圓臺型聚風罩對垂直軸風力機起動性的影響

李　巖，唐　靜，田川公太朗，馮　放（.東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱　5000；.日本鳥取大學地域學部，日本　鳥取　680855；.東北農業(yè)大學理學院，哈爾濱 5000）

圓臺型聚風罩對垂直軸風力機起動性的影響

李巖1，唐靜1，田川公太朗2，馮放3
（1.東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱150030；2.日本鳥取大學地域學部，日本鳥取6808552；3.東北農業(yè)大學理學院，哈爾濱 150030）

為提高直線翼垂直軸風力機自起動性能，設計可安裝在風輪上下兩端圓臺型聚風罩，收集更大面積來流提高來流風速。針對聚風罩高度、傾角及距風輪距離等主要結構參數作二次正交旋轉組合設計，利用三維數值模擬方法計算不同聚風罩結構參數條件下風力機起動力矩，對比分析優(yōu)化聚風罩結構參數，可有效提升風力機起動力矩。通過分析聚風罩與風輪間流場變化，揭示聚風罩對風力機起動力矩影響機理。

垂直軸風力機；聚風罩；圓臺型；起動性；數值計算

李巖,唐靜,田川公太朗,等.圓臺型聚風罩對垂直軸風力機起動性的影響[J].東北農業(yè)大學學報,2016,47(4):95-101.

Li Yan,Tang Jing,Tagawa Kotaro,et al.Effect of frustum-shaped wind collection pattern to starting performance of VAWT [J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(4):95-101.(in Chinese with English abstract)

網絡出版時間2016-4-22 10:01:25[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160422.1001.028.html

近年來，大型并網風力發(fā)電成為全球商業(yè)化利用可再生能源形式之一[1-2]。離網型中小容量風能系統(tǒng)也得到廣泛應用，如農場用風力提水系統(tǒng)、農牧區(qū)離網型風力供電系統(tǒng)、偏遠地區(qū)分布式供電系統(tǒng)、寒冷地區(qū)離網型風力供暖系統(tǒng)等。因此，針對中小型風能市場的高效新型風力機研發(fā)成為研究熱點。直線翼垂直軸風力機與水平軸風力機相比，低風速下起動性較差等問題亟待解決[3-8]。曲建俊等基于活固葉片升阻復合型垂直軸風力機，探討葉片數對自適應風速垂直軸風力機自起動性影響[9-10]。李巖等將Savonius風輪與直線翼垂直軸風力機組合，通過風洞實驗驗證起動性[11]。姬俊峰等設計遮蔽-增速升力型風力機[12]、黃娟等設計導葉式風力機[13]，兩者主要特點是沿來流方向在直線翼垂直軸風力機風輪周圍設置具有導流和增速作用導流板，改善風力機起動性。Altan、Chong等分別以阻力型和升力型風輪為中心增加導風板，提高流入風輪風速[14-15]。

本研究提出一種新型聚風導流輔助裝置，聚風裝置安裝于風輪上下，既可收集更大面積來流、提高入口風速，又可降低因抵抗沿來流風阻對聚風罩結構的較高要求。由于聚風罩形狀、結構及與風輪相對位置參數較多，本文在前期研究基礎上[16]，針對圓臺型聚風罩主要結構參數，利用數值模擬計算手段，采用二次正交旋轉組合設計方法，計算不同結構參數組合下風力機起動力矩，探明聚風罩對風力機起動性影響規(guī)律，得到聚風罩結構參數優(yōu)化組合，為提高聚風裝置性能提供理論參考。

1　垂直軸風力機及聚風罩

本研究設計直線翼垂直軸風力機及圓臺型聚風罩如圖1a所示。聚風罩安裝于風輪上下兩端，主要結構參數包括聚風罩高度H、傾角α及距風輪距離ΔL。風力機選用4葉片結構。為便于風洞中驗證試驗結果，考慮實驗室風洞實驗段尺寸（1m× 1m），模型風輪直徑定為d=600mm，高度h= 500mm。葉片采用NACA0018翼型，翼型弦長為c= 125mm，材質為玻璃鋼。由于直線翼垂直軸風力機起動力矩與風輪旋轉角密切相關[17]，本文風輪旋轉角θ定義如圖1b。

圖1　聚風罩與垂直軸風力機Fig.1　Wind collection pattern and vertical axis wind turbine

2　數值模擬計算模型與方法

采用三維數值模擬計算方法，計算域為10D× 5D×5D長方體風場，將模型放置于長方體流體域前1/3位置處，并對模型采用非結構化網格劃分，網格數為120萬個。為提高流場模擬精度，對風輪附近及聚風罩型線位置局部加密處理。網格劃分如圖2所示。計算基于N-S方程，采用三維定常kε湍流模型求解，壓力和速度采用SIMPLE耦合算法，湍動能、湍流耗散率均采用較高精度二階迎風格式。為提高計算速度和質量，簡化對計算結果影響不大的風力機構件，如橫梁，中心軸等。定義邊界條件如下：進口為速度入口邊界，風速U= 10m·s-1，出口邊界為壓力出口。

