（流体机械及工程专业论文）h型垂直轴风力机风轮气动设计及气动性能研究.pdf

摘要 垂直轴风力机与水平轴风力机相比，两者在设汁方f f l 虽然具有相同的理论基础，但 气动性能却有很大的差异，垂直轴风力机彳 入，而且叶片 在逆风区时会产生较大的反向力矩，降低了转动轴的总力矩，故其能量利用率较 低。从2 0 世纪2 0 年代开始，很多学者对s a v o n i u s 风机的气动性能进行了大量 的风洞实验研究。结果表明，风机的最大能量利用率系数仅能达到0 3 左右。因 硕十学俯论文 此，s a v o n i u s 风机通常只适合于小型垂直轴风电机组，用来给抽水设备等供电。 由于阻力型风机的上述局限性，很难实现商业化运作，而升力型风机则恰恰克服 了阻力型的缺陷，现实中得到广泛应用。升力型垂直轴风力机利用翼型的升力做 功，最典型的是由与萨涡纽斯同时代的法国人达早厄斯首创的达里厄斯型 ( d a r r i e u st y p e ) 风力机。根据风叶的形状，达罩厄斯型风力机又有多种形式，如 图6 所示的型、h 型、型、y 型和形等，其中以h型风轮和型风轮最 为典型。d a r r i e u s 型风力机的转速高，旋转惯性大，结构相对简单，适合大型风力 初。 广 0 s 麴 s 凶 辫篓粥錾 警援式 玲四 印瑟选毽惹 麴迭鬃缒 麓鬓塑 图5 各种形式的垂直轴风力机示意图 望j i i j 曩| | 爱i7：07 垒 缓缓 薹i ；i ii 懑 缓t 誓 图6 各种形式的o a rrie l l s 垂直轴风力机 h 州艰冉4 1 n 吼力机恨轮气功设汁，乏气功悱能研究 1 3 国内外风电发展现状 1 3 1 国外风电发展现状 2 0 l0 年，尽管全球风电以新增装机3 9 4 g w 的成绩将风电产业的发展推向了 一个新的起点。但是，世界风电在经历了连续五年的爆发性增长后，在2 0 1 0 年首 次呈现放缓趋势，新增容量的发展速度仅为3 1 ，比2 0 0 9 年下降了4 0 个百分点。 风电增速放缓的主要因素还是受经济复苏缓慢的拖累，美国政策导向不明，加之 欧洲等国债危机的影响，风电传统强国的发展速度明显放缓。 可喜的是亚洲成为重要的新兴市场，在良好政策环境的支持下，2 0 l0 年亚洲 市场增长强劲在很大程度上抵消了欧美地区的疲软，中国市场尽管不再持续翻倍 增长，但新增装机达到了1 8 9 g w ，以占全球新增市场的4 8 的姿态领跑全球风电 市场，累计装机超过美国，跃居世界第一。美国、德国、西班牙、印度紧随其后， 五国占全球累计装机的7 3 啤1 。 风电产业在全球普及的程度有所提高，目前已有1 0 0 多个国家丌始发展风电， 但主要市场还是相对集中，受欧洲、亚洲和北美的主导。此外，由于英国等欧洲 国家大批海上风电项目的实施，海上风电成为亮点引起投资热潮和各国关注，2 0 10 年海上风电新增容量超过了1 4 4 4 m w ，欧盟市场依然占据绝对主导的地位。 风电制造业的发展格局正在发生变化，新兴制造企业与传统国际供应商间的 竞争同益激烈。华锐、金风、近几年的井喷式发展，迅速成长起来，向欧洲等传 统制造商提出了挑战，大型风电机组的竞争也初露端倪。同时风电市场的开发也 逐步向大型开发商集中。 展望未来五年，风电还会持续增长。欧盟有望在2 0 1 5 年将风电装机容量提高 至15 0 1 8 0 g w ，平均增速在12 左右；美国2 0 1 1 年以后风电和太阳能发电支持政 策会出台，风电会出现恢复性增长；印度政府也希望将可再生能源占所有装机容 量的比例提升到3 5 。此外，北非、非洲撒哈拉以南和拉丁美洲也显现出许多令 人振奋的迹象。 1 3 2 国内风电发展现状 2 0 1 0 年，我国除台湾省外其他地区共新增风电装机1 8 9 3 g w ，保持全球新增装 机容量第一的排名。累计风电装机容量4 4 7 3 g w ，超过美国跃居世界第一位。目前 我国有2 9 个省、市、自治区( 不含港、澳、台地区) 有了自己的风电场，其中风 电累计装机超过2 g w 的省份有7 个。内蒙古自治区以累计装机1 3 8 6 g w 的成绩领跑我 国风电发展，紧随其后的是甘肃、河北和辽宁凹3 。 随着上海东海大桥l o 万k w 风电场的成功并网运行，我国成功迈出了海上风电 发展的第一步。2 0 1 0 年，国家已经启动了第一批江苏1 0 0 万k w 的海上风电特许权招 标项目，并将很快启动第二批海上风电特许权招标项目。海上风电的丌发和建没， 将为可再生能源的发展做出重要贡献。 中图i 鲴电集团2 01o f f 新增风咆装机3 4 9 0 4 5 m w ，继续保持我f 词装机容量第一， 同时五人发电集团占掘全国5 6 的比例。更多丌发商的积极参与，虽尚未撼动五大 发电集团的领先优势，但无疑将给中罔风电场开发建设带来新的增长点和注入更 多的活力及财力。 2 0 10 年中国十大j x l 电机组制造商排名相对稳定，华锐仍高居首位，新的十强 中增加了上海电气和沈阳华创，但有几家曾长期位居十强的企业出现下滑。2 0 10 年新安装机组中1 5 m w 署h2 m w 是主要的机组类型，致使我国风电机组平均功率上升 至14 6 6 8 k w 。