风力发电技术讲座二 风力机的工作原理.pdf

可再生能源&4405&（总第!&0期）技术讲座

风力发电技术讲座（二）
风力机的工作原理

姚兴佳，王士荣，董丽萍
（沈阳工业大学风能技术研究所，辽宁沈阳!!44&+）

中图分类号：670!-文献标识码：8文章编号：!03!9.&:&（&440）4&9442394+

升力与阻力——阻力系数。
!’#
当气流流经如图所示的翼型叶片时，叶与均由试验求得。
!’$’#
片上面气流速度增高，压力下降，叶片下面几乎由于与相互垂直，所以
"$"#
保持原来的气流压力，于是叶片受到了向上的&&&（）
"$,"#%"-
作用力。此力可分解成与气流方向平行的力并且
!"#
（称为阻力）和与气流方向垂直的力（称为升&&&（）
"$’$,’#%’.
力）。对于同一翼型，其升力系数与阻力系数之比
值，称为它的升阻比"。
（）
"%’$/’#0
（&）影响升力系数与阻力系数的因素
影响升力系数与阻力系数的主要因素有翼
型、攻角、雷诺数和粗糙度等。
"翼型的影响
图!气体流经翼型叶片的受力示意图图&所示为+种不同横截面形状（翼型）的
（!）升力的计算公式叶片在气流中的升力和阻力。
图!中气流对叶片的作用力!用下式计算：
!
"%!’)*&（!）
&(
式中：*——吹向叶片的风速；
!——空气密度；
——叶片总空气动力系数；
’(
)——叶片的最大投影面积。
叶片的升力与阻力按下式计算：
"$"#图"#种不同翼型叶片的升力和阻力
!
"%!’)*&（&）当气流由左向右吹过，对于不同的翼型产生
$&$
的升力与阻力不同。平板型阻力弧板型阻力流
!11
"%!’)*&（+）
#&#线型阻力；流线型升力1弧板型升力1平板型升
式中：——升力系数；力。相对应的与值亦如此。
’$’$’#

收稿日期：&44094&9!.
作者简介：姚兴佳（!:-:9）;男，教授，博士研究生导师，长期从事风能利用技术的研究工作，国家“20+”项目主持人，是享受国务院政府特
殊津贴的专家。

23
技术讲座"#$#%&’(##$#")*$+,--../01-/2334567&889

!攻角的影响’叶片表面粗糙度的影响
气流方向与叶片横截面的弦长(的夹角"叶片表面不可能做得绝对光滑，我们把凹凸
称为攻角，也称迎角，其值正、负如图所示。与不平的波峰与波谷之间高度的平均值称为粗糙
:;*
随的变化情况如图所示。度。波峰与波谷之间高度的平均值大，阻力增加，
;<"=
值高，但是粗糙度对值的影响不大。制造叶
;<;*
片时应尽量使叶片表面平滑，避免产生过大的摩
擦阻力。
#风力机的类型
国内外风力机的结构形式繁多，从不同的角
度有多种分类方法。
(按风轮轴与地面的相对位置，分为水平轴
式风力机和垂直轴（立轴）式风力机。
图!风轮叶片的攻角!按叶片工作原理，分为升力型风力机和阻
力型风力机。
#按风力机的用途分类，有风力发电机、风
力提水机、风力铡草机、风力脱谷机等。
’按风轮叶片的叶尖线速度与吹来的风速
之比的大小来分，有高速风力机（比值大于:）和
低速风力机（比值小于:）；也有把该比值-GH者
称为中速风力机。
)按风机容量大小分类：国际上通常将风力
图和与攻角的关系机组分为小型（以下）、中型（
"!"!#!1..I%1..G1...
当攻角"值在一定范围内变化时，升力随I%）和大型（1...I%以上）:种；我国则分成微
攻角的增加而变大，阻力也在变化；当攻角"型（1I%以下）、小型（1G1.I%）、中型（1.G1..
值增加到某一临界值时，升力达到最大值（即I%）和大型（1..I%以上）=种；也有的将1...
）；当值再增大时，升力突然开始下以上的风机称为巨型风力机。
;*!;*>?@"I%
降，同时阻力也急剧增加，这种现象称为“失*按风轮相对于塔架的位置，分为上风式
速”。产生失速的根本原因，是气体的比较有规（前置式）风力机和下风式（后置式）风力机。
则的流线与翼型后上部（见图:A-A=之B处）+按风轮的叶片数量，分单叶片、双叶片、三
的轮廓分离，并在分离区形成涡流，使翼型上下叶片、四叶片及多叶片式风力机。
压差变小。现在各国应用较多的是水平轴、升力型和少
#雷诺数的影响叶式的风力发电机（多数为-G:个叶片），本讲座
空气流经叶片时，气体的粘性力将表现出将侧重介绍此类风力发电机。
来，这种粘性力可以用雷诺数表示：风力机的基本工作原理
"5!
D(风力机的基本功能是利用风轮接收风能，并
"C（E）
5$将其转换成机械能，再由风轮轴将它输送出去。
式中：D——吹向叶片的空气流速；风力机的工作原理：空气流经风轮叶片产生升力
(——翼型弦长；或阻力，推动叶片转动，将风能转化为机械能。
$——空气的运动粘性系数，$C%F&（%为空尽管风力机的类型很多，但是普遍应用的是
气的动力粘性系数，