2氣動性能設(shè)計改進
    風輪氣動設(shè)計包括：確定風輪直徑、葉片數(shù)、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(huán)境復(fù)雜，經(jīng)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(guān)系外，還和周圍的氣流形式有很大關(guān)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(chǔ)上發(fā)展而來，出現(xiàn)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(tài)下風輪的最大風能利用系數(shù)，將風輪看作一個純粹有能量轉(zhuǎn)換器。理論假定風輪是理想的：①
流經(jīng)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(zhì)量連續(xù)性方程。作用在風輪上推力均勻，應(yīng)用動量方程，推導(dǎo)出風能最大利用系數(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(nèi)半徑r處取一個圓環(huán)微元體來進行分析。Wilson氣動優(yōu)化設(shè)計理論是目前常用的方法之一。該理論對以前的設(shè)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(shè)計狀態(tài)下的氣動性能。為使風輪風能利用系數(shù)Cp值最大，須使每個葉素的dCp與氣動參數(shù)的關(guān)系式，從而得到最佳氣動參數(shù)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?？紤]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(yīng)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(zhuǎn)矩和相對應(yīng)風能利用系數(shù)、推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)，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(jié)果的精確性過于依賴葉片翼型可靠的測試數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)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(jīng)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(wěn)態(tài)計算，實際中風是非穩(wěn)態(tài)，風機不可能總處于穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)的風況導(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(jīng)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?qū)L況假定為穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，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(guān)系式，依次來模擬風機的非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。葉素動量理論簡單易懂，更容易被人們所接受，同時經(jīng)過大量的修正后，理論計算結(jié)果與實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(qū)：一個在輪轂附近，一個在葉尖。當風輪旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生一定的作用。在渦流理論中，風輪葉片上的誘導(dǎo)速度和升力是由風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。用該理論計算風輪氣動性能的關(guān)鍵在于如何合理模擬風輪后面的尾渦幾何結(jié)構(gòu)，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(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，一些文獻的研究表明渦流理論計算結(jié)果更符合實際。但是渦流理論涉及到流體理論，計算復(fù)雜得多。這是改進風輪氣動性能理論計算的一個方向。