与此同时，随着海上风电在全球范围内得到进一步的关注，越米越 多的供应商投身于大型风电机组的研发竞争之中。 随着风电经济性的进一步提升和风电并网消纳问题的逐步解决，未来五年， 由于政府政策的强力支持，中国将继续引领世界风电的发展。据业内专家估计， 2 0 ll 一2 0 1 5 年期间，中国的风电年平均增量在1 5 2 0 g w 之间，其中海上风电平均 每年新增l g w 左右。到2 0 1 5 年术，累计容量达到1 0 0 1 5 0 g w ，实现发电量2 0 0 3 0 0 t w h 。其中海上装机容量达到3 5 g w ，发电7 5 10 t w h ，约占全国风电装机的 3 和发电量的4 。 为完成到2 0 2 0 年我围非化石能源在一次能源消费中的比重达到l5 的目标，风 电将作为清洁能源的重要发展方向，在“十二五”规划的初稿中，规划的风电发 展目标，到2 0 1 5 年，全国累计并网运行风电装机容量达到10 0 g w ，年总发电量超过 19 0 t w h ，其中海上风电总装机容量达到5 6 w 。 1 4 国内外垂直轴风力机研究状况 1 4 1 国内垂直轴风力机研究现状 虽然目前世界各地的大部分风场所用的风力机为水平轴的，但由于垂直轴风 力机，尤其提到达里厄型( d e r r i e u s ) 风力机，有着优越的空气动力性能，提高了 效率，并且很大程度降低了造价，所以近年来广泛受到各国n 争1 6 1 研究人员的关注。 达里厄型风力机是由法国人g j m d a r r i e u s 于19 2 5 年发明的，l9 3 1 年取得专利 权。当时这种风力机并没有受到注意，直n 2 0 世纪7 0 年代石油危机以后，才得到 加拿大国家科学研究委员会和美国圣地亚( s a n d i a ) 国家实验室的重视，并进行大 量的研究。美国第一个达里厄型j x l 机只有1 2 英寸高，安装在一个工程师的桌子上， 圣地亚的研究人员用扇子扇风来运行这个小风机。之后，制造一个5 米高的模型， 叶片是由钢结构做骨架，并用泡沫塑料和玻璃纤维罩面，叶片截面采用一般用于 螺旋桨的泪珠形。实验人员把它安装在屋顶上，并且需要手动来启动它绕轴旋转。 h 州艰n 轴风力机风轮气功殴计及，弋动，r f 能研究 l9 7 5 年圣地哑l7 米的达罩厄风力机的模型，运行超过l0 ，0 0 0 小时，状念良好。从 此，达罩厄风力机用于商业开发，并且在气候条件良好的福利尼哑州建风力发电 场，该风场有5 0 0 多个上述风力机。 8 0 年代中期，d o e 公司丌始关注在s a n d ia 进行的有关垂直轴风力机( v a w t ) 的 降低造价以及提高可靠性方面的研究，并且给予了资金方面的支持。至此，垂直 轴风力机的研究主要集中于几个方面：空气动力学，结构动力学，疲劳及可靠度， 系统工程等。 由于17 m 达罩厄型风力机的成功，s a n dia 研究人员在1 9 8 8 年建成了高达3 4 m 的 风力机试验模型。该v a w t 容量为5 0 0 k w ，满足该地区一半以上的用电量。其主要特 性是在一定的转速范围内( 2 5 4 0 r p m ) 它都能很好工作，而大多数的风力机只能在 某一恒定风速下运转引。之后，d o e 继续支持s a n d i a 的进行垂直轴风力机结构动 力研究。s a n d i a 实验室j 下利用它的计算机模型计算各种工况下产生的应力，并进 一步分析对结构运转产生的影响。 垂直轴风力机设计模型主要有：( 1 ) 单流管模型3 ；( 2 ) 多流管模型引；( 3 ) 双向多流管模型3 1 ；( 4 ) 涡流模型4 1 。 随着计算机的发展，计算流体力学( c f d ) n 引已形成独立的学科分支，成为研 究流体运动规律、解决实际工程问题的三大手段( 理论、试验、计算) 之一。在 流体机械方面，其内部流场的计算和分析也主要依赖于c f d ，在n a v i e r s t o k e s 方程求解时，流场被划分为定常和非定常、可压缩和不可压缩。边界层理论以及 不同湍流模式的引入，使得对流体的处理也由早期的理想流体逐渐过渡到实际流 体。 国外一些风力机研究机构已采用c f d 方法对翼型的气动性能进行了的模拟和 计算n6 | ，从设计方法上讲，应用c f d 模拟计算垂直轴风力机有很大的优点所在，特别是 直叶片垂直轴风力机，它可简化为二维进行模拟。因此，应用c f d 模拟计算设计垂直轴 风力机是当今趋势。 1 4 2 国内垂直轴风力机研究现状 国内对于垂直轴风力机的研究相比国外较晚，d a r r i e u s 型风力机在国内应用 比较少，也只有部分地区用到结构相对简单的h 型风力机。2 0 0 6 年7 月，中国立轴 风力发电试验基地在内蒙古化德县正式启动运行。由国务院三峡办牵头组织，哈 尔滨工程大学、中国航天研究三院与哈尔滨电机集团等单位参与研制的5 0 k w 的 小样机组已建成投入运行开始发电，这是我国自主研发、拥有自主知识产权的新 型风力发电机组。2 0 0 7 年底实用型1 5 m w 大样机在化德县试验基地投入运行， 现已正式定型生产。 