垂直轴风力机叶片变桨距运转模式研究

1、垂 直 轴 风 力 机 叶 片 变 桨 距 运 转 模 式 研 究顾华朋， 刘恩福， 王振辉（河北科技大学 机械工程学院， 河北 石家庄 050018）摘 要： 针对垂直轴风力机自启动性能差和风能利用率低的问题， 提出一种新型自动变桨距垂直轴风力机方 案。 结合垂直轴风力机叶片攻角变化及翼型气动力特性，制定了一种最优叶片桨距角变化模式。 根据叶素理论， 计算得到了采用该变桨距模式在低叶尖速比和高叶尖速比时的叶轮扭矩系数，结果表明，采用该变桨距模式可 有效增大垂直轴风力机的启动力矩以及提高其风能利用系数， 为进一步开发自动变桨距垂直轴风力机奠定了 研究基础。关键词： 垂直轴风力机； 变桨距； 叶

2、片攻角中图分类号： TK83 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292（2014）01-0068-050引言风力机是风力发电的主要设备。 水平轴风力 机风能利用系数高，是目前世界上的主流风力机， 其关键技术已经比较成熟1，2。 但是由于水平轴风 力机自身固有的一些特点，如叶片受力情况复杂， 机舱在塔架顶部不易安装及维修等， 使得水平轴 风力机的制造成本和运营维护成本较高。 与水平 轴风力机相比，垂直轴风力机具有结构简单、安装 维护方便、噪声小、发电成本低等优点35，但是其 风能利用系数较低，自启动性能较差，一直制约着 垂直轴风力机的发展。 如果能将变桨距技术与垂 直轴风力机很好地结合，

3、 通过改变桨距角调节运 转叶片的攻角变化，从而优化叶轮的气动性能，使 风力机始终能够输出较大且平稳的扭转力矩，被 认为是一种提高垂直轴风力机风能利用系数和自 启动性能的有效方式。 国内外都对这项技术进行 了相关研究611。 其中，韩国首尔国立大学对使用 舵机控制叶片的桨距角进行了相关研究与开发， 试验效果良好6。 本文通过分析垂直轴风力机叶 片运转一周时攻角的变化特点， 结合翼型的空气 动力特性， 设计了一种通过电气自动控制实现变 桨距的垂直轴风力机原型， 并对叶片变桨距运转 模式进行了相关研究分析， 提出了一种可有效提 高垂直轴风力机自启动性能和风能利用率的叶片 变桨距运转模式。1自动变桨距

4、垂直轴风力机原理自动变桨距垂直轴风力机整体结构如图 1 所 示。 根据风速仪和风向仪测得的风速风向信号 v 以及绝对式编码器测得的叶轮方位角信号 、叶 尖速度信号 vt、叶片桨距角信号 ，控制器（ 安装 在地面上） 按照一定函数关系计算得到桨距角修 正信号， 伺服电机依据控制器发出的修正信号以 及叶片编码器反馈的叶片转角信号来调节叶片在 公转的同时自转， 形成一个实时调节叶片桨距角 的系统。在风力机运行过程中，控制系统会按照设213435687978图 1 自动变桨距垂直轴风力机结构 The structure of variable pitch vertical axis wind turb

5、ine1-风速仪；2-风向仪；3-绝对式编码器；4-叶轮；5-叶片；6- 内齿轮；7-伺服电机；8-发电机；9-.蜗轮蜗杆收稿日期： 2013-07-04。基金项目： 河北省科技计划项目（11213503D）。作者简介： 顾华朋（1988-），男，硕士研究生，主要从事风力机的计算机仿真及理论研究工作。 E-mail:794678736qq 通讯 刘恩福（1960-），男，硕士，教授，主要从事数字化设计与制造技术的研究工作。 E-mail:L 定的变桨距模式实时控制叶片桨距角， 以提高风 力机的启动性能和风能利用系数。自动变桨距垂直轴风力机的结构特点： 整体 采用钢架

6、结构，制造与运输方便；发电舱和控制舱 安装位置相对降低，便于安装与维护，降低运行成 本；采用多轴输出，可连接多台发电机，使得制造 大容量单机更容易，这些发电机可单台工作，也可 多台分级组合工作，这样既可充分利用风能资源， 又可使电网的调度更加灵活；风力机主轴、叶轮、 动力输出装置及控制单元可相互分离， 摆脱了大 功率风机的设计、加工、安装上的诸多限制。2 垂直轴风力机叶片攻角变化分析垂直轴风力机叶片攻角 是叶片相对速度 与叶片弦长的夹角， 桨距角 是叶片弦线与叶片 旋转切向速度的夹角12。 由此基于叶素理论建立 了垂直轴风力机无桨距角时叶片速度分析模型 （图 2），设来流风速为 v1，则叶片相

