2.1 基本气动参数

2.1.1 风能利用率

风力机从自然风能中汲取的能量大小程度用风能利用系数C_P来表示。其中，横截面积为S的气流中包含的动能为

式中 ρ——空气密度，kg/m³，在标准大气压下其数值常取为1.2255kg/m³；

S——旋转叶片在垂直于风向截面上的投影面积，m²；

v——风速，m/s。

通常在整个投影面积上风速的分布具有不均匀性，在实际的工作环境中需要考虑风剪切的影响。

如果风力机实际获取的功率为P，那么风能利用系数表示为

2.1.2 叶尖速比

为了表示风力机风轮旋转速度快慢，常采用叶片叶尖的圆周速度与风速的比值λ来衡量。对于水平轴风力机，叶尖圆周速度即为风轮最大半径处的圆周速度，对于垂直轴风力机而言，叶尖的圆周速度即为叶片距离转轴半径最大处的速度，通常称为赤道半径的圆周速度。其计算公式为

式中 n——转动频率，Hz；

R——最大半径或赤道半径，m；

ω——风轮旋转角速度。

2.1.3 启动力矩

垂直轴风力机从静止到转动所需的最小力矩称为启动力矩。它是表征垂直轴风力机启动性能优劣的重要指标。

影响垂直轴风力机启动性能的因素很多，包括风力机的结构型式、风轮半径、翼型几何形状、叶片安装角和叶片数等。为了比较不同结构型式和几何尺寸的垂直轴风力机启动性能，可将启动力矩进行无量纲化处理得到启动力矩系数。

2.1.4 运行风速

风力机在工作状态下，其面临的风速分为三个阶段，即启动风速、工作风速和停机风速。

（1）启动风速。风力机启动时，为了克服其内部的摩擦阻力而需要一定力矩。这一最低力矩值称为风力机的启动力矩。启动力矩主要与风力机本身的转动机构摩擦阻力有关。与启动力矩对应的风速被称为启动风速，只有当风速大于启动风速时，风力机才能工作。

（2）工作风速。启动风速和停机风速之间的风速叫做风力机的工作风速，在工作风速区间，风力机有功率输出。当风力机的输出功率达到额定功率时所对应的工作风速叫做该风力机的额定风速。

（3）停机风速。当风速超过某一值时，基于安全考虑，风力机必须停止运转。这一临界风速被称为停机风速。停机风速与风力机的设计强度有关，每台风力机的铭牌上都应该标明。

2.1.5 叶片运动定义

图2-1为Darrieus型垂直轴风力机运动效果图。图中，将风轮底部轴中心设为原点O，建立右手螺旋全局坐标系OXYZ，其中，X轴与来流风向一致，Z轴与风轮高度方向一致。

图2-1 Darrieus型垂直轴风力机运动效果图

取风轮任意高度处作横截面，得到图2-1（b）所示截面运动效果图。当风力机启动并达到设计转速后，风轮将以恒定转速做圆周运动，设定角速度为ω。叶片在圆周上的位置可通过方位角ψ来确定，即

叶片安装位置点O₁在该坐标系中任意时刻点可表示为

通过式 （2-5），可确定叶片在任意时刻的运动位置。