硕十学f 一论文 上海麟风风能科技主导产品为h 型风力机，麟风在大型立轴风力机上采用 变“攻角”技术，使得风轮在旋转过程中，根据风速、风向的变化，使1 1 - 片的“攻 角”保持受控变化，始终处于最佳攻角位置，以达到最大风能利用率。麟风开发 的小型立轴风力机已经成功应用于楼顶、高速公路监控系统、航海等领域。 青海省科技厅于2 0 0 8 年把“适应青海j x l 资源特点的风力发电机组研发及并 网试验研究”项目列入当年重点科技攻关计划并给予支持。针对地处青藏高原地 区的青海风资源特点，项目组经过3 年的研究，在2 0 1 1 年研发出7 5 0 千瓦大型垂直 轴风电机组，研发的机组单位千瓦造价低，安装、运行维护成本低，单位发电成 本低，具有明显的综合成本优势。目前，机组已经在同月山风电场并网运行，超 过并网运行时问行业标准的要求，具备了产业化生产的条件，可以扩大使用推广 范围。2 0 10 年，国能风电研发出了具有自主知识产权的1 m w 垂直轴风力发电系统， 与常规的水平轴风力发电机组相比，单位千瓦能力投资可下降5 0 左右，同时在风 速超过额定风速后可继续保持稳定的输出功率。 1 5 本课题的研究内容 垂直轴风力机与水平轴风力机相比，两者在设计方面虽然具有相同的理论基础，但 气动性能却有很大的差异，垂直轴风力机不能完全采用水平轴风力机的设计方法进行设 计。困内外学者对影响垂直轴风力机气动特性的主要因素也进行过多方研究7 屯，但作 为垂直轴风力机的设计理论和方法还很不完备。本课题将进行h 型垂直轴风力机风轮设 计、分析影响风轮气动性能的因素以及利用c f d 技术对其进行数值计算，其主要内容包 括： 1 根据垂直轴风力机相关设计理论初步确定风轮的扫风面积、叶片数、叶片弦长、 实度等风轮参数。 2 根据垂直轴风力机相关理论模型编辑相应的m a t l a b 程序并验证【2 2 彩1 ，利用 此程序对风轮的参数进行优化，并分析了相关参数对风力机气动性能的影响。 3 为了提高风力机c f d 模拟的计算精确度，本课题探讨不同湍流计算模型、不同 出口边界、不同网格划分方法与不同雷诺数对风力机翼型气动性能计算精度的影 响： 4 为分析直叶片垂直轴风力机流场特性，采用滑移网格技术模拟二维垂直轴j x l 力 机的非定常流场，并与双多流管理论模型所得性能曲线进行对比。同时，得到了风轮在 不同方位角时的速度等值云图，分析其变化规律。 h 巧! 乖啊轴风，j 饥风轮气功设汁及气动陀能f i j f 究 第2 章风力机基本理论 2 1 风力机的基本理论 风力机发电是通过风轮将风能转换成机械能，再将机械能转换成电能的过程。 因此构成风轮的叶片的空气动力学性能直接影响着风能转换的效率。本章将介绍 风力机的基础理论和风力机的空气动力学原理及翼型基本理论，为下文风轮的设 计、气动性能分析和翼型的气动性能分析奠定理论基础。 2 1 1 贝茨理论 贝茨( b e t z ) 理论是基于水平轴风力发电机的，但是作用在运动翼型上的空气 动力、以及在力学相似条件下运行的几何相似风力机的概念，对垂直轴也是适用 的。而且，对垂直轴风力机功率的估算也要与用贝茨公式计算的最大功率相比较。 风力机的第一气动理论是由德国的b e t z 于19 2 6 年建立的。贝茨理论是应用 一元定常流动的动量方程，来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。 贝茨理论【2 】的假设条件如下： ( 1 ) 风轮流动模型可简化成一个流管，如图2 1 所示； ( 2 ) 风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘； ( 3 ) 风轮叶片旋转时没有摩擦阻力，风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的 气流静压相等； ( 4 ) 作用在风轮上的推力是均匀的。 流管 图2 1风轮流动的单元流管模型 假定空气是不可压缩的，连续性条件可以表达为： s 巧= s v = 是k ( 2 1 ) 式中：k 一风轮上游风速，m sk 一风轮下游风速，m s ； 风作用在风轮上的力可由动量定理得出： f = p s v ( v , 一k ) ( 2 2 ) 因此风轮所吸收的功率为： p = f v 2 p s v2 ( k k ) ( 2 3 ) j x l 轮前后气流动能的变化量为 a t - - 寺p s v ( v , 2 一v 2 ) 二 ( 2 4 ) 由于输出功率是由动能转化的，所以使t 和p 的表达式相等，则得到 y 一塑 ( 2 5 ) 2 由于j x l 轮前方的气流速度k 是给定的，功率p 的变化可以看成为k 的函数，则： 万d p = 百1p s ( v , 2 2 k 一3 呼) ( 2 7 ) 令方程式d p d k = 0 有两个解： 砭= 一k ，没有物理意义；k ：3 ，这时对应的功率最大。 把k ：形3 代入p 的表达式，可得到风轮所能产生的最大功率： 。万8p s v i 3 = 0 5 9 3 互1p s v , 3 ( 2 8 ) 在风力机输出最大功率时，穿过风轮的风速是( 2 3 ) v 。