7、对风速 w（ 即 来流风速与叶片切向速度的合矢量速度） 沿叶弦 方向的分量为wt=vt+vcos（1）式中：vt叶片随转轴的切向速度；r叶片旋转半径。令 1=r/v，以 1 为变量，利用 MATLAB 对叶 片攻角进行分析，结果如图 3 所示。由图 3 可知，叶片攻角随着 1 增大而变化的 范围变小，而且都近似于正弦变化规律。 当 1 1.5 时，叶片攻角的变化范围超过±40 °，变化很大 且很容易失速。 根据涡流理论，来流风速 v1 大于 流过叶片的风速 v，因此 1 大于叶尖速比 =r/v1， 所以叶片攻角随叶尖速比的变化范围比图 3 要大 一些。依据翼型叶片的气动特性

8、可知，当叶片攻角在失速点前变化时， 风力机将获得良好的气动性 能，超过这个范围，风力机的叶片在某些位置处受 到的气动阻力将急剧上升， 降低风力机的风能利 用率，甚至产生反力矩刹车制动作用14。 这就是为 什么垂直轴风力机的叶尖速比控制在 34 时（此 时叶片攻角变化范围为±20 °）， 风力机获得较高 的风能利用系数的原因。因此，变桨距垂直轴风力 机应在叶尖速比从零到额定值的过程中， 通过改 变桨距角，使叶片攻角在最佳角度范围内变化，从 而获得较大的转动力矩。100v流过叶片的风速；叶轮旋转方位角。 叶片相对风速 w 沿转轴径向的分量为v1ywrwwtvvtrxowr=vs

9、in（2）8060叶片攻角/（°）40200-20-40-60-80-1001=11=1.5 1=2 1=3 1=4 1=5 1=6 1=7图 2 无桨距角时叶片速度分析模型Fi An analytical model of blade velocity without blade angle所以，叶片攻角可以表示为tan= wr = vsin = sin （3）0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360叶轮旋转方位角/（°）图 3 无桨距角时叶片攻角变化曲线Fi The curve of attack angle with

10、out blade angle3叶片变桨距运行模式研究本研究选用国内外常用翼型 NACA0012 作 为自动变桨距垂直轴风力机的叶片，NACA 翼型 族是 20 世纪 30 年代末到 40 年代初由美国国家 宇航局的前身国家航空咨询委员会提出的2。 由 于 NACA0012 常被用于定桨距垂直轴风力机，关 注的是小攻角范围内的气动性能，因此在-1030 °wtr+vcosr/v+cos攻角范围内具有大量的测试数据 ， 而在大攻角式中：叶片攻角；叶轮的角速度；范围只有少量测试数据 。 为了能更准确地分析 出叶片变桨距运行规律，本文利用 Fluent 6.3 软件对 NACA0012 翼

11、型进行二维定常可压缩流场 分析14。前处理：应用 GAMBIT 软件对翼型计算域 进行结构化网格划分， 为更好地捕捉近壁面流场 形态，在翼型上下表面各设置 130 个监控点。求解器： 考虑到大攻角下计算收敛的难易 性，本文选择相对经济的 S-A 湍流模型，压力速 度耦合采用 SIMPLE 算法。 在保证计算结果和试 验结果趋势基本一致的情况下，提高收敛速度。边界条件及后处理： 边界条件采用速度进 口、压力出口和无滑移壁面等条件。大攻角工况的 数据取平均值。根据上述方法得到 NACA0012 翼 型 在 额 定 风速为 12 m/s，攻角为 0180 °的升阻力系数曲线（图 4）。 由

12、于采用的湍流模型计算精度较低，造成 模拟数值与试验数值有所差异， 但仿真数据与试 验数据的整体变化趋势一致， 基于仿真数据对垂 直轴风力机变桨距规律的研究仍是可靠的。情况下靠叶片升力做功， 风力机获得的扭矩会很小。 因此，合理的变桨距规律是在 时，利用 变桨距方法控制叶片攻角为 60140 °， 在这种低 叶尖速比、大攻角的工况下，垂直轴风力机主要靠叶片的阻力做功获得较大的启动力矩； 当 >1.5 以后，垂直轴风力机的叶轮转速提升，叶片攻角变 化范围为±40 °，利用变桨距方法控制叶片攻角在 失速点±15 °附近，这时垂直轴风力机主要靠叶

13、片 的升力做功获得较大且稳定的扭转力矩。根据上述分析， 加上综合考虑实际控制的可 行性以及翼型气动系数的近似对称性， 提出最优 桨距角变化模式。当 时，桨距角变化函数为=/2（4）式中：0 °，720 °，以叶轮转动两周为 1 个变桨 距角控制周期。当 >1.5 时，以式（3）和最优攻角 =25 °sin为目标，得：2.22.01.81.6Cl 升力系数Cd 阻力系数=arctansin 1+cos-25°sin（5）升力系数，阻力系数0.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2-1.4020 406

