（流体机械及工程专业论文）垂直轴螺旋形风力叶轮的特性研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 风力发电对于调整能源结构、减少化石能源消耗、缓解环境污染、降低温室 气体排放等方面发挥着极为重要的作用。作为一种从自然界中汲取风能的转化装 置，风力机逐渐成为研究的热点对象之一。水平轴风力机的技术较为成熟，其风 能利用效率较高，适合于大型风场和并网发电系统，而近年来垂直轴风力机以其 使用便捷、安全性高、气动噪声小、维护方便等诸多优点，在中小功率发电场合 得到重视，拥有更加广阔的市场前景。同时垂直轴风力机在空气动力学特性、结 构特征和系统的可靠性等方面研究较少，理论探索尤其缺乏，目前尚未形成一套 成熟、可靠的理论设计方法，具体参数的确定仍依靠经验方法和实验数据积累。 本文提出由f i n m p 翼型组成的垂直轴螺旋形风力叶轮结构，利用螺旋上升 的叶片产生对气流的阻力和叶片截面形状在不同攻角来流条件下产生的升力，使 气流的能量被有效截获的同时，产生对叶轮旋转有贡献的动力，保证风力叶轮启 动性能好、风能利用率高、力矩输出稳定；同时采用三维非定常模拟和性能实验 两种方法，较系统全面地分析了所设计的风力叶轮的运行性能。 本文开展的主要工作和得到的结论如下： l 、对比分析了n a c a 0 0 1 5 翼型和f i n m p 翼型在不同攻角时的气动性能， 选用具有较好气动特性的f i n m e 翼型作为本文叶片设计的基本翼型，同时根据 风力机的具体参数设计了一种新型螺旋形风力叶轮。 2 、采用c f d 方法，选取s s tk - t o 湍流模型，模拟对比了新型螺旋形风力 叶轮和传统直线型风力叶轮的运行特性。螺旋形风力叶轮相比直线型风力叶轮的 力矩波动幅度要小，平均力矩系数较大，产生的正力矩远大于负力矩，风力叶轮 的作功性能更加稳定；由于螺旋形风力叶轮的叶片是扭曲的，各个截面的攻角、 速度分布、压力系数和湍动能存在明显的差异。 3 、获得了螺旋形风力叶轮周围三维流动特征，优化了新型垂直轴风力叶轮 的几何参数。风力叶轮的扭角越大、力矩系数的波动幅度越小，叶片扭角为6 0 0 的风力叶轮，力矩波动幅度较小，风力机运行稳定，效率较高；螺旋形风力叶轮 弦长越大，最大力矩系数差别不大，但最小力矩系数越小，且叶片翼型问的干扰 就越强烈，其影响范围也相对较大；随着风力叶轮叶片数的增加，力矩系数的波 垂直轴螺旋形风力叶轮的特性研究 动幅度在逐渐减小，且尾流速度的干扰作用和叶片间的湍动能也越强烈；同时螺 旋形风力叶轮的空间三维形状，导致各个水平截面的叶片攻角不同，湍动能及涡 量分布也有很大差别，部分流线甚至脱离了叶片表面；而直线型风力叶轮不同截 面的涡量分布较为一致。 4 、对风力叶轮进行了车载实验研究，测试了空载、负载条件下风力叶轮的 运行特性，并针对风能利用率与计算结果进行对比。实验结果表明：空载时，风 力叶轮的时变特征较为显著，随着来流风速的增大，风力叶轮的转动特征与力矩 输出相应增加较快；而接入负载后，风力叶轮的输出力矩和扭矩有了明显的减小， 同时随着风速的增加，风力叶轮整体结构振动也较为强烈；实验结果与数值计算 结果趋势基本相同，验证了模型的可行性和适用性。 关键词：垂直轴螺旋形风力叶轮，三维流动，运行性能，数值模拟，实验研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i n dp o w e rp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ef o rt h ea d j u s t m e n to fe n e r g ys t r u c t u r e ， t h er e d u c t i o no ff o s s i le n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，a n dl o w e r i n g t h eg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n sa n ds oo n a saw i n de n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e sl e a r n f r o mn a t u r e ，w i n dt u r b i n eh a sb e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c hf o c u s t h et e c h n o l o g y o fh o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n ei sm a t u r e ，i th a sl o s t so fa d v a n t a g e ss u c ha s ，h i 曲 e f f i c i e n c yo fw i n de n e r g yc o n v e r s i o n ，s u i t a b l ef o rl a r g e s c a l ew i n df a r m sa n d g r