翼型前部修型的垂直軸風(fēng)力機(jī)安裝角敏感性研究

陳 超,譚永志,溫學(xué)兵，申振華,王建明

(1.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136； 2.沈陽師范大學(xué) 學(xué)報編輯部，沈陽 110136)

翼型前部修型的垂直軸風(fēng)力機(jī)安裝角敏感性研究

陳 超1,譚永志1,溫學(xué)兵2，申振華1,王建明1

(1.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136； 2.沈陽師范大學(xué) 學(xué)報編輯部，沈陽 110136)

在NACA0022翼型的垂直軸風(fēng)力原型機(jī)的基礎(chǔ)上，把翼型最大厚度前部修型為3∶2長短軸比的橢圓形；早先文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)此種修型方式能在0度安裝角時有效提升風(fēng)力機(jī)的氣動性能。進(jìn)一步研究修型后的風(fēng)力機(jī)對不同安裝角的敏感性及其與對應(yīng)原型機(jī)的氣動性能對比情況。利用Fluent軟件，采用k-ωSST湍流模型和SIMPLE算法，運(yùn)用滑移網(wǎng)格技術(shù)，研究不同安裝角下原型與修型后的風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)。計算結(jié)果表明，作3∶2翼型修型的風(fēng)力機(jī)的氣動性能較原型風(fēng)力機(jī)對葉片的安裝角更不敏感，高性能工作范圍更寬，此種修型方式具有明顯的工程應(yīng)用價值。

垂直軸風(fēng)力機(jī)；氣動性能；翼型修型；安裝角

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔能源的利用方式,風(fēng)力機(jī)性能對風(fēng)能利用起到了至關(guān)重要的作用。葉片是風(fēng)力機(jī)的核心部件，提高風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，有利于增加發(fā)電量。對于一些小型離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)中,目前使用最為廣泛的仍是垂直軸風(fēng)力機(jī)。相比于水平軸風(fēng)力機(jī)，垂直軸風(fēng)力機(jī)不僅具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特性，而且垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片連接結(jié)構(gòu)多為箱梁式結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，同時由于垂直軸風(fēng)力機(jī)尖速比低于同功率的水平軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪重量又遠(yuǎn)大于同功率的水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪，垂直風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量也遠(yuǎn)大于同功率的水平軸風(fēng)力機(jī)，所以垂直軸風(fēng)力機(jī)不經(jīng)具有運(yùn)行噪音小、安全性好等應(yīng)用性優(yōu)點(diǎn)，還有風(fēng)速變化時轉(zhuǎn)速突變小，電壓和功率波動平緩，對電網(wǎng)影響小的優(yōu)點(diǎn)，此外垂直軸風(fēng)力機(jī)在風(fēng)向改變的時候無需對風(fēng)，這就使它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化，而且也減少了風(fēng)輪對風(fēng)時的陀螺力[1]。以上機(jī)構(gòu)及應(yīng)用上的諸多優(yōu)點(diǎn)使近年來垂直軸風(fēng)力機(jī)又逐漸地成為風(fēng)電研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[2]。為了深入挖掘垂直軸風(fēng)力機(jī)的潛力，近些年國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Menet提出了L-σ準(zhǔn)則，指出垂直軸風(fēng)力機(jī)比水平軸風(fēng)力機(jī)能產(chǎn)生更高的年發(fā)電量[3]。姚興佳分析了風(fēng)力機(jī)葉片的做功原理，指出當(dāng)葉片攻角過大時升力突然下降(失速)，其原因是葉片擾流的流動分離產(chǎn)生了渦流[4]。金雪紅等研究了三葉片及五葉片風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下風(fēng)輪流場分布及壓力場分布[5]。戴庚等綜述了近期垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究進(jìn)展[6]。選用非對稱翼型的垂直軸風(fēng)力機(jī)應(yīng)把葉片的壓力面向旋轉(zhuǎn)圓周外側(cè)進(jìn)行安裝[7]。在小型垂直軸直葉片風(fēng)力機(jī)具有很好的風(fēng)能利用系數(shù)時，往往在葉片下風(fēng)向產(chǎn)生了較大的漩渦[8]。由于垂直軸風(fēng)力機(jī)工作時，其葉片的氣流攻角隨著相位角的變化也在一定范圍內(nèi)不停的改變[9]；這種復(fù)雜的氣動條件就要求垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片能夠適應(yīng)攻角大范圍變化的要求。目前垂直軸風(fēng)力機(jī)中應(yīng)用較廣泛的葉片翼型是美國NACA的4位數(shù)系列對稱翼型[1，10]，文獻(xiàn)[11]在文獻(xiàn)[10]中應(yīng)用的NACA0022翼型的基礎(chǔ)上，對翼型前部進(jìn)行修型；發(fā)現(xiàn)0度安裝角的情況下，翼型最大厚度前部修為長短軸比為3∶2時的氣動性能最好。本文在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，研究不同安裝角下，修型后的風(fēng)力機(jī)氣動性能，即風(fēng)力機(jī)氣動性能對葉片安裝角的敏感性問題。