14、0 80 100 120 140 160 180叶片攻角/（°）图 4 NACA0012 翼型大攻角升阻力系数曲线Fi The lift and drag coefficient curve of NACA0012 with a large angle of attack由图 4 可知，NACA0012 翼 型 在 攻 角 为 10 18 °时，升力系数 Cl 达到最高值，之后急速降低， 虽然在 3040 °有所回升， 但这时阻力系数 Cd 急 速升高， 所以 NACA0012 翼型的失速点在 15 °左 右。 另外，NACA0012 翼型在攻角为 04

15、0 °时，升 力系数大于阻力系数， 过了 40 °后阻力系数远远 大于升力系数。 根据垂直轴风力机无桨距角时叶 片攻角变化曲线（图 3）可知， 当 时， 攻角变化范围大于±40 °，如果这期间采用变桨距方法控制叶片攻角范围在失速点±15 °附近，不仅会使 桨距角变化范围过大， 而且在这么低的叶尖速比式中：0 °，360 °，以叶轮转动 1 周为 1 个变桨距角控制周期。4变桨距叶轮气动性能验证建立垂直轴风力机有桨距角时叶片气动力分 析模型（图 5），由叶素理论可得叶素上的升力元：dL= 1 2CC dh（6）2l式

16、中：C叶片弦长；h叶片高度；空气密度。v1yvw vtrxo图 5 叶片气动力分析模型Fi The analytical model of aerodynamic force of blade叶素上的阻力元为dD= 1 2CC dh（7）0.350.30无桨距角（=4）采用变桨距模式（=4)2d 0.250.20扭矩系数由叶素上的升力和阻力合成的合力 F， 可以分解成沿叶弦的切向力分量 dFt 和垂直于叶弦的 法向力分量 dFn：dFt=dLsin-dDcos（8）dFn=dLcos+dDsin（9）令Ct=Clcos+Cdsin（10）Cn=Clsin-Cdcos（11）0.150.100.

17、050- 0.05-0.10 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360叶轮旋转方位角/（°）（b）=4 1 2则dFt= 2 CCtdh（12）图 6 无桨距角与采用变桨距模式风力机 Ct 系数对比Fi The comparison of Ct between VAWT without pitch 1 2dFn= 2 CCndh（13）2设叶轮的叶片数量为 N， 则沿着叶弦方向作 用在整个叶轮上的推力为angle and variable pitch VAWT矩，增大风力机的输出功率。 因此，在相同的风速 下， 采用本文提出的变桨距模式

18、能够提高垂直轴NC+h/22 1风力机的自启动性能和风能利用系数。Ft= 乙-h/2 乙02 Ctddh（14）5结束语作用在整个叶轮上的转矩为本文以提高垂直轴风力机的启动性能和风M= NCh 2 1 2能利用系数为目的， 提出一种自动变桨距垂直轴乙02 Ctrd（15）风力机方案。由上述推导过程可知， 垂直轴风力机的转矩 随方位角的变化可以通过扭矩系数 Ct 来获得。 采 用本文提出的变桨距运行规律，运用 MATLAB 软 件建立 M 函数计算这种变桨距规律与无桨距角在不同方位角对应的扭转系数 Ct， 然后对各点进 行多项式曲线拟合， 得到这种变桨距运行规律对 垂直风力机性能的影响（图 6）

19、。由图 6 可以看出，在 1.5，90 °<<270 °时，这种变桨距模式可明显增大风力机的扭矩系数， 提高风力机的自启动性能。 在 >1.5，0 °<<90 °时， 这种变桨距模式能够有效提高风力机的扭矩系数，并且减小在 180 °<<360 °时所产生的负力采用变桨距模式（=1.2)通过分析垂直轴风力机叶片无桨距角时运 转 1 周的攻角变化特 点 和 对 NACA0012 翼 型 大 攻角气动性能数值的仿真计算， 提出一种垂直轴 风力机叶片变桨距运转模式。根据叶素理论，建立了叶轮扭矩系数模

20、型， 对本文提出的变桨距运行规律进行了风力机性能 分析。结果表明，采用这种变桨距方式可有效增大 垂直轴风力机在低叶尖速比时的扭矩， 提高其自启动性能；在高叶尖速比时，可有效增大垂直轴风 力机叶片在上风区的升力力矩， 减小在下风区的 阻力力矩，提高风能利用系数。参考文献:扭矩系数0-0.1无桨距角（=1.2）1PARASCHIVOIU I，TRIFU O，SAEED -Darrieuswind turbine with blade pitch control J.International Journal of Rotating Machin

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