i d c o n n e c t e dg e n e r a t i o ns y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，v e r t i c a la x i sw i n dt u r b i n eh a sb e e n g o te x t e n s i v ea t t e n t i o ni nm a n y s m a l lw i n dp o w e rg e n e r a t i o nf o ri t se a s yt ou s e ，h i g h s a f e t y , a e r o d y n a m i cn o i s es m a l la n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s ，a n dh a sab r i g h tp r o s p e c t i nt e r m so fa p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t h o w e v e r , v e r t i c a la x i sw i n dt u r b i n ea l s oh a s m a n yw e a k n e s sf o ri t sf e ws t u d yi na e r o d y n a m i c s ，s t r u c t u r a lf e a t u r e sa n ds y s t e m r e l i a b i l i t y , e s p e c i a l l yt h es c a r c i t yo f t h e o r e t i c a le x p l o r a t i o n n o wt h e r ei sn o tam a t u r e ， r e l i a b l et h e o r e t i c a ld e s i g nm e t h o d s ，a n ds o m es p e c i f i cp a r a m e t e r sa r es t i l lr e l y i n go n e m p i r i c a lm e t h o d st od e t e r m i n ea n dt h ea c c u m u l a t i o no fe x p e r i m e n t a ld a t a i nt h i ss t u d y , p r o f i l eo ft h ef 矾一n ma i r f o i lw a su s e da st h eb a s i cs e c t i o no fa n o v e lv e r t i c a la x i sw i n dr o t o r t h e 峨o fs p i r a lb l a d e sg e n e r a t et h er e s i s t a n c et oa i r f l o wa n dt h el i f to ft h ec r o s ss e c t i o na td i f f e r e n ta n g l e so fa t t a c k , a tt h es a m et i m e ， m a k et h ef l o wo fe n e r g yi se f f e c t i v e l yi n t e r c e p t e d ，p r o m o t et h ew i n dr o t o rt or o t a t e ， e n s u r et h ei m p e l l e re a s yt os t a r t - u pa n dh i 曲e f f i c i e n c yo fw i n de n e r g yc o n v e r s i o n ， s t a b l et o r q u eo u t p u t w h i l et h r e e d i m e n s i o n a lu n s t e a d ys i m u l a t i o n sa n dp e r f o r m a n c e e x p e r i m e n tw e r ec a r r i e do u tf o rt h ea n a l y s i so ft h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h e d e s i g nw i n dr o t o r t h em a j o rw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h en a c a 0 0 1 5 a i r f o i la n dt h ef i n - m pa i r f o i la td i f f e r e n ta n g l e so fa t t a c k s e l e c t i n gab e t t e r a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i