某某学院毕业设计
图 2—5翼叶上下边面压力差及以翼叶受力图
1.2.1.2翼型的升力和阻力系数变化曲线
如图2—5所示，升力系数的变化，分为直线和曲线两部分。升力曲线呈线性变化的部分，斜率可由薄翼理论得，
dC1=2? （1-12） di
图2—6翼叶的升力和阻力系数
当攻角(也称为迎角)增大到一定程度时，图2—6中的C/max气流开始分离，此时对应的攻角称为失速点。超过失速点后，升力系数下降，阻力系数迅速上升。在负攻角时，升力系数呈曲线形，C/通过一个最低点C/max。阻力系数的变化情况相对简单，它的最小值对应着一个确定的攻角值。
不同翼型截面形状对升力系数和阻力系数的影响很大。当翼型弯度或是厚度增加时，升力和阻力都有显著的增加，但阻力比升力增加的更快，使升阻比下降。当翼型的前缘抬高时，负攻角时阻力系数变化不大；当翼型的前缘低垂时，负攻角时阻力系数会迅速增加。当叶片出现失速后，噪声会突然增加，引起风力机的振动和运行不稳定等现象。因此，在风力机设计时，往往不取失速点作为设计点，而是取(O.8～O.9)
C/max作为设计点。
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1.2.2与翼型参数有关的风轮空气动力学几何定义
1．叶片桨矩角：风轮旋转平面与翼弦所夹的角，又称为安装角。 2．攻角：翼弦与相对风速所夹的角，又称迎角。 3．倾角：叶轮旋转平面与相对风速所夹的角。
1.3垂直轴风力机的工作原理
垂直轴风力机按驱动力的性质可分为升力型风力机和阻力型风力机。一般情况下，升力型风力机的驱动力矩主要由气动升力提供，风力机转速较高，常用于风力发电；阻力型风力机的驱动力矩主要由气动阻力提供，风力机转速较低，常采用多叶片形式用于风力提水。
1.3.1阻力型风力机的工作原理
阻力型风力机是由于风力机的运动部件在迎风方向形状不对称，引起空气阻力不同，从而使风产生一个绕中心轴的力矩，使风轮转动，如图2—5中a所示。风产生的驱动力可以用下式表示：
F?1?SV2? (1-13) 2 式中
?—— 空气密度，kg/m3； S——风轮的截面积，m2； V——风速，m/s； ?——空气动力系数；
不同的迎风形状，对应着不同的空气动力系数，当迎风形状为半球的凹面时，
?为1.33，当迎风形状为半球的凸面时?为O.34。因此，当迎风向风轮的截面积不同时可以产生一个阻力差使风轮转动。
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a阻力型风力机的工作原理 b升力型风力机的工作原理
图2—7垂直轴风力机的工作原理
1.3.2升力型风力机的工作原理
图2-7中b所示，V是风速，W是相对于叶片的风速，Vt是叶片的圆周速度，W与叶片弦线的夹角是有效攻角。由空气动力学的相关知识可知，当气流流过有攻角的翼型时，将产生垂直于W的升力和平行于W的阻力，二者的合力为F，。由W=V-,Vt，如果V和Vt已知，则可求得W和叶片所受到的气动力F。对叶片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了当叶片处于与风向平行或近似平行的位置外，在其它方位的气动力都产生一个驱动风轮旋转的力矩。当风轮静止时，相当于Vt=0，这时相对风速W与来流风速V一致，叶片的攻角很大，甚至大于失速攻角，使得风力机的启动转矩非常低。因此，传统的垂直轴风力机启动性能比较差，不易自启动。
1.4垂直轴风力机变浆矩运行方式的分析
本文将通过分析垂直轴风力机叶片旋转一周时攻角变化情况以及气动力特点，结合翼型的空气动力特性，给出一种能够提高垂直轴风力机转矩的攻角变化方式，并以这种优化的攻角变化方式为基础，制定出垂直轴风力机变桨矩运行方式。
1.4.1叶片的攻角变化分析
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a风轮的几何特性 b叶片叶素 c速度分析
图2—8垂直轴风力机特性分析
如图2—8中a所示，叶片绕固定坐标系oxyz的oz轴旋转，旋转半径为r，设来流风速为V，设风轮高b=2H。研究图2.3中b所示中心点为M、弦长为C的叶素，令r为叶素中心点M至转轴的距离，?为oyz平面与叶片所在位置oM平面之间的夹角，称之为方位角。将叶素截取出来，如图2．3中c所示，设流过叶片的风速为V，风轮的切向速度为Vt，相对速度为W，令r垂直于叶弦，并过M点作垂直于r的辅助线t，则W沿t方向的分量Wt=Vt?Vcos?=?r?Vcos? (从前缘指向后缘)，W沿f方向的分量Wt=Vsin?。
由此，用来确定作用在叶片上力的大小的相对速度W可以写成
2W2?(?r?Vcos?）?V2sin2? (1-14)
式中?为风轮旋转的角速度，则攻角i可由下式给出
tgi=WrVsin?sin?= (1-15)
Wt?r?Vcos??r/V+cos?令?'??r/V，可得垂直轴风力机叶片在旋转一周时，攻角i的变化情况，如图2—4所示。
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图2—9垂直轴风力机攻角变化情况
从图2—9中可知，叶片旋转一周时，攻角随方位角的变化情况可用萨弦函数近似表示，并且随着?'的增大，攻角的变化范围逐渐减小。当?'=2时，叶片攻角的变化范围在-30°～+30°之间，变化范围较大。由叶尖速比?=?r/V1，可得???'V/V1，由于风流过风轮时，部分风能被风轮吸收转化为机械能，所以流过叶片的风速V必然小于来流风V1速，即?
1.4.2变桨矩运行方式
根据对叶片翼型的研究结果可知，垂直轴风力机风能利用系数的变化分布与叶片处于上风向和下风向有关，叶片在下风向的风能利用系数要小于上风向的风能利用系数，而且往往是减弱上风向的风能利用系数。这是由于传统的垂直轴风力机，当叶片运行在下风向时，所产生阻力力矩较大。因此变桨矩方案的设计，应该提高上风向的升力力矩，降低下风向的阻力力矩。结合垂直轴风力机攻角的变化情况以及气动力分析，本文采取的方法是，根据叶片翼型的气动特性，确定失速点，并控制叶片的攻角变化范围始终在失速点以内，以此束输出较大的气动转矩，进而提高风力机的风能利用系数。
设A为叶片翼型的失速点，根据垂直轴风力机叶片旋转一周攻角变化的特点，本文采用以A?sin?作为优化的攻角变化的方案，由
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