，下游的风速是( 1 3 ) v ，。 风能输出的极限值说明风力机从自然风中所能索取的的能量是有限的，其功率损 失部分可以解释为留有尾流中的旋转动能。 实际情况下，在能量的转换过程中，由于存在各种损失，j x l 轮的输出功率必 然有所下降，而且由于采用的风力机和发电机的形式不同，其能量损失也不一样， 一般约为最大输出功率的1 3 。也就是说实际风力机的功率利用系数c p 0 5 9 3 。 2 1 2 叶素动量理论 ( 1 ) 动量理论 该理论主要考虑风力机轴向的动量变化，其主要用来描述作用在风力机风轮 上的力与来流速度之i b j 的关系，以及用来估算风力机的理想出功、效率和流速； 但却无法将叶片上的受力与绕流细节建立起联系，贝茨理论属于动量理论的一种。 ( 2 ) 叶素理论 垂直轴风力机获取能量的主要部分是风轮，风轮由叶片构成。叶片以翼型为 基础，以此形成叶素，即翼剖面，其形状和受力如图2 2 所示。 风力机在旋转过程中，气流以相对速度吹向翼型，作用在翼型表面上的空 气压力是不均匀的，在上表面气压减少而在下表面则增加。根据伯努利理论，翼 型上表面的气流速度高于翼型下表面的气流速度。作用在翼型上的力可分解为与 h 州艰亢轴风力机风轮气功设汁及气动忡能研究 相对速度垂直的升力f 和与其平行的阻力易。 f ：三p q 。，s 形2 z ( 2 9 ) c = 三1p s w 2 式中：g 。，是攻角为口时的升力系数，q 。，是攻角为口时的阻力系数。 翼型上的气动力合力即为 f = 踊 由图2 2 可知叶素处的合成气流速度w 可表示为 w ：打i 万i 鬲丽 叶素处的入流角矽和迎角口分别司表不为 细c t a n 揣 口= 彩一0 这时，作用在风轮平面d r 圆环上的轴向力( 推力) 可表示为 d t = 专n p c w 2 c 加 式中n 一一叶片数 作用在风轮平面d r 圆环上的转矩为 d m = 之n p c w c t r d r 图2 2 叶素上速度三角形和空气动力分量 b ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 2 2 垂直轴风力机空气动力学设计理论 随着现代风力机研究深入，人们对垂卣轴风力机的研究也越来越霞视，预测 其性能的各种模霉! 耷h 继问世。主要有：( 1 ) 单流管模型：( 2 ) 多流管模擂! ；( 3 ) 双向多流管模型；( 4 ) 涡流模型。直叶片垂直轴风力机足垂直轴风力机中的一种， 以上相关理论同样适合直叶片垂直轴风力机。 2 2 1 单流管理论的气动设计模型 单流管模型是最简单的用于预测垂直轴风力机气动性能的模型。它足由加拿 大困家研究委员会航空实验室r j t e m p l i n t 提出 12 1 。t e m p l i r t 对抛物形叶片的达 罩厄风轮进行了大量的研究。他把达罩厄整个风轮当成一个流管( 即单流管) ，且 假设有一恒诱导速度扫过风轮，利用动量理论及作动盘理论推导出气动性能关系 式： q = 磊c 卜等悉d o d z 但16 其中罟国，= 方w2 可o r 页r ( 1 硐3 ( 2 1 7 ) 1 一g k 2 一( 2 18)g 1 + 、叫 g = 等re u 矿w 2 ( es i n 0 - c 慧) ( 2 1 9 ) 因此可以利用这些方程，得出不同尖速比如值下的功率p 、功率系数印的 值。 2 2 2 多流管理论的气动设计模型 为了克服单流管模型扫风面上诱导速度恒定的缺陷，s t r i c k l a n d 在19 7 5 提出： 用多流管模型来计算垂直风力机的性能】，这一理论模型比单流管要全面，但计 算也更加复杂。主要不同点是，多流管模型考虑的诱导问题更加的体现实际情况。 如图2 3 所示根据伯努里定理，通过j x l 轮基元截面流管内叶片所受平均力可表 达为： c = 2 p a s 矿( 圪一v ) ( 2 2 0 ) 式中，p 空气质量密度；a 为基元截面流管迎风面积；v 为流管风速；圪为来 流风速。 通过受力分析，得到无量纲法向力r 和切向力弓考虑到叶片数n 的影响， 将d a r r i e u s 风轮沿高度方向分成m 等分，周向m 等分，根据运动分析，动量定理及 扭矩转速关系，得d a r r i e u s 风力机风轮总功率系数c p 关系式为： h 叮q 乖市轴风力饥风轮产( 功设汁及气功+ r f ：能= f i j 究 印：t z l l2 r s i n , 型e _ ，苹二 ( 2 21 ) 式中，w 为叶片运动相埘速度：杉为叶片最大直径处的旋转切线速度；n 为叶 片数；c 为叶片弦长；万为叶片截面基元与叶片截面夹角；r 为最大截面半径；r 为叶片截面半径 图2 3d a r r i e u s 风力机流管示意图 2 2 3 双向多流管理论的气动设计模型 1 9 8 1 年，p a r a s c h i v o i u 提出另一种模型对垂直轴风力机气动性能进行分析与 预测，这就是著名的双向多流管模型n 引。在这种模型中，风轮被分为上流管和下 流管。