n m pa i r f o i la st h eb a s i cs e c t i o n ，a n da c c o r d i n g t 0t h es p e c i f i cp a r a m e t e r so fw i n dt u r b i n et od e s i g nan o v e ls p i r a lw i n dr o t o r 2 s i m u l a t ea n dc o m p a r et h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h en o v e ls p i r a lv e r t i c a l a x i sw i n dr o t o ra n dt h et r a d i t i o n a ll i n e a rw i n dr o t o rb yu s i n gt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i d m 垂直轴螺旋形风力叶轮的特性研究 d y n a m i c ss o f t w a r ew i t ham o d i f i e ds s tl 【- ( - ) t u r b u l e l l c 圮m o d e l t h em o m e n t c o e f f i c i e n to ft h es p i r a lw i n dr o t o rf l u c t u a t i o ns m a l l e r , t h ea v e r a g em o m e n tc o e f f i c i e n t i sl a r g e ，t h eo u t p u to ft h ep o w e ri sm o r es t a b l e a st h ew i n ds p i r a li m p e l l e rb l a d e sa r e t w i s t e d ，t h ea n g l eo fa t t a c k , t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o n , p r e s s u r ec o e f f i c i e n ta n d t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yo ft h o s es e c t i o n sa r eo b v i o u sd i f f e r e n c e s 3 o b t a i n e dt h et h r e e - d i m e n s i o n a lt u r b u l e n tc h a r a c t e r i s t i c sn e a ras p i r a lw i i l d r o t o r , o p t i m i z a t e dt h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h ef l u c t u a t i o no ft h em o m e n tc o e f f i c i e n td e c r e a s e d 丽mt h ei n c r e a s i n go fd i s t o r t i o n a n g l e ，w h e nt h ed i s t o r t i o na n g l e so ft h ew i n dr o t o rt o6 0d e g r e e s ，t h es p i r a lv e r t i c a l a x i sw i n dt u r b i n e sw o u l dr u ns t a b l e d u r i n gt h er o t a t i o nc y c l e ，f l u c t u a t i o no ft h e m i n i m u mt o r q u ec o e f f i c i e n tg e t so b v i o u sw i t l li n c r e a s eo fc h o r dl e n g t h s t h ei n t e n s i t y a n dt h em a g n i t u d eo ft h ev o r t i c i t yi n c r e a s e 丽mt h en u m b e ro fw i n dr o t o rb l a d e s ， w h i l et h ef l u c t u a t i o no ft h em o m e n tc o e f f i c i e n tw a sd e c r e a s e d t h et h r e e d i m e n s i o n a l s h a p eo ft h es p i r a lv e r t i c a la x i sw i n d r o t o rr e s u l t i n gi na n g l eo