《武汉工程大学学报》 2021年01期
110-113，118
出版日期：2021-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
一种新型的垂直轴风力机聚风装置
小型垂直轴风力机具有可靠性高、维修保养方便、风能利用率较高、气动噪音小等优点［1-2］。因此垂直轴风力机的研究与应用一致受到很多研究人员的重视，各种结构的垂直轴风力机不断涌现［3-4］。为了提高垂直轴风力机的风能利用率，不少研究将重点放在叶片结构的改进上，其研究途径之一就是将升力型与阻力型叶片结合，如顾荣蓉等［5］提出了一种新型升阻互补型垂直轴风力机，采用CFD法分析了利用该翼型制成的端部封闭和不封闭的两种垂直轴风力机的气动特性；曲建俊等［6］提出了一种基于活固叶片的新型升阻复合型垂直轴风力机，其功率系数曲线具有阻力型垂直轴风力机和升力型垂直轴风力机的双重特点。蔡新等［7］考虑S型与H型垂直轴风力机的特点，设计了一种新型升阻混合型垂直轴风力机。为了更好地发挥升阻风力各自的特点，近年来“自适应风速垂直轴风力机”成为研究热点［8-11］。研究途径之二是改变风的流场，增加所谓的聚能装置。如挡风墙聚能风力机装置，通过在大型风力机外侧建造两堵墙体，形成一个类似于扩散放大器的装置，能够有效地提高风轮平面的过风速度，达到增加风力机输出功率的目的［12］。周万里等［13］应用环境风洞，对几种不同的聚能-遮蔽模式及几种不同的风轮模型进行了吹风实验，获得了低风速条件下该类风力机风能利用特性的系列实验数据。唐静等［14-15］研究了一种圆台型聚风罩对垂直轴风力机性能的影响。本文提出了一种能将任意方向水平风改变为逆时针旋转流动风的新型风力机结构，并计算了其风能利用率，设计了功率为300 W的风力机的基本尺寸。1 垂直轴风力机聚风装置结构及其流场1.1 垂直轴风力机聚风装置结构本风力机结构如图1（a）所示，主体是一个直径较大的环形管，管的截面为矩形。环形管外壁沿圆周均匀设置了12个矩形截面的进风口1到12；内壁也沿圆周均匀设置了3个矩形截面的出风口；整个环形管被分成不相通的3段，如图1（b）所示。直线L1到L12分别表示12个风的方向，如L1表示水平向右的风，L4表示垂直向下的风向。则从进风口2、3、4进的风主要在第二象限的环形管内流动，从进风口5、6、7进的风主要在第一象限的环形管内流动等等。风从环形管外壁沿切向进入环形管内，沿着环形管流动，从环形管内壁出口沿切线方向进入环形管内侧。不同风向对应的进口及环形管段见表1。所谓主进风口就是与风的方向完全一致的进风口，一般进风口的方向与风的方向夹角为30°，而次进风口的方向与风方向的夹角为60°。设主风口的风力值为1，一般进风口的风力值为0.866，次进风口的风力值为0.5，则得到表1中各个方向的风对应的风力大小。从表1可以看出，无论风从哪一个方向进入环形管，都有5个进风口进风，风在两个环形管段流动，可同时推动两个叶片旋转。但是在不同风向时两个环形管段内风力分配是不均匀的，其中风向3、4、7、8、11和12分布均匀性较差，在一个环形管段里只对应一个次进风口，而在另一个环形管段里对应一个主进风口、两个一般进风口和一个次进风口。水平方向风流向环形管道，总的迎风面积A为：[A=Dh] （1）式中，D为管道环的外径，h为管子截面的高度。而有效进风面积为[A1=3.73sin(α2+β)D2hα] （2）式中，α和β如图1所示。α为矩形进风口对应的圆心角，单位为弧度；β为该矩形起始边与坐标轴对应的夹角。[α<30o]， [β≈17o]。有效进风面积系数为：[η=A1A=1.865sin(α2+β)α]当[α=10°]时，[η=0.12]；当[α=30°]时，[ηmax≈0.52]。考虑水平环管对风速的加速作用。如图2所示，设自然水平风速为[υ0]，经过AB处截面后流体路径渐渐缩小，则风速会变大。根据流体连续性原理，CD处截面的风速[υ1]为：[υ1=ABCDυ0>υ0] （3）式（3）表明，该水平环管对风速有明显的加速作用。因此，该装置能有效降低风力机的启动风速。1.2 垂直轴风力机聚风装置的环形流场以风向1为例。当风从1风向过来，风从主进口4，次进口2、3、5、6流进环形流道，其他进风口因为处于背风侧，不能进风。从进风口2、3、4进入的风在第二象限内流动，从进风口4对应的内壁风口出来，进入环形通道内侧，与进风口5、6进来的风交汇后，继续顺时针流动，对叶轮做功后，从位于第三象限的内侧风口出去，进入环形通道，并从背风口11、12流出环形通道。因为这两个风口有较大的抽吸作用。