示。对于图3-5b的弦，由后缘B为圆心的圆与前缘相切于A点，则AB连线即为翼型的弦，弦长用l表示。

叶片的几何参数是以翼型前缘为原点，翼弦为x轴，垂直于弦的直线为y轴的直角坐标系来表示的。

（5）翼型的上表面

在图3-5a中的曲面称作翼型的上表面。

（6）翼型的下表面

在图3-5a中的曲面称作翼型的下表面。

图3-5 叶片翼弦

（7）翼型厚度

垂直于弦的上、下表面交点的连线长度称作翼型的厚度。

整个翼型厚度的最大值称作翼型的最大厚度。一般翼型的最大厚度距前缘的距离占弦长的20%～35%。当翼型的厚度表达为弦长的函数时称作厚弦比或相对厚度。翼型最大厚度通常为弦长的10%～15%。

（8）翼展

风轮叶片的旋转半径称作翼展。用L表示。

（9）展弦比

翼展的平方与叶片面积之比定义为展弦比。用R_z表示。

式中 L——翼展，L=R，单位为m；

S_y——叶片面积，单位为m²；

L_m——叶片平均弦长，单位为m。

S_y=RL_m （3-19）

（10）叶片安装角θ

叶片弦线与风轮旋转平面所成的角θ称作叶片安装角。它与叶片迎角和叶片相对风向角ϕ的关系如图3-6所示。

图3-6 叶片安装角θ、叶片迎角α和叶片相对风向角ϕ的关系

（11）叶片迎角

叶片弦线与相对风速所成的角称作叶片迎角，用α来表示。

（12）相对风向角

相对风速与风轮旋转平面所成的角称作相对风向角，用ϕ来表示。相对风向角ϕ为

ϕ=α+θ（°） （3-20）

（13）尖速比

尖速比是叶片的叶尖速比，它是风轮叶片尖端的线速度V（m/s）与风速v（m/s）的比，用λ来表示。

式中 R——风轮半径，单位为m；

n——风轮转速，单位为r/min。

叶片的尖速比与风轮的转速、叶片数、叶片的密实度、贝茨风能利用系数有关。多叶片转速低的风力机，λ取小值；高速风轮，λ取大值。表3-1给出了风轮叶片数与尖速比的匹配值。

表3-1 风力机叶片数与尖速比的匹配

（14）翼型弯度

翼型厚度的中点连线距翼弦的距离称作翼型弯度，亦称翼型拱度，用f来表示。一般翼型拱度f为0～3%弦长。对称拱度f=0，即厚度中点连线就在翼弦上。翼型的厚度和拱度的大小及位置对叶片升力和阻力影响很大。

（15）风轮叶片的叶尖线速度

风轮叶片叶尖线速度为

式中 V——叶尖线速度，单位为m/s；

n——风轮转速，单位为r/min；

R——风轮半径，单位为m。

叶尖线速度应有一定限制，不是达到多少都可以，它关系到叶片的安全。法国的L.瓦多特曾做过试验，试验对象为一种尖速比大的风轮，将其设计的Best Romani风力发电机由原来的风轮转速43.7r/min，尖速比λ=7，增加到风轮转速71r/min，尖速比达到λ=11.373，此时叶片尖端线速度达到112m/s，结果在离心力的作用下，有一个叶片损坏。埃菲尔试验室的负责人和这台风力发电机的设计者L.瓦多特估计，100m/s是风力发电机叶片的叶尖线速度的极限值。

当代水平轴风力发电机组叶片的叶尖线速度没有超过100m/s的，多数为40～70m/s。

（16）叶片的升阻比

风吹在叶片上使叶片产生升力F_L和阻力F_D，升力与阻力的比称作叶片翼型的升阻比。升阻比由下式表达：

式中 L/D——升阻比；

C_L——翼的升力系数；

C_D——翼的阻力系数。

不同的翼型其升阻比也不同，表3-2给出了不同翼型的尖速比和升阻比适应不同的风力机的概况。

表3-2 叶片翼型与升阻比、尖速比的关系

（17）失速

叶片升力随迎角α的增加而增加，阻力随迎角的增加而减小。当迎角增加到某一临界值α_cr时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时风轮叶片突然丧失支撑力，这种现象称作失速。图3-7是升力系数C_L和阻力系数C_D随迎角α的变化而变化的曲线。在负迎角时，升力系数随负角的增加而减小，当达到最小值C_Lmin之后，升力系数随负角的减小而增加。对于不同的翼型都有一个在负角的某一角度下的升力系数的最小值，而后随负角的减小升力系数增大。

图3-7 叶片的升力系数C_L、阻力系数C_D 随迎角α的变化曲线

（18）风轮

叶片安装在轮毂上的总体称作风轮。

（19）叶片

在风力机中接受风能的部件称作叶片，叶片的翼型、数量、扭曲、尖速比、升阻比都直接影响叶片接受风能的效率。

（20）风轮直径

风轮扫掠面积的直径称作风轮直径。

（21）风轮扫掠面积

风轮旋转所形成的圆面积称作风轮扫掠面积。