fa t t a c ko ft h eh o r i z o n t a l s e c t i o ni sd i f f e r e n t , f l o wp a t t e r na n dv o r t i c i t yd i s t r i b u t i o na r es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t w i t hs t r e a m l i n e sa p p a r e n td e v i a t i o nf r o mt h eb l a d es u r f a c e h o w e v e r , d i f f e r e n t s e c t i o n so ft h et r a d i t i o n a ll i n e a rw i n dr o t o rv o r t i c i t yd i s t r i b u t i o ni sm o r ec o n s i s t e n t 4 u n d e rt h en o - l o a da n dw i n dl o a dc o n d i t i o n sd o i n gt h ec a rt e s ti no r d e rt o r e c e i v et h e o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fw i n dr o t o r , a n dc o m p a r e dw i t ht h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sf o rt h ew i n de n e r g yc o n v e r s i o n t h er e s u l t si n d e c a t e dt h a t ：n o - l o a d , t i m e - v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ew i n dr o t o ri sm o r e s i g n i f i c a n t ，t h ew i n d c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h et o r q u eo u t p u tw e r ec o r r e s p o n d i n gi n c r e a s e dr a p i d l yw i t ht h e i n c r e a s eo fv e l o c i t y , w h i l ea c c e s st ot h el o a d ，t h et o r q u eo u t p u to ft h ew i n dr o t o rh a s b e e ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，a tt h es a m et i m et h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ew i n dr o t o r v i b r a t i o nw a sa l s om o r ei n t e n s ew i t ht h ew i n ds p e e di n c r e a s e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h en u m e r i c a lr e s u l t sa r eb a s i c a l l yt h es a m e ，v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t ya n d a p p l i c a b i l i t yo ft h i sm e t h o d k e yw o r d s ：n o v e ls p i r a lv e r t i c a la x i sw i i l dr o t o r , t h r e e d i m e n s i o n a lf l o w , o p e r a t i o n p e r f o r m a n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 江苏大学硕士学位论文 主要符号 a风力叶轮迎风面积，m 2 曰叶片数 c叶片弦长，r n l n a 阻力系数 c ，升力系数 q 力矩系数 c 法向力系数 c ，风能利用系数 g 推力系数 e切向力系数 d风力叶轮直径，m e阻力，n f l升力，n 日风力叶轮高度，m k 湍动能，m 2 s 2 肘风力叶轮力矩，n m 刀 转速，r r a i n p有效功率，k w p压力，p a r风力叶轮半径，m r j雷诺数 风力叶轮转动中心到任意位置 。 