1.翼型绕流的力学分析
物体在空气中运动或空气流动物体时，物体将受到空气的作用力，称为空气动力。空气动力通常由两部分组成：一部分是由于气流绕物体流动时，在物体表面处的流动速度发生变化，引起气流压力的变化，即物体表面各处气流的速度与压力不同，从而对物体产生合成的压力；另一部分是由于气流绕物体流动时，在物体附面层内由于气流黏性作用产生的摩擦力。将整个物体表面这些力合成起来便得到一个合力，这个合力即为空气动力。
图4-9给出了气流流经叶片时的流线分布。气流在叶片的前缘分离，上部的气流速度加快，压力下降，下部的气流则基本保持原来的气流压力。于是，叶片受到的气流作用力F可分解为与气流方向平行的力Fx和与气流方向垂直的力Fy，分别称为阻力和升力。根据气体绕流理论，气流对叶片的作用力F可按如下公式计算：
图4-9 气体的叶片绕流
式中，Cr为叶片总的空气动力系数；V为吹向物体的风速；ρ为空气密度；A为叶片在垂直于气流方向平面上的最大投影面积。
叶片的升力Fy与阻力Fx按下式计算：
式中，Cy为升力系数；Cx为阻力系数。
Cy与Cx均由实验求得。由于Fy与Fx相互垂直，所以
并且
对于同一种翼型（截面形状），其升力系数和阻力系数的比值，称为升阻比（k）：
2.影响升力系数和阻力系数的因数
影响升力系数和阻力系数的主要因数有翼型、攻角、雷诺数和粗糙度等。
（1）翼型的影响
图4-10给出了三种不同截面形状的叶片。当气流由左向右吹过时，产生不同的升力和阻力。阻力：平板型＞弧板型＞流线型；升力：流线型＞弧板型＞平板型。对应的Cy与Cx值也符合同样的规律。
图4-10 不同叶片截面形状的升力与阻力
（2）攻角的影响
气流方向与叶片横截面的弦（L）的夹角α称为攻角，其值的正、负如图4-11所示。Cy与Cx值随α的变化情况如图4-12所示。
图4-11 攻角
图4-12 Cy与Cx值随α的变化关系
（3）雷诺数的影响
空气流经叶片时，气流的黏性力将表现出来，这种黏性力可以用雷诺数Re表示：
式中，V为吹向叶片的空气流速；L为翼型弦长；γ为空气的运动黏性系数，γ＝μ/ρ，μ为空气的动力黏性系数，ρ为空气密度。
Re值越大，黏性作用越小，Cy值增加，Cx值减少，升阻比k值变大。
（4）叶片表面粗糙度的影响
叶片表面不可能做得绝对光滑，把凹凸不平的波峰与波谷之间高度的平均值称为粗糙度，此值若大，使Cx值变高，增加了阻力；而对Cy值的影响不大。制造时应尽量使叶片表面平滑。
3.实际叶片表面的受力分析
如图4-13所示是水平轴风力机的机头部分。风轮主要由两个螺旋桨式的叶片组成，风吹向叶片时，叶片产生的升力（Fy）和阻力（Fx）如图4-14所示；阻力是风轮的正面压力，由风力机的塔架承受；升力推动风轮旋转。现在风力机的叶片都做成螺旋桨式的，其原因如下所述。
图4-13 水平轴风力机的机头
图4-14 风力转化为叶片的升力与阻力
由于风轮旋转时，叶片不同半径处的线速度是不同的，因而相对于叶片各处的气流速度在大小和方向上也都不同。如果叶片各处的安装角都一样，则叶片各处的实际攻角都将不同。这样除了攻角接近最佳值得一小段叶片升力较大外，其他部分所得到的升力则由于攻角偏离最佳值而不理想，所以这样的叶片不具备良好的气动力性。为了在沿整个叶片长度方向均能获得有利的攻角数值，就必须使叶片每一个截面的安装角随着半径的增大而逐渐减小。在此情况下，有可能使气流在整个叶片长度均以最有利的攻角吹向每一叶片，从而具有比较好的气动力性能。而且各处受力比较均匀，也增加了叶片的强度。这种具有变化的安装角的叶片称为螺旋紧型叶片，而那种各处安装角均相同的叶片称为平板型叶片。显然，螺旋桨型叶片比起平板型叶片要好得多。
尽管如此，由于风速是在经济变化的，风速的变化也将导致攻角的变化。如果叶片装好后安装角不再变化，那么虽在某一风速下可能得到最好的气动力性能，但在其他风速下则未必如此。为了适应不同的风速，可以随着风速的变化，调节整个叶片的安装角，从而有可能在很大的风速范围内均可以得到优良的动力性能。这种桨叶称为变桨距式叶片，而把那种安装角一经装好就不再能变动的叶片称为定桨距式叶片。显然，从气动性能来看，变桨距式螺旋桨型叶片是一种性能优良的叶片。
还有一种可以获得良好性能的方法，即风力机采取变速运行方式。通过控制输出功率的办法，使风力机的转速随风速的变化而变化，两者之间保持一个恒定的最佳比值，从而在很大的风速范围内均可使叶片各处以最佳的攻角运行。
4.风力机的工作性能
（1）风轮功率
如图4-15所示，当流速为V的风吹向风轮，使风轮转动，该风轮扫掠的面积为A，空气密度为ρ，经过1 s，流向风轮空气所具有的动能为
若风轮的直径为D，则
这些风能不可能全被风轮捕获而转换成机械能，设由风轮轴输出的功率为N（风能功率），它与Np之比称为风轮功率系数，用Cp表示。即
于是
Cp值为0.2～0.5。可以证明，Cp的理论最大值为0.593。
由上述公式可知：
①风轮功率与风轮直径的平方成正比；
②风轮功率与风速的立方成正比；
③风轮功率与风轮的叶片数目无直接关系；
④风轮功率与风轮功率系数成正比。
（2）系统效率和有效功率
吹向风轮的风具有的功率为Np，风轮功率为N＝CpNp，此功率经传动装置、做功装置（如发电机、水泵等），最终得到的有效功率为Ne。则风力机的系统效率（总体效率）η为
式中，ηi为传动装置效率；ηk为做功装置效率。
这样，风力机最终所发出的有效功率为：
图4-15 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构
对于结构简单、设计和制造比较粗糙的风力机，η值一般为0.1～0.2；对于结构合理、设计和制造比较精细的风力机，η值一般为0.2～0.35，最佳者可达0.40～0.45。
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