通过调整风轮桨距角及转速提高风力机效率的方法技术领域
本发明涉及一种提高风力机效率的方法，特别是涉及一种通过调整风轮桨距角及
转速提高风力机效率的方法。
背景技术
航空理论证实，飞行器机翼最佳攻角与最大升阻力比攻角相等。受航空理
论影响，目前风力机也采用这一观点来调节风轮攻角来追踪最大风能利用系数。其做
法为，通过风轮翼型的升、阻曲线，确定最大升阻比攻角，通过调节风轮桨距角及叶尖速比
使风轮处于该最大升阻比状态。而实际上，对于风力而言，其风轮最佳攻角与最大升阻比攻
角是否具有等同性尚未得到证实。因此，论证风力机最佳攻角与最大升阻比攻角是否具有
等同性，有利于进一步认识风力机攻角对风能利用系数的影响方式，从而进一步提高风能
利用系数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过调整风轮桨距角及转速提高风力机效率的方法，
该方法通过理论分析、实例论证、仿真验证的方式论证风力机最佳攻角与最大升阻比攻角
具有非等同性，提出针对目前工作于最大升阻比攻角风力机的一种改进方案，使风力机风
能利用系数得到进一步提高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
该方法按如下步骤进行：
步骤1：通过叶素动量理论定性分析处于最大升阻比状态下的风轮，其转矩随攻角的变
化趋势；
步骤2：任意选取风轮翼型，通过叶素动量理论对该风轮的风能利用系数与节距角
速度比的变化关系，确定对该风轮攻角的修正方案；
步骤3：通过有限元分析CFD方法对步骤2的修正方案进行仿真，验证该修正方案的准确
性。
本发明的优点与效果是：
本发明选取的风轮翼型为NACA0012型，通过最佳攻角与最大升阻比攻角的风能利用系
数Cp对比曲线（图4）可以看出，改进后的最佳工作点与原最大升阻比工作点相比，节距角
没有发生变化，计算表明此时速度比由4.7降为4.0，减小15%。重要的是，风能利用系数
由0.46提升到0.48，提高4.3%。
附图说明
图1 NACA0012翼型升阻比曲线；
图2 NACA0012翼型升阻系数曲线；
图3（a）3D视角；
图3（b）轴视角；
图3（c）轴视角；
图4 最佳攻角与最大升阻比攻角CP对比；
图5 最大升阻比工作点迭代结果；
图6 最佳工作点迭代结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
步骤1：非等同性的理论分析。风轮所受切向力可表示为
（1）
在风轮转速恒定的情况下，决定其输出功率的大小，当攻角发生变化时，式（1）中
升阻系数、发生相应改变，不考虑攻角的微小变化对式（1）中其他参数带来的间接影
响，则关于的变化率为：
（2）
式中，，其值不受直接影响，这里视为常数，其值为正。
运行在最大升阻比攻角工作点的风力机，处于升阻比曲线（图1）的最高点，此时：
（3）
同时会产生正向切向力，由（2）式可知，此时：
（4）
由翼型的升阻系数曲线（图2）可知，最大升阻比状态时，处于阻力系数的上升阶段，此
时
（5）
联立式（2）~（5）可得：
（6）
式（6）说明，处于最大升阻比攻角状态的风力机，切向力随攻角的增大而增大，进
而使风能利用系数增大。将实际能够达到最大风能利用系数时的攻角称为最佳攻角，则（6）
式表明，最佳攻角必然大于最大升阻比攻角。因此，二者具有非等同性。
步骤2：非等同性的实例论证。为了进一步论证风力机最佳攻角与最大升阻比攻角
的非等同性，采用叶素动量理论对拥有NACA0012翼型的1.5MW风力机的攻角特性进行实例
分析。该翼型为NACA经典翼型，很多研究针对该翼型展开。
低风速时，该翼型升阻系数、主要由攻角决定，图2显示了、随在0~180°
范围内的变化关系。图中可见，在小攻角段，与几乎成正比关系，在12°时翼型发生失速，
之后发生短暂的降落，通常情况下，翼型工作在失速点之前。
本发面选取翼型中部叶素作为计算区域，对于每一组λ、θ，通过迭代确定各相关参
数，从而计算出风能利用系数CP，得到CP随λ、θ的变化曲面图（图3），实现在全局范围内搜索
CP最大值。
本发明使用C++语言编制该迭代程序，选取6万组点，分别对每个点的进行计
算。取值区间为0~8，取值区间为0~15°，可见在该变化区间内，可取得最大值。
图3（b）、（c）为分别以轴视角及轴视角的显示结果。图中可以得到最佳工作点处
参数值，，，最大风能利用系数，由此计算出最佳攻角。
由升阻比曲线（图1）可见，最大升阻比攻角，可见。这再次表明最
佳攻角大于最大升阻比攻角，即二者具有非等同性。
为了将最大升阻比攻角与最佳攻角时值做更加直观的对比，在图3（a）中，提取
出攻角分别为和两条二维曲线，如图4所示。图中可见，处于最佳攻角状态的风力机，
其风能利用系数高于处于最大升阻比攻角状态的风力机，两者均在节距角为4°时达到各
自风能利用系数极大值，即分别为最佳工作点和最大升阻比工作点。处于最大升阻比工作
点时为0.46，处于最佳工作点时为0.48，提升幅度为4.3%。相应的计算同时表明，此时
两者的速度比由4.7降为4.0，减小15%。前面的分析表明，在不改变风轮其它运行参数的条
件下，将风轮转速降低15%，即可使风力机从最大升阻比工作点过渡到最佳工作点。
步骤3：风等同性的CFD仿真验证。针对分别处于最大升阻比工作点和最佳工作点
的风力机，采用计算流体力学CFD的FLUENT软件包对其周向力系数进行仿真，进而计算出两
者风能利用系数差值百分比。本发明设定来流风速为15m/s。
图5为在最大升阻比工作点处通过CFD对周向力系数的迭代结果，该工作点处
为4.7。图中可见，收敛于0.75。
图6为在最佳工作点处通过CFD对周向力系数的迭代结果，该工作点处为4.0.
图中可见，收敛于0.91。
考虑到在来流风速及风轮半径一定的情况下，风能利用系数与周向力系数及速度
比乘积成正比，即：
（7）
因此，最佳工作点与最大升阻比工作点时风能利用系数之比为1.033，风能利用系数提
高3.3%。这进一步验证了风力机处于最佳工作点状态时CP值高于处于最大升阻比工作点状
态。
该提升率略低于通过叶素动量理论计算出的提升率，主要是由于尾流因素所引
起。CFD具有更强的尾流计算能力，能够更好的反映出尾流对气动性能的影响，致使通过CFD
计算出的CP值略低于通过叶素动量理论计算出的CP值。