桨叶的几何参数

第二节桨叶的几何参数和空气动力特性无论风力机的型式如何，桨叶都是至关重要的部件。为了很好地理解它在控制能量转换中的作用，必须知道某些空气动力学的基本知识。先研究一静止的叶片，其承受的风速为ν，假定风速方向与叶片横截面平行。一、翼型的几何参数和气流角二、作用在运动桨叶是的气动力假定桨叶处于静止状态，另空气以相同的相对速度吹向叶片时，作用在桨叶上的气动力将不改变其大小。气动力制取决于相对速度和攻角的大小。因此，为研究方便，均假定桨叶静止处于均匀来流速度。此时，作用在桨叶表面上的空气压力是不均匀的，上表面压力减少，下表面压力增加。按照伯努利理论，桨叶气流速度则比较上表面的气流速度较高，下表面的气流速度则比较低。因此，围绕桨叶的流动可看成由两个不同的流动组合而成：一个是将翼型置于均匀流场中时围绕均匀的零升力流动，另一个是空气环绕桨叶表面的流动。而桨叶升力则由于在桨叶表面上存在一速度环量如上图所示。作桨叶的垂线，用垂线的长度KP表示各部分压力的大小，以表示压力沿表面的变化。（2－16）式中p-----桨叶表面上的静压ρ、ρ0、ν－－无限远处的来流条件2021ppKP连接各垂线段长度KP的端点，得到下图，其中上表面为KP负，下表面KP为正。作用在桨叶上的力F与相对速度的方向有关，并可用下式表示（2-17）式中S－－桨叶面积，等于弦长×桨叶长度；Cr－－总的气动系数该力可分为两部分：分量Fd与速度ν平行，称为阻力；分量Fl与速度ν垂直，称为升力。表示为：（2－18）式中：Cd为阻力系数，Cl为升力系数221SCFr221SCFdd221SCFll且存在：若令M为相对于前缘点的有F力引起的力矩，则可求得变距力矩系数CM。（2－19）式中l－－弦长。因此，作用在桨叶截面上的气动力可表示为升力、阻力、变距力矩三部分。222222rldldCCCFFF221SlCMM对于各个攻角值，存在某一特别的点C，该点的气动力矩为零，称为压力中心。于是，作用在桨叶截面上的气动力可表示为作用在压力中心上的升力和阻力。压力中心于前缘点之间的位置可用比值CP确定。(2-20)一般CP＝25％～30％。lMCCABACCP三、升力和阻力系数的变化曲线Cd和Cl随攻角的变化升力系数的变化，它由直线和曲线两部分组成。与Clmax对应的iM点称为失速点，超过失速点后，升力系数下降，阻力系数增加。负攻角时，Cl也呈曲线形，Cl通过一最低点Clmin。阻力系数曲线的变化则不同，它的最小值对应一确定的攻角值。不同的桨叶的升力和阻力系数如下图，其截面形状对升力和阻力的影响分述如下：弯度的影响厚度的影响前缘的影响表面粗糙度和雷诺数的影响弯度的影响翼型的弯度加大后，导致上、下弧流速差加大，从而使压力差加大，故升力增加；与此同时，上弧流速加大，摩擦阻力上升，并且由于迎流面积加大，故压差阻力也加大，，导致阻力上升。因此，同一攻角时，随着弯度增加，其升、阻力都将显著增加，但阻力比升力的增加更快，使升、阻力比有所下降。厚度的影响翼型厚度增加后，其影响与弯度类似。同一弯度的翼型，厚度增加时，对应于同一攻角的升力有所提高，但对应于同一升力的阻力也较大，使升、阻比有所下降。前缘的影响试验表明，当翼型的前缘抬高时，在负攻角情况下阻力变化不大。前缘低垂时，则在负攻角时会导致阻力迅速增加。表面粗糙度和雷诺数的影响表面粗糙度和雷诺数对桨叶空气动力特性有着重要影响。下图为表面粗糙度和雷诺数对几种翼型（NACA0012,NACA23012、23015,NACA4412、4415）的气动力特性的影响曲线。当叶片在运行中出现失速以后，噪声常常会突然增加，引起风力机的振动和运行不稳等现象。因此，在选取Cl值时，以失速点作为设计点是不好的。对于水平轴型风力机而言，为了使风力机在稍向设计点右侧偏移时仍能很好地工作，所选取的Cl值，最大不超过（0.8～0.9）Clmax。埃菲尔极线为了方便研究问题，可将Cd和Cl表示成对应的变化关系，称为埃菲尔极线，见下图。其中直线OM的斜率是：dlCC/tan四、有限翼展的影响上诉结果仅适用于桨叶无限长时，对于有限长度的叶片，其结果必须修正。由于升力翼的下表面压力大于大气压力，上表面小于大气压力，因此叶片两端气流企图从高压侧向低压侧流动，结果在两端形成涡流。实际上，由于叶尖的影响，两端形成了一系列的小涡流，这些小涡流又汇合成两个大涡流，卷相叶尖内侧。其后果便是，造成阻力增加，引起一诱导阻力(2-21)上述阻力系数变为：（2－22）式中，Cdo－－无限翼展的阻力系数。为得到同一的升力，攻角必须增加一个量φ，故获得同样升力的新攻角为（2－23）221SCFdididldodCCC0ii有流体力学可知，当环量呈椭圆分布时，Cdi和φ可由下列关系给出（2－24）若，则lllldiCCLSCCLSC2222SL2lllldiCCCCLSC22221五、弦线和法线方向的气动力如果将F力分解为弦线方向和垂直于弦线方向的两个分量如下图a所示弦线方向：法线方向：上式进一步写成：式中Cn与Ct对应的曲线如图b，称为利兰热尔极线。)sincos(212iCiCSFldt)sincos(212iCiCSFdln2221,21SCFSCFnnttiCiCCiCiCCdlnldtsincossincos