在每一个风轮都有一前一后两个透平，在每个流管应用叶素理论和动量方 程，可得到诱导阻力因子关系式： f u e u = 万7 7 ( 1 一u ) ( 2 2 2 ) 厶的关系式为： q 。= ( 尺叫圪) c o ， ( 2 2 5 ) 由6 仃透平计算所得的诱导速度，在每个后透平流管中j 衄用叶素理论和动量方 程，可得到诱导阻力网子，因此可得后f j ，j - 透平截面的转距系数和功率系数c p ： i = 筹n g 7 ( 去) 蜊臼 汜2 6 ， q 2 = ( r o , v 。) c 0 2 ( 2 2 7 ) 因此整个风轮功率系数关系式为： c p = q l + c ，2 ( 2 2 8 ) 2 2 4 涡流模型 19 7 6 年，h o l m e 仓0 立了涡流理论【1 5 1 他假设流体为半定常流动，叶片为无限长， 即属二维流动。所表示的流场特点相当于双重多流管理论。假设d a r r i e u s ( 达早厄) 风轮固尾流流管为a b c d ( 如图2 4 ) ，则流管前、后部诱导速度可从尾流的脱落涡 量中得出： 设r f 、1 1 尺为前后叶环量，则有 = kf f a f v o ( 2 2 9 ) = k ( 21 1 fi + ir 尺1 ) = d r v o ( 2 3 0 ) 流= k ( 2r fi + 2f ri ) = 2 a v o ( 2 3 1 ) 考虑环量特征，有 一，r r ( 2 3 2 ) a r f f a 尺一a ，= a ( 2 3 3 ) 考虑动量有下列无量纲诱导速度( 即干扰系数) ： 叫= 器 管卜警l 汜3 4 ， 当环量以升力系数表达时，则可从以上方程组确定a ，a f ，a 。，从而可得达 罩厄风轮的气动性能。对于涡流理论的发展，许多学者作了不少努力。m i g l i o r e 提出了较为复杂的涡流理论，他用一系列涡线模拟一独立叶片，试图预测真实的 非定常流动，但没有完全解决。19 7 8 年w i l s o n m c k i e 用同样的方法得出一较成功 的理论，然而其结果局限于非粘性的二维流动。至今最成功的涡流理论是 s t r i c k l a n a l 提出的三维理论，并经受了水箱试验的验证。另外在解法上，w i ls o n 与m c k i e ( 1 9 7 8 ) 禾0 用了解析法及线性翼型理论，s h a r p c ( 1 9 7 9 ) 采用了有限元数值法。 h 删髓九轴风，j 机风轮气劢改汁及气功。陀能研究 涡流模型用于计算立轴风力机的f l 力、力矩、功率等总体性能与多流管理论、双 重多流理论的精度差不多。但在预测叶片受力大小，远比多流管模型准确。但其 计算时问比较长，且不能同时解决高实度与高尖速比问题。 图2 4 固尾涡流流管 第3 章h 型垂直轴风力机风轮初步设计 风力机是风能工程中的核心，它是将风的动能转换成机械能和电能的装置。 通常，风力机山风轮系统、传动系统、电气系统、控制系统和塔架系统等组成， 其中风轮是关键部件，风轮叶片在风的作用下产生空气动力使风轮旋转产生转矩， 将动能转换成机械能，再通过传动系统和电气系统将机械能转化成电能。因此， 风能工程中的空气动力学问题主要是风轮空气动力学问题。 3 1 叶片翼型选取 对于垂直轴轴j x l 力机来况，它的叶片可以是直的，也可以是弯曲的，属于直 叶片的垂直轴风力机如可变几何型风力机，属于弯曲叶片垂直轴风力机如达罩厄 型风力机，弯曲型叶片不具有限速的功能，而直叶片垂直轴风力机可以实现限制 风轮转速的目的。对小型风力机来说，考虑结构简单和成本等因素，采用固定节 距浆叶直叶片，由于垂直轴j x l 力机j x l 轮作园周运动，其径向力和切向力具有不断 地增加或减少，其圆角3 6 0 。范围内，叶片力距系数是变化的，为了最大限度提 高气动效率，翼型特性应具有下列要求： a ) 翼型应具有较高的升阻比以达到较大的功率输出； b ) 翼型有较好的失速特性以适应经常在失速的工况下运行； c ) 翼型的升力系数大，阻力系数小； 目前用于风力机叶片的翼型有两类：一类是航空翼型和它的修型；另一类是风 力机翼型。在垂直轴风力机中，一般采用n a c a 0 0 系列对称翼型，现选取了 n a c a 0 0 12 、n a c a 0 0 15 和n a c a 0 0 18 三种翼型，对其气动性能进行对比分析， 然后选择性能相对较好的作为设计时的翼型。 设定的来流风速为v = l2 m s ，空气的密度由于速度不大，可认为是恒定的取 p = 1 2 2 5 k g m 3 ，研究的翼型的弦长取为l m ，空气粘度系数取为1 7 5 1 0 5 ，则雷 诺数取值为r e = 0 8 2 10 6 ，根据美国s a n d i a 国家实验室的试验结果利用m a t l a b 进 行插值法得出三种翼型在r e = 0 8 2 10 6 的升力系数、阻力系数和升阻比的曲线如 下 h 型垂直轴风力机风轮气动设计及气动性能研究 1 2 1 g 0 糕0 溺 - r ：0 融 0 2 o 051 0 攻角( 。) 1 52 02 5 图3 1升力系数变化曲线 由升力系数变化曲线看出，虽然n a c a 0 0 12 的c l 最高值最大，但是其失速攻角 较小，约在11 。