叶尖速比

用来表述风电机特性的参数

叶尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖速比就越大。

定义

叶尖速比是叶片叶尖线速度与风速的比值TSR，它是表示风力机性能的另一重要参数。

式中，ω为风力机旋转角速度，rad/s;n为风力机旋转速度， r/min; R为风力机风轮半径，m。叶尖速比表征了风力机在一定风速下运转速度的高低，故亦称高速性系数。

不同结构型式的风力机的功率系数CP、扭矩系数CT，与叶尖速比TSR有一定的关系，如下图1所示。可以看出，水平轴螺旋桨式及立轴达里厄型风力机的功率系数大，扭矩系数小，运转速度高，适用于风力发电;而水平轴多叶片式风力机功率系数小，扭矩系数大，运转速度低，不适合于风力发电，但适合于风力提水。

分类

根据叶尖速比的不同，我们可以把风电机分成两类：慢速比风电机和快速比风电机：

慢速比风电机

慢速比风电机的速度比最大为2.5。所有以阻力原理作用的风电机的叶尖速比都小于1，属于慢速比风电机。以浮力原理作用的风电机，如果其叶尖速比在1到2.5之间，也被称为慢速比风电机。Westernmills和某些风力泵的叶尖速比大概是1，而Bock风车以及荷兰风车的叶尖速比大概是2。

快速比风电机

快速比风电机是指按照浮力原理作用的风电机，并且其叶尖速比在2.5到15之间。几乎所有的现代风电机（叶片数一到三）都属于此类。

叶尖速比对风电机的建造结构和形状有很大的影响，比如：

叶片转速：如果叶片长度一定，那么叶尖速比越大，叶片的转速也就越快。只有一个叶片的风电机，其叶尖速比很高，旋转速度也要比三叶片的风电机快的多。需要注意的是，风力泵的叶尖速比虽然属于慢速比机械，但旋转速度一般都很快。原因是其转动直径很小，最终圆周速度相对低很多，所以属于慢速比机械。

叶片数：Westernmills的叶尖速比比较低（大约为1），所以需要更多的叶片来遮挡风，一般有20到30个叶片；荷兰风车的速度比大约为2，一般有4个叶片。现代三叶片风电机的叶尖速比大约为6，而一个叶片的风电机，其叶尖速比大概为12。

叶片切面：快速比风机的叶片一般都设计的细长而薄，其原因就是叶片切割风的时候，与风的相对速度十分高。

风机的转化效率系数：快速比风机由于产生的涡流损失要比慢速比风机低很多，所以其作用系数要明显比慢速比的风机高。一般慢速比风机的转化效率系数cP在0.3到0.35之间，而快速比的风机能够达到0.45到0.55。

风能利用系数Cp为风力机将风能转换为机械能的效率，它与风速，叶片转速，叶片直径和桨叶节距角均有关系，是叶尖速比和桨叶节距角的函数。

选择

对叶片弦长的影响

根据贝兹提出的风力机致动盘理论，为获得最大的风能利用系数，应使轴向诱导因子a=1/3，即进入风轮的风速 V1=2/3Vo然而只有对叶片气动外形进行专门的优化设计，才能满足上述条件，捕获最大风能。根据动量-叶素理论，可以得到不同设计叶尖速比时叶片的弦长分布。

在同样截面位置的弦长与叶尖速比的平方成反比，叶尖速比越大，弦长越小。由图2可以清楚地看出不同设计叶尖速比的弦长分布由叶素理论知道，作用于叶素的升力和阻力与弦长成正比。

设计叶尖速比减小，弦长增大，叶片的轴向推力等载荷增大，这就需要通过增加铺层来增加叶片的刚度，保证叶片不会因为轴向推力的增大而与塔架发生碰撞。另一方面，弦长增大将导致叶片表面积增大，从而增加铺层材料。这两方面都将导致叶片成本的增加。同时，弦长增大也导致整机载荷增大，需要增加整机塔架、轮毂等部件的强度才能满足载荷增大的要求，从而增加整机成本。所以，为减少叶片和整机的载荷成本，需要增大叶片的设计叶尖速比。

对叶片气动性能的影响

设计叶尖速比对叶片气动性能的影响较为复杂。一方面影响弦长分布和扭角分布，从而影响叶片的气动性能。另一方面，设计叶尖速比增大，叶片的尾流损失，叶尖损失将增大，而翼型损失将减小。

选择几种设计叶尖速比，得到几种弦长和扭角分布不同的叶片，然后对叶片气动性能进行计算。从图3中可以看出，设计叶尖速比过大（TSR=13）或过小（TSR=5）时，叶片最大功率系数较低，气动性能都较差；在8-10左右时，最大功率系数都在0.495以上，气动性能都较好，该范围内，叶尖速比的改变对最大功率系数影响较小。对于不同类型的片，有不同的最佳设计叶尖速比范围。

对机组运行曲线的影响

叶尖速比不但影响叶片自身的特性，还会影响风力发电机组的运行曲线，从而影响发电量。现代兆瓦级水平轴风力发电机组，基本都是采用变速变桨方案。在额定风速以下的大部分范围，通过控制电机的扭矩和转速关系，调节风轮转速，使风轮转速与风速成正比，使机组运行在设计叶尖速比下，从而最大程度地捕获风能。

从图4和图5可以看出，设计叶尖速比从8增加到10，V2从9.5 m/s减小到7.7 m/s。一方面，。7-9.5 m/s风速范围内功率下降。另一方面，从7.7 m/s开始，叶尖速比和Cp就已开始下降，达到原额定风速（10 m/s）时，Cp值降到了0.42，不能达到额定功率，当风速增大到11m/s时才能达到额定功率。设计叶尖速比增大后，在7.7-11m/s功率明显降低，从而发电量降低。

所以，为增大机组发电量，需要减小叶片设计叶尖速比。

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