大型风机叶片的设计改进

 2气动性能设计改进
    风轮气动设计包括：确定风轮直径、叶片数、叶片各剖面弦长、厚度、扭角分布及选取剖面翼型。风轮运行环境复杂，经过风轮的气流变化多端，没有精确模型进行模拟。而风轮气动性能的计算除了与叶片本身的气动外形有关系外，还和周围的气流形式有很大关系，没有精确的气流理论模型，风轮气动性能的计算只能是近似的，是从机翼气动理论基础上发展而来，出现了两种计算理论：一种是叶素动量理论，另一种是涡流理论。
    叶素动量理论实际上是综合了动量理论和叶素理论。BetZ采用一元定常流动的动量定理，研究理论状态下风轮的最大风能利用系数，将风轮看作一个纯粹有能量转换器。理论假定风轮是理想的：①
流经风轮的气流为不可压缩均匀定常流；②不考虑摩擦力；③风轮简化为一个圆盘，④整个圆盘面受均匀轴向力；⑤风轮前后气流满足质量连续性方程。作用在风轮上推力均匀，应用动量方程，推导出风能最大利用系数为0.593左右，这就是著名的Betz极限。
    叶素理论把叶片沿翼展方向分成许多“微段”，即为叶素。叶素理论假定，所有叶素都是独立的，叶素之间不存在相互作用，通过各叶素的气流也不相互干扰。动量理论在风轮扫掠面内半径r处取一个圆环微元体来进行分析。Wilson气动优化设计理论是目前常用的方法之一。该理论对以前的设计方法进行了改进，研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性能。为使风轮风能利用系数Cp值最大，须使每个叶素的dCp与气动参数的关系式，从而得到最佳气动参数和气动外形。由理论计算得到的弦宽和扭角分布在叶根处较大。考虑到叶根处剖面对风轮输出功率贡献不大，故可适当减小此处剖面弦宽和扭角，以降低叶片重量和成型难度。如得到气动外形，就可应用气动性能计算得到风轮气动性能，包括各种风速下及不同安装角的输出功率、轴向推力、转矩和相对应风能利用系数、推力系数、转矩系数，同时可得到气动荷载分布。[-page-] 
   叶素动量理论，有很大的缺陷：①计算结果的精确性过于依赖叶片翼型可靠的测试数据，而这些数据是那些长期从事叶片和风机制造的制造商，从实践当中获取经验积累获得的。如涉及到新翼型，必须慎用叶素动量理论；②最大局限在于叶素动量理论只适合于稳态计算，实际中风是非稳态，风机不可能总处于稳态之中。湍流、风剪切和塔影将会对风风轮气动性能造成影响。非稳态的风况导致气流功角、载荷以及涡流的持续变化，这些都给叶素动量理论运用带来困难。对于①的不足目前无较大的改善，只能提高翼型的测量精度积累经验；对②中的不足，可将整体时间域分成若干小段时间域，在每个小段时间域将风况假定为稳态状态，然后将叶素动量理论在各小段时间域进行跳跃式的计算，同时建立各小段时间域之间的关系式，依次来模拟风机的非稳态状态。叶素动量理论简单易懂，更容易被人们所接受，同时经过大量的修正后，理论计算结果与实际误差在可接受范围之内，比较适合于工程应用。
    另一种计算风轮气动性能的理论就是涡流理论。涡流理论认为对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两个主要涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。当风轮旋转时，通过每个叶片尖部的气流的迹线为一螺旋线，因此，每个叶片的尾迹涡形成一螺旋形。在轮毂附近也存在同样的情况，每个叶片都对轮毂涡流的形成产生一定的作用。在涡流理论中，风轮叶片上的诱导速度和升力是由风轮尾流中的自由尾流涡诱导产生的，分别用Biot-Sa-vart和Kutta-Jowkowsk理论求得。用该理论计算风轮气动性能的关键在于如何合理模拟风轮后面的尾涡几何结构，而在叶素动量里一般用修正的办法进行弥补。因此，涡流理论研究的重点就在于如何建立尾流模型。一般现在有刚性尾流模型、自由尾流模型和修正的自由尾流模型三种主要模型，一些文献的研究表明涡流理论计算结果更符合实际。但是涡流理论涉及到流体理论，计算复杂得多。这是改进风轮气动性能理论计算的一个方向。