左右；而n a c a 0 0 18 翼型的失速攻角在1 4 。，且其厚度相对较 厚，根据文献 2 8 】，翼型厚度越大，后缘分离的发展就比较缓慢，流谱的变化更 连续，其失速性能更好。这就解释了n a c a 0 0 18 的升力系数曲线变化相对平缓的 原因。 0 3 5 0 3i ，、0 2 5 1 。 弋) u 。0 2 ； 疑 幡0 1 5 1 r 寥0 1 i 0 0 5 0 l 051 0 攻角( 。) 1 52 0 图3 2 阻力系数变化曲线 由图3 2 可看出，翼型n a c a 0 0 15 的阻力系数相对较小，而其它两种翼型的阻力 系数变化比较接近。 硕十! 学俯论文 8 0 7 0 6 0 芝5 0 u 丑4 0 血 蒹3 0 2 0 l o 0 051 0 攻角( 。) 1 52 02 5 图3 3 升阻比变化曲线 翼型的升阻比大小反映了翼型的气动效率，升阻比越大，翼型的气动效率越 高。从图3 3 中可以看出，在攻角增大的过程中，翼型的升阻比大体上呈现先增 大后减小的趋势。三种翼型的最大升阻比都出现在8 。攻角附近，n a c a 0 0 1 2 的 最大值为7 l ，n a c a 0 0 1 5 的最大值为6 4 ，n a c a 0 0 1 8 的最大值为6 1 。虽然 n a c a 0 0 18 的升阻比的最大值相对其它两种翼型稍小，但是在l4 。以前，其随攻 角的变化曲线相对较平缓。 综合分析比较，由于n a c a 0 0 l8 的升力性能、失速性能较好，因此选用 n a c a 0 0 18 翼型作为下面设计风轮的叶片翼型。 3 2 风轮的设计特点 风轮是风力机的重要部件之一，是风能转化成机械能、电能的最重要的装置。 风力机的气动性能主要表现为风轮的气动性能，因此，风轮的设计对风力机的性 能具有重大影响。本节以前面介绍过的翼型的气动特性、贝茨理论、叶素动量理 论为基础，探讨了垂直轴风力机风轮的设计方法，并设计一直叶片垂直轴风力机 的风轮。 风轮设计主要包括确定叶片翼型、风力机的特征风速与功率、风轮的气动参 数等方面的内容。 3 2 1 风力机特征风速的确定 风力机的特征风速包括风力机的启动风速和额定风速。 ( 1 ) 风速分布函数 用来描述风速概率分布的函数有瑞利分布和威布尔函数。本文采用双参数威布 h 丌? 乖霄轴吼了j 机f 虱轮气功殴计及气功r 能研究 尔分布函数作为风速分析i 函数。威布尔函数表达式为 ( y ) ：生( 牛- e x 卅c - v ) t 】 ( 3 1 ) c cc 式中，k 为形状参数，无量纲； c 为尺度参数，单位m s ； v 为瞬时j x l 速，单位m s 。 ( 2 ) 启动风速的确定 启动风速时风力机风轮由静止开始转动并能连续运动的最小风速。风力机的 启动风速可以参照风场出现概率最大的风速v 。，； k = c ( 掣) t ( 3 2 ) k 由于升力型垂直轴风力机的启动性能较差，可以利用电动机来进行启动。 ( 3 )额定风速的确定 额定风速是指风力机达到额定功率输出时的风速。额定风速的选取对于风 力发电机组的设计和风力发电机组的成本都有非常重要的关系。若选取过高，则 机组将很难达到额定功率，同时还增加了成本；额定风速选取过低，不但增加了 制造成本，还造成了风能资源的浪费。额定风速的确定方法主要有两种：一种是 工程应用中，根据统计规律，从成本最低的角度出发，优化的额定风速与年平均 风速的比值为1 5 2 ；另一种是，从发电量最大的角度出发，用双参数威布尔概率 密度函数拟合风力机的输出功率w ( v ) ， ( y ) ：i 1p s v ，生( 兰) k - , e x p 岸) t 】 ( 3 3 ) zc cc ：c ( 毕) i 1 ( 3 4 ) 式中，s 为风力机的扫风面积，p 为空气密度，w ( v ) 的最大值对应的风速即为风 力机的额定风速，此时风力机的输出功率最大。 3 3 风轮参数的设计方法 3 3 1 计算风轮的扫风面积 选定风力机的额定功率后，风力机的风轮扫风面积s 可由式( 3 5 ) 进行估算， 1 ， 最2 言q p s r l 二 ( 3 5 ) 式中： 只，为j x l 力机的额定功率； p 是空气密度； r 1 是传动链的效率； s 为风轮的扫风面积； c 。为风能利用系数； k ，是额定j x l 速； 对于h 型垂直轴j x l 力机，其风轮的扫风面积为 s = d h ( 3 6 ) 式中：d 表示风轮直径，h 表示风轮的高度( 叶片展长) 。 3 3 2 风轮叶片数和弦长的确定 根据j t e m p l i n 的研究结果，尖速比入与r n c 的关系可表达为： 力z ：竺( 3 7 )l = ) ， n c 式中，入为风能利用系数c 。取最大值时对应的叶尖速比，其表达式为 旯：rx 磊2 _ r c n ( 3 8 ) 几= ij 6i 6 0 矿 、 其中r 为风轮半径，c 为叶片弦长，n 为叶片个数，n 为风轮转速，v 为来流风 速。低速风轮，x 取小值；高速风轮，入取大值。表3 1 给出了风轮叶片数与尖 速比入的匹配值。 