1 計算模型及氣動參數(shù)

本文忽略葉輪的三維流動效應(yīng)，并進(jìn)行二維簡化；對于葉輪及周圍旋轉(zhuǎn)區(qū)域，使用滑移網(wǎng)格法(Sliding Meshs)對其進(jìn)行建模，文獻(xiàn)[12][13]中的計算結(jié)果已經(jīng)證實(shí)了滑移網(wǎng)格法對處理帶有二維旋轉(zhuǎn)計算域的合理性。利用Gambit軟件進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)N=3，葉片安裝角為0°，翼型弦長C=100 mm，風(fēng)輪半徑R=300 mm，計算域長4 800 mm，寬2 400 mm，入口速度為4.3 m/s，出口采用壓力出口。參照文獻(xiàn)[15]的建模方法，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的內(nèi)部與外部均采用三角形網(wǎng)格，靠近葉輪處進(jìn)行加密處理，總的網(wǎng)格數(shù)大約為40萬個(圖1)。利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ωSST湍流模型，采用壓力基隱式求解器，速度取絕對速度，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法。文獻(xiàn)[11]中的數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的對比情況可以說明本文的計算結(jié)果是可靠的。

圖2是文獻(xiàn)[11]中在NACA0022翼型(稱為原型)的基礎(chǔ)上對翼型修型的示意圖。在翼型的最大厚度處(即30%弦長處)把翼型一分為二，保持翼型尾部不變，改變翼型的前半部分為不同長短軸比的半個橢圓；文中橢圓橫向的半軸長與縱向的半軸長的比值分別為2∶1、3∶2、1∶1和2∶3(圖2)；在葉片弦長一致(即葉輪實(shí)度相同)的情況下，修型后的葉片厚度增加了，葉片的強(qiáng)度也得到了增加。

圖1 計算域與網(wǎng)格

圖2 翼型修型示意圖

垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉輪在空氣流過葉片產(chǎn)生的升力與阻力的共同作用下旋轉(zhuǎn)[1]。設(shè)風(fēng)輪的輸出功率為P，單位時間內(nèi)風(fēng)力機(jī)所獲得的能量與來流風(fēng)能之比為風(fēng)能利用系數(shù)Cp(用來評定風(fēng)力機(jī)氣動性能的優(yōu)劣)，葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比為葉尖速比λ(用來表示風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度的快慢)，它們的定義如下：

P=Mω=2πnM/60

(1)

(2)

(3)

式中：M為氣流對葉片的扭矩，N·m；ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min；ρ為空氣密度，kg/m3；A為風(fēng)輪的掃掠面積，m2；V為來流風(fēng)速，m/s；R為風(fēng)輪半徑，m。

2 結(jié)果分析

文獻(xiàn)[11]指出了3∶2修型方式對風(fēng)力機(jī)Cp的提升效果最佳，因此，本文選取3∶2修型方式與原型進(jìn)行不同安裝角下的風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的對比計算，其中安裝角的定義與文獻(xiàn)[1]相一致。

2.1 0°安裝角

安裝角為0°時(如圖3)，原型風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax為0.194，對應(yīng)的λ=2.06；采用3∶2修型方式的風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax為0.248，對應(yīng)的λ=1.72；相應(yīng)的修型后風(fēng)力機(jī)的Cp值提高了27.8%。而且，修型后的風(fēng)力機(jī)高Cp的工作區(qū)間也比原型有了明顯的擴(kuò)寬(λ=1.0～2.4時，Cp都高于0.20；而原型風(fēng)力機(jī)不僅高Cp工作區(qū)間狹窄，且最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax未超過0.2)。