的半径，m s风力叶轮叶片扫略面积，m 2 墨风力叶轮前方叶片扫略面积，m 2 &风力叶轮后方叶片扫略面积，m 2 r风力叶轮推力，n t 时间，s u电压，v ， 风速，m s m 风力叶轮前的风速，m s 风力叶轮后的风速，m s 叶片翼型的线速度，m s 屹 切出风速，m s 屹切入风速，m s 比无穷远处来流速度，m s 口 叶片攻角，( 。) 叶片安装角，( o ) 入流角，( o ) p 空气密度，k g m 3 f _ o 角速度，r a d s a叶尖速比 仃叶片的密实度 动力粘度，p a s - ， 运动粘度，m 2 s 刁发电机效率 r 环量，m 2 s v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、目的及意义 随着世界经济的快速增长，能源的消费量需求也与同俱增，这给自然环境和 能源供应带来了双重压力。由于世界各国化石能源短缺，加之大规模使用化石能 源引起的温室效应而导致全球7e 候变化对人类生存造成了严重的威胁，特别是2 0 世纪7 0 年代初，石油危机爆发，矿石燃料n 渐枯竭，火力发电成本逐渐增高，世 界范围内的能源结构发生调整，利用水能、风能、太阳能、生物质能等可再生能 源发电在全球范围内倍受青睐。从当前各国既定能源战略来看，大规模的丌发利 用可再生能源，也已成为未来各国能源战略的重要组成部分【1 】【2 1 。风能作为一种 取之不尽、用之不竭的可再生能源，是近年发展最快、最具有大规模开发和商业 化发展前景的新能源。风能的主要利用方式是风力发电，而风力机作为一种从自 然界中汲取风能的装置，必然是学者和工程人员研究的热点对象。 ( a ) ( b ) 图1 1 两种不同结构的风力机 ( a ) 水平轴风力机；( b ) 垂直轴风力机 由于风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风力叶 轮，因此，按照风力叶轮旋转轴在空间的方向，可以将风力机分为水平轴风力机 垂直轴螺旋形风力叶轮的特性研究 和垂直轴风力机两大类【3 1 ，如图1 1 所示。水平轴风力机的风力叶轮绕一水平轴 旋转，旋转平面与风向垂直。水平轴风力机的技术相对较为成熟，风能利用率较 高，广泛应用于大型风场和并网发电系统，目前主流的商用风力机均为水平轴风 力机。由于人们普遍认为水平轴风力机的效率要高于垂直轴风力机，所以在风力 机的发展过程中，垂直轴风力机在设计和制造技术的研究上远远落后于水平轴风 力机。相对于水平轴风力发电机，垂直轴风力机主要有下列潜在的优势 4 1 i s ： ( 1 ) 风能利用率较高。以前一直用叶素理论计算垂直轴风机的风能利用率， 得出了利用率不如水平轴的结论。但近年来通过国内外学者的数值模拟来看，垂 直轴风机的风能利用率不比水平轴的低：相关科研机构经过试验也表明垂直轴风 机的风能利用率在4 0 以上。 ( 2 ) 垂直轴风力机的结构简单，可以自动接受来自各个方向的风，也就是 说它是全方位的，不需要偏航系统，大大降低了系统的成本，增强了系统的可靠 性。 ( 3 ) 垂直轴风力机的发电机可以安装在地面上，这样可以降低对设备的安 装尺寸、重量和运行条件等要求，日常维护也比较方便；而水平轴风力机的发电 机和制动装置需要安装在几十米高的塔架上。 ( 4 ) 水平轴风力机的叶尖在扫略气流时产生很大的噪声，高转速时可能会 伤及鸟类，甚至会出现塔影效应影响风力机的动力性能。相比之下，垂直轴风力 机运行时，产生的气动噪声很小，对鸟类几乎也没有影响。 垂直轴风力发电机具有风能利用率高、无需对风向、安全性高、气动噪声小、 维护方便等诸多优点，在中小功率发电场合得到重视，拥有更加广阔的市场应用 前景。 本文综合运用商用流场计算软件f l u e n t 等测试与分析工具，结合其它实验手 段和动力学方法对垂直轴螺旋型升阻式风力叶轮进行运行性能测试及周围流动 规律进行研究，获得垂直轴螺旋型升阻式风力叶轮的最佳形体参数及动力学特 性，为垂直轴风力发电装置提供关键技术支撑。 1 2 垂直轴风力发电机的主要类型 2 垂直轴风力发电机指的是风力叶轮旋转轴与风向垂直的风力发电机，主要包 江苏大学硕士学位论文 括萨渥纽斯型( s a v o n i u sr o t o r ) 、马达拉斯型( m a d a r a sr o t o r ) 、达里厄型( d a r r i e u s ) 、 直线叶片旋翼型和风杯型等。垂直轴风力机的主要优点是可以接受来自任何方向 的风，因此当风向改变时，无需对风且结构简单，安装灵活；且齿轮箱和发电机 可以安装在地面上，这对于距离地面几十米高的水平轴风力机来说，维修服务 较为方便。按照风对风力机风力叶轮的推动方式的不同，可以将风力机分为阻力 型风力机和升力型风力机。 1 2 1 阻力型风力机 阻力型风力机利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力。阻力型风力机是最 早形式的垂直轴风力机，其典型代表一垂直轴风车，在中国已有2 0 0 0 多年的应 用历史，而资料有详细记载的是建于公元1 2 1 9 年的垂直轴风车f 6 】，如下图1 2 所示： 图1 2 中国古代的风车 随着科学技术的发展进步，研究者将迎风面设计为凹面川，这样就形成了典 型的阻差型风力叶轮一杯型转子风力叶轮( 见图1 3 ) a 3 垂直轴螺旋形风力叶轮的特性研究 图1 3 杯型转子风力叶轮 1 9 2 4 年芬兰工程师萨渥纽斯( s a v o n i o u s ) 发明了s 型风力叶轮，并于1 9 2 9 年登记专利【川，由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成的，两圆柱的轴线相互错开 一段距离。