尖速比入叶片数尖速比入叶片数 l8 2 443 5 26 1 25 82 4 33 88 1 52 l 表3 1 风力机叶片数与尖速比的匹配 3 3 3 风轮实度o 的选取 风轮的实度是风轮的叶片面积与j x l 轮扫略面积之比。它是和尖速比密切相 关的一个重要参数。如果风力机运行时叶尖速比较高，并且要求风力机有较高的 转速，风轮一般取较小的实度，反之，取较大的实度。垂直轴风力机的实度表达 式为 仃：丝( 3 9 一)仃= lj j 3 4 风力机风轮设计实例 3 4 1 风力机特征风速的确定 1 由于没实测数据，无法确定威命尔函数中的参数k 、c ，文中设定风力机的额 定风速为k ，= 1 2 m s 。 2 、本文设计的风力机的功率为只，= 5 k w 3 4 2 风轮参数的确定 本文没计的5 k w 垂直轴风力机，采用h 型风轮，额定j x l 速为v = 1 2 m s ，输出 功率为r = 5 k w ，转速为n = l5 0 r p m 。由此对风轮的参数进行初步的设计计算。 首先，设定风力机传动系统和发电机的的总效率为r l = 8 5 ，则得出的需要达 到的功率值为 p e = p r l = 6 6 k w 初步选择的风能利用系数为o 3 ，则由式( 3 5 ) 可得出风轮扫略面积 s = 2 0 m 2 为了在一定的转速下保证尖速比( 垂直轴风力发电机的叶尖速比入一般为 2 4 ) ，选取风轮的直径为d = 5 m ，则高度为h = 4 m 。在额定转速为1 5 0 r p m 时的尖 速比为 旯= 尺缈v = 3 2 7 由式( 3 7 ) 并综合考虑垂直轴风力机的成本以及运行稳定性，选取叶片数为n = 5 ， 弦长c = 0 2 5 m 叶片翼型根据3 1 节的比较分析，选取了升阻比较大的n a c a 0 0 1 8 翼型。 由式( 3 9 ) 计算得风轮的实度o = o 2 5 接下来根据双多流管理论，编辑m a t l a b 程序对上面的设计参数进行计算，以 验证其是否能达到所要求的功率以及功率系数。 硕卜! 伊沦文 3 5h 型直叶片垂直轴风力机双向多流管理论模型 双向多流管模型是在多流管模型的甚础上发展形成，在适当的尖速比下其计 算精度比多流管高，采用双向多流管理论对直叶片垂直轴风力机的功率、风能 利用系数进行计算。双向多流管模型示意图如图3 4 所示。 根据运动分析，动量方程各扭矩转速关系，导出直叶片垂直轴风力机上j x l 轮、 下风轮功率系数、功率关系式分别如( 3 10 ) 、( 3 1 1 ) 所示： 铲等缸小1 - k i l o ) m “n 臼) 2 + c o s 0 2 尸l = c p l 互1p y 3 2 r h 坠：! 坠丝! ! ! 呈二叠! 塑丛! 刍二墅呈! ：! ! 竺 1 - k 2 z ( c o s s ) ! - i c o s 0 q 。8 m 而焉菥萧 丑= 衫( 1 一k l ( o ) ) 0 ( - z 2 ，万2 ) q ：= 等军n r ( 1 嘞) 2 ( 舢) 2 + c o s 0 z p 2 = c p 2 j 1 y 32 尺日 盟：! ! 垒! ! 竺呈二曼! 塑竺呈巫垄二塑壁竺塑 卜k 2 ( 口) 2 x ( c o s0 ) ! - i c o s 哆。8 m 一而i 荔震霜 五= ( 1 一k 2 ( 占) ) 0 ( 州2 ，3 z 2 ) 由关系式( 3 1 0 ) 、( 3 1 1 ) 可得到风轮的总功率、功率系数 fcp = c p t + cp 2 1p ：p 1 + p 2 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 式中：仃为风轮实度，仃= n c 2 r ；m 为流管数；五为尖速比，五= o j g v ； r 为风轮半径；日为风轮高度；k 为诱导因子，k = 1 2 一圪2 v ，圪为流管尾流 速度，v 为来流速度；e 、c 分别为法向力系数、切向力系数。 一一 v 土一l 斗一l 一l 一一j 一一 一一一f 一一f 。_ 一 卜卜卜i 图3 4 双向多流管模型示意图 3 5 ih 型直叶片垂直轴双向多流管理论性能计算步骤 1 ) 首先假定了上、下风轮每个流管的诱导因子k 、毛，可以得到上、下风轮 每个流管的k 、k 值。 2 ) 计算出上、- f l x l 轮的口。、口：和叶素处的相对速度彬、形。 3 ) 计算叶素处的相对r e ，从而可以在翼型数据库中查取适当的翼型特性参 数，再进行插值计算，得到所要求的攻角下的翼型特性参数。 4 ) 根据动量方程得到一个新的诱导因子k 、k ：，如果不满足要求，就要进行 下一步叠代计算，直到叠代计算结束，输出此风轮设计的风轮总功率p 和功率系 数c b 等参数。 硕i “予：1 fi 仑艾 3 6m a tia b 程序编辑 本没计应用m a t l a b 计算软件编辑计算程序进行叠代计算，此计算程序操作方 便，计算效率高，只要输入风轮和风场的基本参数，就可以得到相应的风轮的功率、 功率系数值，计算过程及求解思路如图3 4 所示。 图3 5 计算流程图 3 6 1 模型程序验证 根据双多流管理论模型编写m a t l a b 程序计算，对模型程序的可靠性试 验结果比较验证，验证比较功率系数c p 随尖速比入的变化曲线。