圖3 0°安裝角計算結(jié)果

2.2 2°安裝角

安裝角變?yōu)?°時(如圖4)，相對于0°安裝角，原型風(fēng)力機(jī)的Cp發(fā)生了明顯的改善；而修型風(fēng)力機(jī)的Cp雖然也有一定的改善，但變化的并不明顯。原型風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.260，對應(yīng)的λ=2.41。修型的風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.274，對應(yīng)的λ=2.06；較原型高5.4%。在工作區(qū)間的范圍方面，原型風(fēng)力機(jī)在尖速比為1.7～2.7的范圍內(nèi)風(fēng)力機(jī)的Cp高于20%；修型風(fēng)力機(jī)在尖速比為1～2.7的范圍內(nèi)風(fēng)力機(jī)的Cp都高于20%；此區(qū)間較原型寬了1.7倍。

2.3 4°安裝角

安裝角為4°時(如圖5)，原型風(fēng)力機(jī)的Cp進(jìn)一步改善，而修型風(fēng)力機(jī)的Cp雖然也有一定的改善，但變化的并不明顯。原型風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax為0.299，對應(yīng)的λ=2.41。修型風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax為0.293，對應(yīng)的λ=2.06，兩者的最大風(fēng)能利用系數(shù)無明顯差異。而在工作區(qū)間的范圍方面，原型風(fēng)力機(jī)在尖速比為1.4～2.7的范圍內(nèi)風(fēng)力機(jī)的Cp高于20%；修型風(fēng)力機(jī)在尖速比為1～2.7的范圍內(nèi)風(fēng)力機(jī)Cp都高于20%，較原型寬了1.3倍。

圖4 2°安裝角計算結(jié)果

圖5 4°安裝角計算結(jié)果

2.4 6°安裝角

6°安裝角時(如圖6)，無論是原型還是修型風(fēng)力機(jī)的Cp都基本與4°安裝角時的情況相一致。也就是兩者都在4°～6°安裝角時達(dá)到了最佳運(yùn)行狀態(tài)。即4°、6°安裝角成為了風(fēng)力機(jī)的最佳安裝角。

2.5 綜合比較及討論

把上述所有安裝角下的Cp-λ曲線統(tǒng)一繪制在圖7中，對應(yīng)的最大Cp及其對應(yīng)的λ列于表1中。綜合圖7與表1，在0°、2°、4°、6°四個所研究的安裝角中，修型風(fēng)力機(jī)的功率曲線較原型風(fēng)力機(jī)的功率曲線都有向小尖速比方向移動的趨勢，即相同Cp下風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。修型風(fēng)力機(jī)的高Cp的工作范圍更寬，而且0°、2°安裝角時的Cpmax的改善明顯；0°、2°、4°三種安裝角時，原型風(fēng)力機(jī)的Cp-λ曲線差異較大(由表1，0°與4°的原型風(fēng)力機(jī)Cpmax相差55.3%)，而修型風(fēng)力機(jī)的Cp-λ曲線差異較小(由表1，0°與4°的修型風(fēng)力機(jī)Cpmax相差18.1%)，即修型風(fēng)力機(jī)對葉片的安裝角更不敏感。在實(shí)際的葉片安裝工程中，葉片是不可能實(shí)現(xiàn)非常精確的安裝的，不精確的安裝就會引起風(fēng)力機(jī)氣動性能的降低，而應(yīng)用3∶2修型的風(fēng)力機(jī)，高的氣動性能更容易保持，因此葉片作3∶2的翼型剖面修型有非常重要的工程應(yīng)用價值。

圖6 6°安裝角計算結(jié)果

圖7 所有安裝角的計算結(jié)果

文獻(xiàn)[11]中指出采用3∶2修型的風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)到風(fēng)力機(jī)上風(fēng)區(qū)時，雖然葉片仍然是處于大攻角的流動狀態(tài)(流動分離嚴(yán)重)；但是相對于原型風(fēng)力機(jī)來說，其抗分離的能力還是有一定提高。本文隨安裝角變化的情況進(jìn)一步揭示了風(fēng)力機(jī)采用3∶2的修型方式，風(fēng)力機(jī)葉片在大攻角時的抗失速能力仍然得以維持。