它的启动转矩较大，启动性能好，由于叶尖速比小于1 ，从而转速较 低，风能利用系数也较小，并且在运行过程中围绕着风力叶轮会产生不对称气流， 从而产生侧向推力，如图1 4 所示。 ， 丢萨 _ 宇 ； 縻 。一， i荔 - 严 ： ， ( a ) ( b ) 图1 4s 型风力叶轮 在风力叶轮尺寸、重量和成本一定的情况下提供的功率输出较低，对于大型 的风力机，受偏转与安全极限应力的限制，采用这种结构形式是比较困难的，用 作发电缺乏竞争力。因此，这种垂直轴风力机很少用于发电，多应用于带动水泵 抽水等大扭矩、低转速的场合。 1 2 2 升力型风力机 4 升力型i j 门州川。开。i j 的升力做功，最典型的是达里厄p a r r i e u s ) 型风力机， 江苏大学硕士学位论文 它是法国人gjm d a r r i e u s 于1 9 2 5 年发明的，1 9 3 1 年取得专利权，其外形如图 1 5 所示【9 1 。当时这种风力机并没有受到学术和工程界的注意，直到2 0 世纪7 0 年 代石油危机后，才得到加拿大国家科学研究委员会和美国圣地亚国家实验室的重 视，并进行了大量的研究【1 0 】【1 1 1 ，结果认为与所有垂直轴风力发电机组相比，该 风力机的风能利用系数最高。 图1 5 达里厄( d ar r i e u s ) 型风力机 风力叶轮由固定连接的叶片组成，绕垂直轴旋转，由叶片旋转扫略形成的外 表面有很多形状，如图1 6 所示的型、h 型、型、y 型和菱形等，但无论 外形如何，其工作原理相同【1 2 1 。这些风力叶轮基本上是直叶片和弯叶片两种，以 h 型风力叶轮和西型风力叶轮最为典型。h 型风力叶轮结构简单，但这种结构 造成的离心力使叶片在其连结点处产生严重的弯曲应力【13 1 。另外，直叶片需要采 用横杆或拉索支撑，这些支撑将产生气动阻力，降低了风力叶轮效率。型风力 叶轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷，从而使弯曲应力减至最小。 由于材料可承受的张力比弯曲应力要强，所以对于相同的强度西型叶片比较轻， 且比直叶片可以以更高的转速运行。但型叶片不便采用变桨距方法实现自启 动和控制转速。另外，对于高度和直径相同的风力叶轮，m 型转子比h 型转子 的扫掠面积要小一些。 5 垂直轴螺旋形风力叶轮的特性研究 ! 全金 扩 型 羹型 y 型 口型 图1 6 常见d a r d c m 风力机 研究结果表明，达里厄型垂直轴风力机最主要的问题是风力叶轮自启动困 难，并完全依靠叶片升力做功驱动风力叶轮旋转。直叶片垂直轴风力机通常要在 较高的风速下才能自启动，而弯叶片垂直轴风力机几乎不能自启。有的研究者为 了克服达里厄风力叶轮无法低速启动的问题，将其做成组合型风力叶轮，并对其 尺寸展开优化设计，见图1 7 。 图1 7 组合型风力叶轮 1 3 国内外现状及发展趋势 1 , 3 1 国外研究发展现状 1 9 世纪末，丹麦率先开始研究利用风力发电，政府制定了风力发电计划， 随后建成了世界首座风力发电站。1 9 7 3 年世界性的石油危机爆发并伴随着全球 环境的恶化，风力发电又重新受到重视。从此世界各国都加紧了对风力发电机组 6 江苏大学硕士学位论文 的研究和开发。 与水平轴风力机相比，垂直轴风力机的研究相对滞后，垂直轴风力发电机直 到2 0 世纪2 0 年代才开始出现。2 0 世纪2 0 3 0 年代是垂直轴风力机研究的第 一个高峰期，这期间出现了多种类型的垂直轴风力机。2 0 世纪8 0 年代，英国研 究开发的具有2 枚直线翼叶片的垂直轴风力机曾作为一种可与水平轴风力机竞 争的风机，且受到英国政府和中央发电局的鼓励和支持，并在英格兰和威尔士等 地得到了应用【14 】【1 5 】。美国能源部、s a n d i a 国际实验室和美国风能协会共同论述 了垂直轴风力机的发展，认为垂直轴风力机的发展和研究主要包括空气动力学、 结构特征、材料疲劳失效问题和系统的可靠性等4 个方面。因此垂直轴风力机的 研究从这几个方面出发，同时也是垂直轴风力机发展所要面临解决的主要问题。 r o b e r th o w e l l 等提出了小型垂直轴风力机的实验与计算相结合的研究方法， 认为风洞实验对风力机的整体运行性能和非定常的空气动力学特性有很大的帮 助【1 6 1 。m a z h a r u li s l a m 等人研究了h 型垂直轴风力机攻角的变化情况，并讨论了 多流管模型、涡流模型和联级模型等在风力机气动性能计算时的优缺点【1 7 1 。h c a l y jv 利用了多流管理论，研究了雷诺数和叶尖速比在不同范围内n a c a 系列的 0 0 0 9 、0 0 1 2 、0 0 1 5 和0 0 1 8 翼型，认为厚的翼型能更好地适应低雷诺数【1 8 1 。l o b i t z dw 等认为垂直轴风力机的运行主要因素是疲劳失效和系统的可靠性，并且介绍 了适用于垂直轴风力机的受力分析模型，包括了陀螺效应，结构阻尼，空气动力 风载荷等方面，为结构动力分析奠定了基础【1 9 1 。