大型風機葉片的設計改進

 2氣動性能設計改進
    風輪氣動設計包括：確定風輪直徑、葉片數、葉片各剖面弦長、厚度、扭角分布及選取剖面翼型。風輪運行環境復雜，經過風輪的氣流變化多端，沒有精確模型進行模擬。而風輪氣動性能的計算除了與葉片本身的氣動外形有關系外，還和周圍的氣流形式有很大關系，沒有精確的氣流理論模型，風輪氣動性能的計算只能是近似的，是從機翼氣動理論基礎上發展而來，出現了兩種計算理論：一種是葉素動量理論，另一種是渦流理論。
    葉素動量理論實際上是綜合了動量理論和葉素理論。BetZ采用一元定常流動的動量定理，研究理論狀態下風輪的最大風能利用系數，將風輪看作一個純粹有能量轉換器。理論假定風輪是理想的：①
流經風輪的氣流為不可壓縮均勻定常流；②不考慮摩擦力；③風輪簡化為一個圓盤，④整個圓盤面受均勻軸向力；⑤風輪前后氣流滿足質量連續性方程。作用在風輪上推力均勻，應用動量方程，推導出風能最大利用系數為0.593左右，這就是著名的Betz極限。
    葉素理論把葉片沿翼展方向分成許多“微段”，即為葉素。葉素理論假定，所有葉素都是獨立的，葉素之間不存在相互作用，通過各葉素的氣流也不相互干擾。動量理論在風輪掃掠面內半徑r處取一個圓環微元體來進行分析。Wilson氣動優化設計理論是目前常用的方法之一。該理論對以前的設計方法進行了改進，研究了葉尖損失和升阻比對葉片性能的影響以及風輪在非設計狀態下的氣動性能。為使風輪風能利用系數Cp值最大，須使每個葉素的dCp與氣動參數的關系式，從而得到最佳氣動參數和氣動外形。由理論計算得到的弦寬和扭角分布在葉根處較大。考慮到葉根處剖面對風輪輸出功率貢獻不大，故可適當減小此處剖面弦寬和扭角，以降低葉片重量和成型難度。如得到氣動外形，就可應用氣動性能計算得到風輪氣動性能，包括各種風速下及不同安裝角的輸出功率、軸向推力、轉矩和相對應風能利用系數、推力系數、轉矩系數，同時可得到氣動荷載分布。[-page-] 
   葉素動量理論，有很大的缺陷：①計算結果的精確性過于依賴葉片翼型可靠的測試數據，而這些數據是那些長期從事葉片和風機制造的制造商，從實踐當中獲取經驗積累獲得的。如涉及到新翼型，必須慎用葉素動量理論；②最大局限在于葉素動量理論只適合于穩態計算，實際中風是非穩態，風機不可能總處于穩態之中。湍流、風剪切和塔影將會對風風輪氣動性能造成影響。非穩態的風況導致氣流功角、載荷以及渦流的持續變化，這些都給葉素動量理論運用帶來困難。對于①的不足目前無較大的改善，只能提高翼型的測量精度積累經驗；對②中的不足，可將整體時間域分成若干小段時間域，在每個小段時間域將風況假定為穩態狀態，然后將葉素動量理論在各小段時間域進行跳躍式的計算，同時建立各小段時間域之間的關系式，依次來模擬風機的非穩態狀態。葉素動量理論簡單易懂，更容易被人們所接受，同時經過大量的修正后，理論計算結果與實際誤差在可接受范圍之內，比較適合于工程應用。
    另一種計算風輪氣動性能的理論就是渦流理論。渦流理論認為對于有限長的葉片，風輪葉片下游存在著尾跡渦，它形成兩個主要渦區：一個在輪轂附近，一個在葉尖。當風輪旋轉時，通過每個葉片尖部的氣流的跡線為一螺旋線，因此，每個葉片的尾跡渦形成一螺旋形。在輪轂附近也存在同樣的情況，每個葉片都對輪轂渦流的形成產生一定的作用。在渦流理論中，風輪葉片上的誘導速度和升力是由風輪尾流中的自由尾流渦誘導產生的，分別用Biot-Sa-vart和Kutta-Jowkowsk理論求得。用該理論計算風輪氣動性能的關鍵在于如何合理模擬風輪后面的尾渦幾何結構，而在葉素動量里一般用修正的辦法進行彌補。因此，渦流理論研究的重點就在于如何建立尾流模型。一般現在有剛性尾流模型、自由尾流模型和修正的自由尾流模型三種主要模型，一些文獻的研究表明渦流理論計算結果更符合實際。但是渦流理論涉及到流體理論，計算復雜得多。這是改進風輪氣動性能理論計算的一個方向。