圖2　網格劃分Fig.2　Mesh generation

3　聚風罩主要結構參數優(yōu)化設計

3.1計算因素與指標選取

本文選取聚風罩高度H、傾角α和距風輪距離ΔL為計算因素，并分別對其進行單因素編碼，合理控制因素編碼[16]。通過采用二次正交旋轉組合計算方法確定聚風罩優(yōu)化參數組合，計算因素水平編碼見表1。

表1　因素水平編碼Table 1　Experimental variables and levels

在各種參數組合條件下，計算風力機在靜止狀態(tài)下起動力矩，其隨風力機旋轉角而變化。由于所選風力機為4葉片，故僅計算旋轉角在0°～90°內起動力矩即可。本研究計算在0°～90°內每間隔15°，7個旋轉角處起動力矩，計算平均值獲得平均起動力矩，評價聚風罩對起動性影響。

3.2數值計算結果

以平均起動力矩為性能指標的二次正交旋轉組合設計計算結果如表2所示。

表2　風力機平均起動力矩計算結果Table 2　Result of average starting torque of wind turbine

3.3回歸方程及方差分析

將回歸模型中不顯著項去掉，獲得平均起動力矩與計算因素回歸方程如下：

式中，x1-聚風罩傾角（α）；x2-聚風罩高度（H）；x3-聚風罩距風輪距離（ΔL）。

對回歸方程進行方差分析，如表3所示。模型擬合效果好，回歸方程顯著。

表3　方差分析Table 3　Variance analysis

3.4交互項對平均起動力矩影響分析

根據擬合模型繪制傾角和距風輪距離三維響應曲面，如圖3所示。

圖3　交互項對平均起動力矩影響Fig.3　Interaction effects on average starting torque

由圖3可知，當距風輪距離較小（0～20mm）時，傾角增大使得平均起動力矩呈現先快速上升后逐漸平穩(wěn)趨勢，當距風輪距離較大（20～40mm）時，平均起動力矩隨傾角增大呈先平緩上升后迅速下降趨勢，傾角為（40°～50°）水平區(qū)間達到峰值。當傾角處于較低水平（20°～40°）時，平均起動力矩隨距風輪距離增大逐漸增大，當傾角處于較高水平（40°～60°）時，平均起動力矩隨距風輪距離增大逐漸減小。由此可知，聚風罩傾角過小或者過大均影響聚風效果。

3.5優(yōu)化分析

通過上述回歸分析，以平均起動力矩較大為主要目標并考慮其他因素對指標影響，得到優(yōu)化參數組合為：聚風罩傾角46°，高度299mm，距風輪距離36mm，此時風力機平均起動力矩0.397 N·m，平均起動力矩最大，風力機自起動性改善最佳。

4　聚風罩對風力機起動性影響數值計算

4.1對起動力矩特性影響

有、無聚風罩風力機起動力矩與旋轉角關系曲線見圖4。由圖4可知，兩條曲線整體趨勢一致，除旋轉角為45°外，聚風型垂直軸風力機起動性能均優(yōu)于普通垂直軸風力機，說明聚風罩有效性，尤其是在15°旋轉角時，聚風型風力機起動力矩提升30%。

圖4　有無聚風罩垂直軸風力機起動力矩Fig.4 Starting torque of vertical axis wind turbine with or without wind collection pattern

4.2對流場影響

圖5～6為15°和45°旋轉角有無聚風罩風力機周圍流線圖。由圖5a和圖6a可知，在不同旋轉角下，無聚風罩風力機周圍流場差別較大，這是葉片迎風位置及葉片間相對位置不同導致。風流經風輪內部和離開風輪后存在較大渦旋，是流體產生能量損失及影響風力機效率主要因素之一。對比在相同旋轉角下帶有聚風罩風力機流線變化，如圖5b和圖6b所示，加裝聚風罩后，流經風輪內部渦旋均得到不同程度改善，減少能量損失；雖然風輪后尾流渦旋較大，但由于聚風罩擴壓作用，大量流體向外向后形成渦旋，逐漸打散，因此對流經風輪主流影響不大。對比15°和45°旋轉角流線圖可知，旋轉角為15°時，加入聚風罩后流場相對規(guī)則，內部渦旋減少，而風輪后尾流部分渦旋較對稱，因此風力機起動力矩改善明顯；而在45°旋轉角時，內部和尾流區(qū)渦旋未改善，起動力矩較小，因此聚風罩對該角度下起動性改善不顯著。對比分析旋轉角為15°和45°時聚風罩對風輪流場影響，在風輪不同高度平面內沿來流方向計算風輪中心線上速度。