j l m e n e t 考虑了两级风力叶轮 结构，两个上下布置的风力叶轮间的相对扭转角设为9 0 度 2 0 1 。b u r c i nd c d a a l t a n 等人从减轻单个叶片的阻力出发，在s a v o n i u s 风力叶轮前面设置导流装置或挡 风板，增大了入口处风力叶轮的风速，均取得了一定的效果【2 1 1 1 2 2 。i ns c o n gh w a n g 等人将阻力型风力叶轮如s 轮与升力型风力机相结合，综合了两种典型风力叶轮 各自的优点，启动时利用阻力型风力叶轮的扭矩，发电时利用升力型风力机较高 的风能利用率，既能得到较大的迎风面积，又能改善启动性能 z 3 1 。e c t l a d o p o u l o s 由二维流体力学的相关分析，提出了恒定流中求解n a c a 翼型绕流流速的方法， 并分析了翼型的气动力特性1 2 4 1 。s h c l d a h lr e 采用计算流体力学方法，对翼型的 压力分布以及产生的气动力进行了数值模拟，对翼型的失速特性等气动问题进行 了深入的研究【期。s u m i t a b hb i s w a s 针对m 型达里厄垂直轴风力机，综合考虑风 7 垂直轴螺旋形风力叶轮的特性研究 力机的陀螺效应以及结构阻尼特性，提出了一种新的空气动力学模型，用来研究 风力机的转矩随转速变化的情况以及转矩在叶片旋转一周过程中的波动性 2 6 1 。在 风力机风力叶轮的气动性能c f d 计算中，s o r c n s e n ，n n 等采用e u i p s y s 3 d 软件对单叶片及三叶片风力叶轮采用s s tk - m 湍流模型进行了气动性能的研究， 同时在不同来流风速时，对叶片进行了稳态和非稳态的流场计算1 2 7 i 2 s ! 。j j o h a n s e n 等采用基于s s tk - m 的大涡湍流模型对叶片在非旋转情况下的周围流场进行了 数值模拟【矧。 1 3 2 国内研究发展现状 我国风力发电事业始于2 0 世纪7 0 年代，主要解决远离电网的边远地区的 农村、牧区、海岛等地对电能的迫切需求，虽然起步较晚但风电技术及风电产业 已取得了长足的进步，然而在垂直轴风力机设计和制造技术方面却处于起步阶 段，技术的发展跟不上世界主流技术的步伐。 近年来随着对经济、能源、环保的要求以及计算机和c f d 计算流体力学的 快速发展，国内对垂直轴风力发电机的研究越来越多，研究内容主要集中在结构 分析和流场分析等方面。 2 0 0 6 年，我国垂直轴风力发电机试验基地在内蒙古化德县正式启动运行， 并研发了拥有自主知识产权的新型风力发电机组。2 0 0 7 年，由西峡瑞发水电设 备公司和哈尔滨发电设备研究中心联合开发设计的1 5 m w 垂直轴永磁风力发电 机研制成功。麟风风电设备公司主导产品为h 型垂直轴风力发电机，该公司在 大型垂直轴风力机上采用了变“攻角 技术，该技术使垂直轴风力发电机的风力 叶轮在转动过程中，当叶片处于不同位置时根据风速，风向的变化情况，使叶片 的“攻角 保持受控变化，使其始终处在最佳的“攻角 位置，从而达到最大的 风能利用率【删。杨慧杰等论述t d , 型垂直轴风力发电机在国外的新发展，小型垂 直风力机能运用野外工作，家庭供电，屋顶安放发电等，表明垂直轴风力机已经 开始适应市场的需要，也为国内发展垂直轴风力机提供了参考【3 1 1 。金雪红等人采 用s s tk - 湍流模型对h 型垂直轴风力机风力叶轮周围的流动进行了二维数值 模拟，在不同风速条件下对比分析了风力叶轮附近的流场分布【3 2 】。林瑞麟研究了 h 型风力机的稳定性，提出了各种改善h 型风力机稳定性的方法f 3 3 l 。杨从新、 8 江苏大学硕士学位论文 巫发明等用经典的多流管理论计算出的尾流速度、特定过流断面速度并与数值模 拟结果进行对比，这些研究都为流管理论运用与垂直轴风力机的研究打下了良好 的基础嗍。康灿等人改变了传统s a v o n i u s 风力叶轮的结构，采用螺旋形叶片， 提高了垂直轴风力叶轮的风能转化效率与运行稳定性【3 5 1 1 3 6 1 。李岩等为探明直线 翼垂直轴风力机自启动性能与风力机叶片迎风角度的关系，制作了具有3 枚 n a c a 0 0 1 8 翼型叶片的直线翼垂直轴风力机模型，运用烟线法对风力机的静态流 场进行了可视化实验，为探索垂直轴风力机的空气动力学特性研究提供了新的试 验方法阳。郑云等针对小型h 型垂直轴风力叶轮模型，模拟分析了弦长对风力 叶轮气动性能的影响【3 8 l 。尹建国等利用垂直轴风力机气动噪声低、系统简单、3 6 0 度接受风能的特点，认为能运用于通信基站的供电，进一步推广了垂直轴风力机 的适用场合【3 9 】。田海姣等分析了巨型垂直轴风力发电机组的动力特性，揭示了转 子与纤绳这两部分的动力特性，认为整体结构的频率随着纤绳预应力的增大而减 小嗍。张婷婷等采用有限元法对垂直轴风力机的结构特性进行了研究，分析了工 作状态下风力机主轴的应力分布问题，认为风力机在一定的转速下，能避开共振 区，可以安全运行【4 1 1 。同时在翼型方面，主要通过适当改变已有翼型的形状来达 到较好的性能。辽宁工程技术大学在已有的翼型基础上，通过添加襟翼来提高桨 叶升力i 饲；沈阳航空工业学院选取了n a c a 4 4 2 4 翼型作为风力机叶片原型，在 原翼型的基础上对其进行喷气改型，得到了很好的性削4 3 】。 