葉尖速比

葉尖速比是葉片葉尖線速度與風速的比值TSR，它是表示風力機性能的另一重要參數。

式中，ω為風力機旋轉角速度，rad/s;n為風力機旋轉速度， r/min; R為風力機風輪半徑，m。葉尖速比表徵了風力機在一定風速下運轉速度的高低， 故亦稱高速性係數。

不同結構型式的風力機的功率係數C_P、扭矩係數C_T，與葉尖速比TSR有一定的關係，如下圖1所示。可以看出，水平軸螺旋槳式及立軸達裏厄型風力機的功率係數大，扭矩係數小，運轉速度高，適用於風力發電;而水平軸多葉片式風力機功率係數小，扭矩係數大，運轉速度低，不適合於風力發電，但適合於風力提水。

根據葉尖速比的不同，我們可以把風電機分成兩類：慢速比風電機和快速比風電機：

慢速比風電機的速度比最大為2.5。所有以阻力原理作用的風電機的葉尖速比都小於1，屬於慢速比風電機。以浮力原理作用的風電機，如果其葉尖速比在1到2.5之間，也被稱為慢速比風電機。Westernmills和某些風力泵的葉尖速比大概是1，而Bock風車以及荷蘭風車的葉尖速比大概是2。

快速比風電機是指按照浮力原理作用的風電機，並且其葉尖速比在2.5到15之間。幾乎所有的現代風電機（葉片數一到三）都屬於此類。

葉尖速比對風電機的建造結構和形狀有很大的影響，比如：

葉片轉速：如果葉片長度一定，那麼葉尖速比越大，葉片的轉速也就越快。只有一個葉片的風電機，其葉尖速比很高，旋轉速度也要比三葉片的風電機快的多。需要注意的是，風力泵的葉尖速比雖然屬於慢速比機械，但旋轉速度一般都很快。原因是其轉動直徑很小，最終圓周速度相對低很多，所以屬於慢速比機械。

葉片數：Westernmills的葉尖速比比較低（大約為1），所以需要更多的葉片來遮擋風，一般有20到30個葉片；荷蘭風車的速度比大約為2，一般有4個葉片。現代三葉片風電機的葉尖速比大約為6，而一個葉片的風電機，其葉尖速比大概為12。

葉片切面： 快速比風機的葉片一般都設計的細長而薄，其原因就是葉片切割風的時候，與風的相對速度十分高。

風機的轉化效率係數： 快速比風機由於產生的渦流損失要比慢速比風機低很多，所以其作用係數要明顯比慢速比的風機高。一般慢速比風機的轉化效率係數cP在0.3到0.35之間，而快速比的風機能夠達到0.45到0.55。

風能利用係數Cp為風力機將風能轉換為機械能的效率，它與風速，葉片轉速，葉片直徑和槳葉節距角均有關係，是葉尖速比和槳葉節距角的函數。

根據貝茲提出的風力機致動盤理論，為獲得最大的風能利用係數，應使軸向誘導因子a=1/3，即進入風輪的風速 V1=2/3Vo然而只有對葉片氣動外形進行專門的優化設計，才能滿足上述條件，捕獲最大風能 。根據動量-葉素理論，可 以得到不同設計葉尖速比時葉片的弦長分佈。

在同樣截面位置的弦長與葉尖速比的平方成反比，葉尖速比越大，弦長越小。由圖2可以清楚地看出不同設計葉尖速比的弦長分佈由葉素理論知道，作用 於葉素的升力和阻力與弦長成正比。

設計葉尖速比減小，弦長增大，葉片的軸向推力等載荷增大，這就需要通過增加鋪層來增加葉片的剛度，保證葉片不會因為軸向推力的增大而與塔架發生碰撞。另一方面，弦長增大將導致葉片表面積增大，從而增加鋪層材料。這兩方面都將導致葉片成本的增 加。同時，弦長增大也導致整機載荷增大，需要增加整機塔架、輪轂等部件的強度才能滿足載荷增大的要求，從 而增加整機成本。所以，為減少葉片和整機的載荷成本，需要增大葉片的設計葉尖速比。

設計葉尖速比對葉片氣動性能的影響較為複雜。一方面影響絃長分佈和扭角分佈，從而影響葉片的氣動性能。另一方面，設計葉尖速比增大，葉片的尾流損失，葉尖損失將增大，而翼型損失將減小。

選擇幾種設計葉尖速比，得到幾種弦長和扭角分佈不同的葉片，然後對葉片氣動性能進行計算。從圖3中可以看出，設計葉尖速比過大（TSR=13）或過小（TSR=5）時，葉片最大功率係數較低，氣動性能都較差；在8-10左右時，最大功率係數都在0.495以上，氣動性能都較好，該範圍內，葉尖速比的改變對最大功率係數影響較小。對於不同類型的片，有不同的最佳設計葉尖速比範圍。

葉尖速比不但影響葉片自身的特性，還會影響風力發電機組的運行曲線，從而影響發電量。現代兆瓦級水平軸風力發電機組，基本都是採用變速變槳方案。在額定風速以下的大部分範圍，通過控制電機的扭矩和轉速關係，調節風輪轉速，使風輪轉速與風速成正比，使機組運行在設計葉尖速比下，從而最大程度地捕獲風能。

從圖4和圖5可以看出，設計葉尖速比從8增加到10，V2從9.5 m/s減小到7.7 m/s。一方面，。7-9.5 m/s風速範圍內功率下降。另一方面，從7.7 m/s開始，葉尖速比和Cp就已開始下降，達到原額定風速（10 m/s）時，Cp值降到了0.42，不能達到額定功率，當風速增大到11m/s時才能達到額定功率。設計葉尖速比增大後，在7.7-11m/s功率明顯降低，從而發電量降低。

所以，為增大機組發電量，需要減小葉片設計葉尖速比。 ^[2]