圖5　風力機流線（θ=15°）Fig.5　Streamline of wind turbine（θ=15°）

圖6　風力機流線（θ=45°）Fig.6　Streamline of wind turbine（θ=45°）

計算位置見圖7，AB為風輪中心水平面上中心線位置，AB=1.2m，為2倍風輪直徑。h1～h6表示所截取位置距中心線AB距離，分別為h1=0m，h2= 0.08m，h3=0.16m，h4=0.24m，h5=0.25m，h6= 0.268m。其中，h1是風輪中心線位置，h6是從中心線到風輪與聚風罩間隙一半位置高度，h5是從中心線到葉片邊緣位置高度，h4是從中心線到距葉片邊緣10mm位置高度。

旋轉角為15°和45°時在不同高度處有無聚風罩風力機速度分布見圖8。

圖7　位置示意圖Fig.7　Schematic diagram of location

圖8　各計算高度處速度分布Fig.8　Velocity distribution of different heights

由圖8可知，在旋轉角為15°時，安裝聚風罩風力機在不同位置風速變化趨勢呈“M”型。來流速度在風輪入口附近先降后升，在h6高度處最大提升至15.8m·s-1，增速達36.7%。但在流入風輪內部后迅速減速，在接近風輪中心部時各高度處風速變化趨勢較小，在各高度處來流速度差較小。可知，聚風罩使風輪內部流速分布均勻，為處在下游處葉片接受較好風況提供保證，起整流效果。在接近風輪出口處，各高度處速度快速提升，隨后急速下降，是由于在此旋轉角度下有一葉片位于中心線附近而產生來流阻礙，也是圖5a中風輪尾流處有較大渦旋產生的主要原因。因渦旋主要在風輪外部，對風力機力矩影響不大。相比之下，在旋轉角為45°時速度分布不同。在h1、h2、h3高度處速度變化一致，原因是在此角度時風輪中心線附近基本上無葉片阻擋，因此來流可維持較高增速直至流出風輪而無減速。但增速來流并未作用到葉片上，即在此角度下風力機起動力矩無增加。而在另外三個高度處流速變化差異顯著，可見在風輪邊緣及與聚風罩間，速度變化劇烈，也是圖6b中所示風輪后流線出現較大渦旋主要原因。

5　結論

a.利用三維數值模擬方法計算帶有圓臺型聚風罩直線翼垂直軸風力機起動力矩特性，驗證聚風罩導流增速作用，為在直線翼垂直軸風力機上安裝聚風裝置以提高其起動性提供依據。

b.以最大平均起動力矩為目標，采用二次正交旋轉組合設計方法，得到優(yōu)化圓臺型聚風裝置結構參數組合，即聚風罩傾角為46°，高度為299mm，距風輪距離為36mm，此時風力機平均起動力矩最高可提升30%。通過風輪流場分析聚風原理，可為聚風裝置優(yōu)化設計提供基礎。

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Effect of frustum-shaped wind collection pattern to starting perfor?mance of VAWT

LI Yan1,TANG Jing1,TAGAWA Kotaro2,FENG Fang3(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Faculty of Regional Sciences,Tottori University,Tottori 6808552,Japan;3.School of Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

This study was committed to design a straight-bladed vertical axis wind turbine(SB-VAWT) with frustum-shaped wind collection pattern installed upper and lower ends of it,the purpose of which was to improve the starting torque of SB-VAWT,and to collect a larger area wind and to improve the wind speed inflow.The rotational quadratic orthogonal calculations was applied,which tookmain structural parameters as influence factors,including height,angle,and distance from wind turbine to wind collection pattern,and the three-dimensional numerical simulationmethod was used to simulate the wind turbine starting torque characteristics under different structural parameters of wind collection pattern.By comparison and analysis,a set of structural parameters of wind collection pattern was optimized which could improve the starting torque of wind turbine effectively.Meanwhile,influencemechanism of wind collection pattern to starting torque of wind turbine was revealed by analyzing the flow field variation between wind collection pattern and wind rotor.

vertical axis wind turbine(VAWT);wind collection pattern;frustum-shaped;starting performance;numerical simulation

TM315

A

1005-9369（2016）04-0095-07

2015-08-06

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12541012）；東北農業(yè)大學研究生科技創(chuàng)新基金（yjscx14022）

李巖（1972-），教授，博士，博士生導師，研究方向為風能研究和可再生能源綜合利用。E-mail:liyanneau@163.com