综上可知，近年来国内外学者，为提高垂直轴风力机的风能利用率，对风力 叶轮结构和流场特性进行了一定的数值模拟和实验研究；但局限于风力叶轮的二 维气动特性分析，三维非定常条件下的流场分析相对较少，同时对叶轮结构的性 能测试和稳定的研究也比较少，因此，本研究在前人研究的基础上，从三维非定 常、叶轮结构性能和稳定性的角度出发，对垂直轴风力叶轮进行深入研究，揭示 风力叶轮的载荷分布及运行性能。 1 4 本文研究的主要内容 本文以垂直轴螺旋形风力叶轮为研究对象，研究工作的主要内容如下： 1 、结合阻力型和升力型两种垂直轴风力叶轮各自的结构特点和运行特 9 垂直轴螺旋形风力叶轮的特性研究 1 0 性，提出了螺旋形垂直轴风力叶轮结构，并对风力叶轮的翼型性能进行了对 比和分析。 2 、采用计算流体动力学软件f l u e n t ，选取s s tk - ( - ) 湍流模型对新型螺旋 形风力叶轮和传统的直线型风力叶轮的非定常三维流场进行数值模拟，分析 了这两种风力叶轮的力矩系数、周围速度分布、水平各截面上的湍动能分布 等。 3 、考虑改变螺旋形垂直轴风力叶轮的形体参数，如叶片扭角、弦长、 叶片数、转速等对风力叶轮运行性能的影响。 4 、对风力叶轮进行外特性实验，以验证风力叶轮的气动性能，深入了 解风力叶轮的工作情况，为提高和改进其性能提供参考依据。 江苏大学硕士学位论文 第二章风力机的基本理论 2 1 风力机的特性参数 1 风能利用系数c p 风能利用系数是评定风力叶轮气动特性优劣的主要参数。如果将风力发电机 组从风中可获得的单位时间内的能量称为功率p ，则风力发电机组的功率p 与风 的功率之比称为功率系数，用c j , 表剥4 q ： q = 而2 p ( 2 1 ) 通常将功率系数称为风能利用系数，换言之，风能利用系数是衡量在风所具 有的能量中，风力发电机组能从中获取多少能量的性能评价指标。 2 力矩系数c 卅 使风力发电机组旋转的转矩，称为力矩m ( n m ) ，q 称为力矩系数： q = 而2 m ( 2 2 ) 式中，r 为风力叶轮半径。力矩系数是衡量由风所产生的旋转力中，风力发 电机组能从中获得多少可作为力矩来利用的性能评价指标。 3 推力系数q 风推动风力发电机组的力称为推力t ( n ) ，q 为推力系数： q = 而2 t ( 2 3 ) 4 叶尖速比兄 叶尖速比决定了风力叶轮的功率，合理的选取最优叶尖速比可使风力叶轮功 率达到峰值。对于定桨距风力叶轮，随风速的增加其转速也增加，在这种情况下， 输出功率( 和风速的立方成正比) 也增加。风力叶轮叶片尖端的线速度( 圆周速度) 与风速的比五称为叶尖速度比： 垂直轴螺旋形风力叶轮的特性研究 a ：监：塑 ( 2 4 ) 风力发电机组种类不同，叶尖速比也有很大不同。升力型风力发电机组的叶 尖速比一般在3 1 0 之间，而阻力型风力发电机组一般五1 。 5 实度盯 实度是和叶尖速比密切相关的一个重要的设计参数。对转速高的风力发电机 而言，风力叶轮实度取得小，风力机的实度是由预定的启动风速来决定的，启动 风速小，要求实度大。通常风力机实度大致在5 - 2 0 这一范围。风力叶轮的叶片 的投影面积之和与风力叶轮扫掠面积的比例称为实度，如下式表示【4 5 】： 盯：要( 水平轴风力发电机组) ( 2 5 ) 冗r 、 盯：旦( 垂直轴风力发电机组) ( 2 6 ) 2 ：r r 、7 式中，b 为叶片个数；s 为叶片的投影面积；c 为叶片翼型弦长，如图2 1 所示。 ( a ) 水平轴风力机( b ) 垂直轴风力机 图2 1 实度 一般来说，实度的大小取决于叶尖速比，而实度小的风力机属于叶尖速比高 的小扭矩、高转速型；实度大的风力机属于叶尖速比低的大扭矩、低转速型。这 是因为当实度增大时，风力叶轮对风的阻碍作用也随之增强的缘故。实度的不同 在两个方面起着重要的作用：风力叶轮的力矩特性，特别是启动力矩；风力叶轮 的重量及由此决定材料的成本。 6 ，额定风速， 风力发电机达到额定功率时规定的风速叫额定风速。 禽 江苏大学硕士学位论文 7 切入风速v c 风力发电机开始发电时，轮毂处的最低风速叫切入风速。 8 切出风速屹 风力发电机正常运行的最大风速，称为切出风速。 2 2 风力叶轮设计的气动理论 2 2 1b e t z 理论 风力叶轮的作用是将风能转换为机械能，由于流经风力叶轮后的风速不可能 为零，因此风所拥有的能量不可能完全被利用，也就是说只有风的一部分能量 可能被吸收，成为叶片的机械能。那么风力叶轮究竟能够吸收多少风能呢? 为讨 论这个问题，世界上第一个关于风力机风力叶轮叶片接受风能的完整的理论在 1 9 1 9 年由贝茨( b e 哟提出【4 6 l 。贝茨理论的建立，是假定风力叶轮是“理想风力叶 轮 ，即 1 ) 全部接受风能( 没有轮毂) ，叶片无限多，对空气流没有阻力。 2 ) 空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的。 3 ) 气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的( 或称 平行风力叶轮轴线的) 。 分析一个放置在移动的空气中的“理想风力叶轮 叶片上所受到的力及流动 空气