2氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)改進(jìn)
    風(fēng)輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)包括：確定風(fēng)輪直徑、葉片數(shù)、葉片各剖面弦長(zhǎng)、厚度、扭角分布及選取剖面翼型。風(fēng)輪運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)過(guò)風(fēng)輪的氣流變化多端，沒(méi)有精確模型進(jìn)行模擬。而風(fēng)輪氣動(dòng)性能的計(jì)算除了與葉片本身的氣動(dòng)外形有關(guān)系外，還和周圍的氣流形式有很大關(guān)系，沒(méi)有精確的氣流理論模型，風(fēng)輪氣動(dòng)性能的計(jì)算只能是近似的，是從機(jī)翼氣動(dòng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，出現(xiàn)了兩種計(jì)算理論：一種是葉素動(dòng)量理論，另一種是渦流理論。
    葉素動(dòng)量理論實(shí)際上是綜合了動(dòng)量理論和葉素理論。BetZ采用一元定常流動(dòng)的動(dòng)量定理，研究理論狀態(tài)下風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)，將風(fēng)輪看作一個(gè)純粹有能量轉(zhuǎn)換器。理論假定風(fēng)輪是理想的：①
流經(jīng)風(fēng)輪的氣流為不可壓縮均勻定常流；②不考慮摩擦力；③風(fēng)輪簡(jiǎn)化為一個(gè)圓盤，④整個(gè)圓盤面受均勻軸向力；⑤風(fēng)輪前后氣流滿足質(zhì)量連續(xù)性方程。作用在風(fēng)輪上推力均勻，應(yīng)用動(dòng)量方程，推導(dǎo)出風(fēng)能最大利用系數(shù)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(dú)立的，葉素之間不存在相互作用，通過(guò)各葉素的氣流也不相互干擾。動(dòng)量理論在風(fēng)輪掃掠面內(nèi)半徑r處取一個(gè)圓環(huán)微元體來(lái)進(jìn)行分析。Wilson氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論是目前常用的方法之一。該理論對(duì)以前的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，研究了葉尖損失和升阻比對(duì)葉片性能的影響以及風(fēng)輪在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的氣動(dòng)性能。為使風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)Cp值最大，須使每個(gè)葉素的dCp與氣動(dòng)參數(shù)的關(guān)系式，從而得到最佳氣動(dòng)參數(shù)和氣動(dòng)外形。由理論計(jì)算得到的弦寬和扭角分布在葉根處較大?？紤]到葉根處剖面對(duì)風(fēng)輪輸出功率貢獻(xiàn)不大，故可適當(dāng)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(dòng)外形，就可應(yīng)用氣動(dòng)性能計(jì)算得到風(fēng)輪氣動(dòng)性能，包括各種風(fēng)速下及不同安裝角的輸出功率、軸向推力、轉(zhuǎn)矩和相對(duì)應(yīng)風(fēng)能利用系數(shù)、推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)，同時(shí)可得到氣動(dòng)荷載分布。[-page-] 
   葉素動(dòng)量理論，有很大的缺陷：①計(jì)算結(jié)果的精確性過(guò)于依賴葉片翼型可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)是那些長(zhǎng)期從事葉片和風(fēng)機(jī)制造的制造商，從實(shí)踐當(dāng)中獲取經(jīng)驗(yàn)積累獲得的。如涉及到新翼型，必須慎用葉素動(dòng)量理論；②最大局限在于葉素動(dòng)量理論只適合于穩(wěn)態(tài)計(jì)算，實(shí)際中風(fēng)是非穩(wěn)態(tài)，風(fēng)機(jī)不可能總處于穩(wěn)態(tài)之中。湍流、風(fēng)剪切和塔影將會(huì)對(duì)風(fēng)風(fēng)輪氣動(dòng)性能造成影響。非穩(wěn)態(tài)的風(fēng)況導(dǎo)致氣流功角、載荷以及渦流的持續(xù)變化，這些都給葉素動(dòng)量理論運(yùn)用帶來(lái)困難。對(duì)于①的不足目前無(wú)較大的改善，只能提高翼型的測(cè)量精度積累經(jīng)驗(yàn)；對(duì)②中的不足，可將整體時(shí)間域分成若干小段時(shí)間域，在每個(gè)小段時(shí)間域?qū)L(fēng)況假定為穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，然后將葉素動(dòng)量理論在各小段時(shí)間域進(jìn)行跳躍式的計(jì)算，同時(shí)建立各小段時(shí)間域之間的關(guān)系式，依次來(lái)模擬風(fēng)機(jī)的非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。葉素動(dòng)量理論簡(jiǎn)單易懂，更容易被人們所接受，同時(shí)經(jīng)過(guò)大量的修正后，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際誤差在可接受范圍之內(nèi)，比較適合于工程應(yīng)用。
    另一種計(jì)算風(fēng)輪氣動(dòng)性能的理論就是渦流理論。渦流理論認(rèn)為對(duì)于有限長(zhǎng)的葉片，風(fēng)輪葉片下游存在著尾跡渦，它形成兩個(gè)主要渦區(qū)：一個(gè)在輪轂附近，一個(gè)在葉尖。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)每個(gè)葉片尖部的氣流的跡線為一螺旋線，因此，每個(gè)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(gè)葉片都對(duì)輪轂渦流的形成產(chǎn)生一定的作用。在渦流理論中，風(fēng)輪葉片上的誘導(dǎo)速度和升力是由風(fēng)輪尾流中的自由尾流渦誘導(dǎo)產(chǎn)生的，分別用Biot-Sa-vart和Kutta-Jowkowsk理論求得。用該理論計(jì)算風(fēng)輪氣動(dòng)性能的關(guān)鍵在于如何合理模擬風(fēng)輪后面的尾渦幾何結(jié)構(gòu)，而在葉素動(dòng)量里一般用修正的辦法進(jìn)行彌補(bǔ)。因此，渦流理論研究的重點(diǎn)就在于如何建立尾流模型。一般現(xiàn)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(xiàn)的研究表明渦流理論計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際。但是渦流理論涉及到流體理論，計(jì)算復(fù)雜得多。這是改進(jìn)風(fēng)輪氣動(dòng)性能理論計(jì)算的一個(gè)方向。