表1 風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)最大值及其對應(yīng)的尖速比

2.6 進(jìn)一步機(jī)理分析

由圖8(a)(b)(c)所示安裝角分別為0°，2°，4°，6°時的相對流場矢量圖(以相位角θ=150°為例)。0°安裝角時，原型葉片的分離點(diǎn)距離葉片前緣約0.15弦長處，3∶2修型葉片分離點(diǎn)距離葉片前緣點(diǎn)約0.25弦長處，修型葉片的分離點(diǎn)有了顯著的延緩，同時葉片的空間漩渦尺度也得到了明顯的減小。2°安裝角時，原型葉片的分離點(diǎn)距離葉片前緣約0.20倍弦長處，3∶2修型葉片分離點(diǎn)距離葉片前緣點(diǎn)約0.27倍弦長處，修型葉片的分離區(qū)仍有明顯延緩，葉片的空間漩渦尺度得到了明顯的減?。?°安裝角時，原型葉片的分離點(diǎn)距離葉片前緣約0.30倍弦長處，3∶2修型葉片分離點(diǎn)距離葉片前緣點(diǎn)約0.32倍弦長處，修型葉片較2°安裝角時的分離區(qū)延緩效果已有所削弱，空間漩渦尺寸較原型有所減小，但減小效果弱于2°安裝角；6°安裝角時，原型葉片的分離點(diǎn)距離葉片前緣約0.32弦長處，3∶2修型葉片分離點(diǎn)距離葉片前緣點(diǎn)約0.35弦長處，分離區(qū)延緩效果已不明顯，原型葉片的空間漩渦尺度與3∶2修型葉片的漩渦尺度已基本接近。

圖8 相對流場矢量圖

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬，在對比了原型與3∶2修型的風(fēng)力機(jī)在不同安裝角下氣動性能后，得到如下結(jié)論：

(1)隨葉片安裝角從0°增加至4°，原型與3∶2修型的垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)都得到了提升；4°與6°安裝角下的Cp-λ曲線基本一致；原型與3∶2修型的風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)安裝角都是4°(或6°)。

(2)0°至6°安裝角范圍內(nèi)，3∶2修型的風(fēng)力機(jī)的Cp-λ曲線都較原型有向低尖速比作大幅移動的趨勢；而且高Cp的工作范圍更寬。

(3)相對于原型機(jī)的氣動性能，3∶2修型的風(fēng)力機(jī)對葉片的安裝角更不敏感，文中提出的修型方式具有明顯的工程應(yīng)用價值。

(4)0°、2°安裝角時，修型葉片的抗分離效果明顯優(yōu)于原型葉片，這也導(dǎo)致了風(fēng)力機(jī)氣動性能的優(yōu)越性，4°、6°安裝角時，兩種風(fēng)機(jī)的抗分離能力相當(dāng)，風(fēng)力機(jī)做功的能力也基本相同。

(5)3∶2修型的風(fēng)力機(jī)對葉片延緩了分離區(qū)的發(fā)展，削弱了空間漩渦的尺寸，提升了葉型的抗分離性。

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(責(zé)任編輯：劉劃 英文審校：宋曉英)

StudyonsensitivityofaVAWTbymodificationofairfoiltodifferentinstallationangles

CHEN Chao1，TAN Yong-zhi1，WEN Xue-bing2,SHEN Zhen-hua1，WANG Jian-ming1

(1.Liaoning Key Lab of Advanced Test Technology for Aeronautical Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China; 2.Editorial Department of Journal,Shenyang Normal University,Shenyang 110136,China)

On a vertical axis wind turbine(VAWT)equipped with NACA0022 airfoil profile,the front maximum thickness of airfoil profile was modified into an oval,whose ratio between semimajor axis and semiminor axis is 3∶2.It has been taken as a reference in the previous literature that the aerodynamic performance of VAWT could be promoted by that modification at the installation angle of 0°.Herein,a further investigation on sensitivity of the modified VAWT to diverse installation angles and the contrast between its aerodynamic performance and that of its corresponding prototype was conducted.VAWTs were simulated numerically by Fluent software.With the application of thek-ωSST turbulence model,SIMPLE algorithm and sliding grid techniques,the Rotor Power coefficient of the wind turbines with original airfoil and modified airfoil at different installation angles was studied.The result shows that,at different installation angles,the aerodynamic performance of the VAWT with modified airfoil profile is less sensitive to the installation angles than that of the original VAWT,and the working range of high efficiency was widened.The method of modification of airfoil has apparent application value.

vertical axis wind turbine(VAWT);aerodynamic performance;modification of airfoil;installation angles

2014-07-11

遼寧省自然科學(xué)基金(項目編號：20102177)

陳超(1988-)，男，遼寧沈陽人，碩士研究生，主要研究方向：發(fā)動機(jī)氣動熱力學(xué)及其應(yīng)用，E-mail:317692961@qq.com；王建明(1975-)，男，遼寧昌圖人，博士，副教授，主要研究方向：風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，E-mail:jmwang75@163.com。

2095-1248(2014)06-0012-07

TK83

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.06.003