風力機空氣動力學基礎知識

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風能曾是蒸汽機發明之前重要的動力，數千年前就有了帆船用于交通運輸，后來有了風車用來磨面與抽水等。近年來，由于傳統能源逐漸枯竭、對環境污染嚴重，風能作為清潔的新能源得到人們的重視。為方便風力機技術知識的學習，下面介紹一些風力機空氣動力學的基礎知識。

升力與阻力

風就是流動的空氣，一塊薄平板放在流動的空氣中會受到氣流對它的作用力，我們把這個力分解為阻力與升力。們先分析一下平板與氣流方向垂直時的情況，此時平板受到的阻力大，升力為零。當平板靜止時，阻力雖大但并未對平板做功；當平板在阻力作用下運動，氣流才對平板做功；如果平板運動速度方向與氣流相同，氣流相對平板速度為零，則阻力為零，氣流也沒有對平板做功。一般說來受阻力運動的平板當速度是氣流速度的20%至50%時能獲得較大的功率。

風力發電用風力機有阻力型與升力型兩種，水平軸風力機基本都是升力型，垂直軸風力機有多種阻力型結構，也有是升力型結構。

翼型

翼型本是來自航空動力學的名詞，是機翼剖面的形狀，風力機的葉片都是采用機翼或類似機翼的翼型，與翼型上表面和下表面距離相等的曲線稱為中弧線。

翼型通過以下參數來描述

（1）前緣、后緣

翼型中弧線的前點稱為翼型的前緣，后點稱為翼型的后緣。

（2）弦線、弦長

連接前緣與后緣的直線稱為弦線；其長度稱為弦長，用c表示。弦長是很重要的數據，翼型上的所有尺寸數據都是弦長的相對值。

（3）大彎度、大彎度位置

中弧線在y坐標大值稱為大彎度，用f表示，簡稱彎度；大彎度點的x坐標稱為大彎度位置，用xf表示。

（4）大厚度、大厚度位置

上下翼面在y坐標上的大距離稱為翼型的大厚度，簡稱厚度，用t表示；大厚度點的x坐標稱為大厚度位置，用xt表示。

（5）前緣半徑

翼型前緣為一圓弧，該圓弧半徑稱為前緣半徑，用r1表示。

6）后緣角

翼型后緣上下兩弧線切線的夾角稱為后緣角，用τ表示。

對稱翼型的彎度為0，上下表面對稱。

壓力中心

正常工作的翼片受到下方的氣流壓力與上方氣流的吸力，這些力可用一個合力來表示，該力與弦線（翼片前緣與后緣的連線）的交點即為翼片的壓力中心。

貝茲極限

風能就是空氣運動的動能，風在通過風輪時推動風輪旋轉，把它的動能轉變為風輪旋轉的能量，但經過風輪做功后的風速不會為零，僅僅是減小，故風只能把一部分能量轉交給風輪。那么風能把多大的能量轉交給風輪呢，從理論上講大值為59.3%，這也是風力發電機組的風能利用系數的大值，稱為貝茲極限。目前高性能的風力發電機組風能利用系數約為40%。

相對風速

風力機葉片運動時所感受到的風速是外來風速與葉片運動速度的合成速度，稱為相對風速。下圖是一個風力機的葉片截面，當葉片運動時，葉片感受到的相

對風速為w→，它是葉片的線速度（矢量）u→與風進葉輪前的速度（矢量）v→的合成矢量w→=u→+v→

葉尖速比

風輪葉片線速度與風速之比稱為葉尖速比。

下圖是一個風力機的葉輪，u是旋轉的風力機風輪外徑切線速度，v是風進葉輪前的速度，葉尖速比λ

阻力型風力機葉尖速比一般為0.3至0.6，升力型風力機葉尖速比一般為3至8。

在升力型風力機中，葉尖速比直接反映了相對風速與葉片運動方向的夾角，即直接關系到葉片的攻角，是分析風力機性能的重要參數。

實度比

風力機葉片的總面積與風通過風輪的面積（風輪掃掠面積）之比稱為實度比（容積比），是風力機的一個參考數據。