文献 2 6 提供了美国s a n d i a 国家实验室采用n a c a 0 0 1 5 翼型5 m d a r r i e u s2 叶片的风力机试验数据。其中选取了试验中的n = 12 5 r p m 和n - - l5 0 r p m i i 1 i j i 弦市轴风，j 机风轮气功设汁及7 ( 动。r 骱皂研究 两种转速的数据米作为与编程计算得剑相对应的结果比较，以验证其 可靠性。 04 0 03 5 o3 0 0 2 5 3 02 0 o1 5 o1 0 0 0 5 o o o o4 5 04 0 03 5 o3 0 0 2 5 盘 o 0 2 0 o1 5 0 1 0 0 0 5 oo o 图3 65 md a rri6 u s 垂直轴风力机试验数据 12345678 图3 75 md ar ri e u s 风力机的计算结果 图3 6 和图3 7 分别为试验结果与计算结果，结果显示： ( 1 ) c p 的高值区间范围基本一致( 入= 3 5 - 6 5 ) 。 ( 2 ) 对应最高c p 时的入基本一致，但计算的最高c p 值比试验值略大。， ( 3 ) 随着转速的增大，c p 值也变大。 比较结论：计算与试验的c p 高值区间基本一致。计算值与试验值的曲线走势基本 相同。 硕 j 学伊沦艾 3 6 2 风轮叶片弦长的选定 利用上节的m a tl a b 程序，结合自订面章节得到的风轮。气动参数，对风轮进行计 算，得出在弦长c = o 2 5 m 时入一p 的变化曲线如下图 7 0 0 0 6 0 0 0 5 0 0 0 ，、4 0 0 0 莹 。- 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 2 3 入 4 5 图3 8 功军曲线图 由图3 8 可以看出，当弦长为0 2 5 m 时，在来流风速一定的情况下，随着转 速的增大，功率先随之变大，达到一定的值后，逐渐减小。但是在最佳运行状态 尖速比为3 2 7 ( 即额定转速为l5 0 r p m ) 的工况下，风轮的输出功率并未达到6 6 k w ， 因此需要重新确定风轮叶片的弦长。在其它风轮气动参数不变的条件下，考虑到 展弦比对风轮气动性能的影向以及叶片强度问题，计算了弦长为0 2 6 m 一0 4 m 时的 输出功率。 7 0 0 0 6 5 0 0 6 0 0 0 邑5 5 0 0 凸一 5 0 0 0 4 5 0 0 4 0 0 0 0 2 5o 2 80 3 10 3 4o 3 70 4 0 c ( m ) 图3 9 功率随弦长的变化曲线图 t i ，_ 帚亢轴风，j 机风轮气功殴汁及2e 动性能研究 由图3 9i 叮得出，在其它气动参数不变的条件下，随着叶片弦长的增大，风 轮的输出功率先增大，当弦长为0 3 4 m 时达到最大值6 6 l7 w ，弦长再增加，功率 就迅速减小。因此将叶片弦长耿值为o 3 4 m ，再利用m a t l a b 程序验证其气动性能 是否满足设计需求。 此时的风轮的气动参数如表3 2 所示 风轮直径m 5 风轮高度m 4 叶片数 5 额定风速埘。 1 2 额定功率 6 6 0 0 叶片翼型 n a c a 0 0 1 8 空气密度k g m ， 1 2 2 5 叶片弦长m 0 3 4 尖速比肌。 3 2 7 表3 2 风轮参数 由风轮的气动参数得出其c p - 九一p 曲线如图3 1 0 o 1 3 入 图3 1 0 功率与功率系数曲线 由图3 1 0 可知，当弦长为0 3 4 m 时，在额定风速1 5 0 r p m 时风轮的额定输出 功率达到了6 6 0 0 w ，而此时的功率系数为o 3 l ，满足了设计要求。 第4 章h 型垂直轴风力机风轮气动性能分析 风力机是风能工程的核心，它是将风的动能转化成机械能和电能的装置。而 风轮是其核心部件，必须选取合适的结构形式和合理的气动参数，主要包括高径 比、升力系数、阻力系数、升阻比和风轮的实度等。因此本章主要探讨的是直叶 片垂直轴风力机风轮参数变化对其气动性能的影n 向。 4 1 风轮的高径比 对于直叶片垂直轴风力机，其高径比是风轮高度与风轮直径的比值，记为 h d 。为了分析高径比对j x l 力机叶轮气动性能的影响，在保持扫略面积s 和实度 o = n c 2 r 基本相等的情况下，给出了三种不同高径比的风轮进行比较分析，具体 参数如表4 1 所示。 风轮序高度h直径d叶片弦长c实度。高径比扫略面积 形式号( m ) ( m ) ( m )h ds ( m2 ) 13 55 80 3 90 3 40 62 0 3 h 型 2450 3 40 3 4o 82 0 3540 2 70 3 41 2 52 0 表4 1 不i 司高径比的h 型风轮气动参数 图4 1 给出了转速为n = 15 0 r p m 时，表4 1 中三种不同高径比风轮的功率一风速曲 线( p v ) 对比。从图中可以看出，转速相同时，随着高径比h d 的变大，风轮 的启动风速减小，这有利于风力机的启动；同时，在中、低风速段，高径比大的 风轮输出功率大，