由此可见，在任意风向，环形通道内环壁的3个矩形口，始终有两个是进风的，另外一个则是出风口。做功前，环形通道内风速较大，压力较小，但是做功后的风速度较小，压力后有所增加。因此风能从环形通道外流进通道内，再流出通道，形成流场。2 功率系数的计算2.1 半圆柱形叶片的风轮如图2（a）所示，半圆柱形迎风面的风阻系数[CW=2.3]。经过类似的推导可知：[dF=12CWρLR3dθsinθ(υ0-ωr)2] （4）式中，[r=R3-R3cosθ+R0]。该力做功为：[dW=dFds=12CWρLR3dθsinθ(υ0-ωr)2rωdt]则功率为：[P=12CWρLR3ω0180osinθ(υ0-ωr)2rdθ]此时风力机的功率系数[CP]为：[CP=PmaxP=CWR3ω[2A2B+23R23ω(Bω-2A)](2R3+R0)υ30] （5）式中，[A=υ0-ωR3-ωR0]，[B=R3+R0]。令，[a=R0/(2R3+R0)]，[λ=(2R3+R0)ω/υ0]得到[CP=CW×[14λ3(1+a)2(1-a)-23λ2(1-a3)+12λ(1-a2)]] （6）当[a]增大时，[CP]是减小的。当[a=0.1]时，式（6）变成：[CP=CW(0.272λ3-0.666λ2+0.495λ)]当[λ=0.57]时，[CPmax=0.267 1]。考虑3个叶片的旋转情况，风轮的功率系数为35.6%。[ b ][ a ][R3][dθ][β][α][θ][ω][V][V’][U][A][W][FL][FD][Ft2][R][Ft1]图2 风轮：（a）半圆柱形叶片， （b）对称翼型Fig. 2 Wind wheels：（a） semi-cylindrical blade， （b） symmetric airfoil2.2 H型风力机风轮的功率系数如图3所示，采用对称型翼型，叶片的弦长为c，叶片的合力作用点在0.25c处。叶片的安装角为θ。按惯例，叶片的速度取风力合理作用点处的切向速度[U]，因为风在环形流道内顺时针流动，风的自然速度取A点处的法向速度[v/]，其与水平方向的夹角为[β]。考虑诱导作用后，风的速度[v]只是把[V/]逆时针旋转了1个角度[β0]。风相对于叶轮的速度就是风速与叶片的速度差，即[W]。[W]与翼弦的夹角为[α]。显然，不同于传统的H型风力机，此处，[α]是定值，不会随着叶片的旋转发生改变，因而极大地改善传统H型风力机的启动性能。[β=arctgcosθ4Rc+sinθ] （7） 式中，R叶片旋转半径为，c为叶片的弦长。相比安装角[θ]，叶片旋转半径与弦长的比值对[β]的影响更大。推动叶片旋转的圆周切向力为：[Ft=Ft1-Ft2=FLsin(α-θ)-FDcos(α-θ)]切向力[Ft]的功率（假设该力作用了2/3圈，有2个叶片做功）为：[P=43FtRω=43[FLsin(α-θ)-FDcos(α-θ)]Rω]设环形流道风速值和来流风速值都为[υ]，得到功率系数：[CP=43FtωR/(0.5ρs1υ3)=83ρs1υ3[FLsin(α-θ)-][FDcos(α-θ)]Rω] （8）将[FL=12ρW2s2CL]，[ FD=12ρW2s2CD]，[W2=k2W(ωR)2]代入式（8），得[CP=4s23s1[CLsin(α-θ)-CDcos(α-θ)]λ3k2W] （9）式中，[s1]、[s2]分别是叶片的扫掠面积和叶片的面积，[k2W=sin2(β+β0)sin2(β+β0-arctgsin(β+β0)λ+cos(β+β0))][CP=2c3R[CLsin(α-θ)-CDcos(α-θ)]λ3k2W]由图3（b）可以求出当尖速比为[λ]时叶片的攻角[α]。[α-θ=arctgsin(β+β0)λ+cos(β+β0)] （10）则[CP=2c3RCLsin(arctgsin(β+β0)λ+cos(β+β0))-][CDcos(arctgsin(β+β0)λ+cos(β+β0))λ3k2W] （11）设翼型为NACA0012，查其升阻力曲线得到升阻系数，由式（8）、（10）和式（11）计算得到不同尖速比下的功率系数。当[Rc=1.5]，[θ=2°]，[β0=5°]时得到图3。由图3可知，当尖速比为3时，功率系数最大，达到41.5%。3 结 论1）本聚风装置确实能适应任意风向，能有效聚风，并降低启动风速。2）本装置能显著提高阻力型垂直轴风力机的功率系数。用于H风力机能有较好的启动性能。当采用对称翼型NACA0012，功率系数能达到41.5%。3）垂直轴风力机的轴毂半径应取较小值，有利于功率系数的提高。阻力型风轮最佳的尖速比在0.5~0.6之间。