H型垂直軸風(fēng)力機設(shè)計參數(shù)分析研究

馬元威 劉莉娜 李練兵

(中海油天津化工研究設(shè)計院1，天津 300130;河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院2，天津 300130)

H型垂直軸風(fēng)力機設(shè)計參數(shù)分析研究

馬元威1劉莉娜2李練兵2

(中海油天津化工研究設(shè)計院1，天津 300130;河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院2，天津 300130)

采用多流管理論模型對風(fēng)光能源復(fù)合發(fā)電裝置項目中H型垂直軸風(fēng)機參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，在多流管理論基礎(chǔ)上建立模型并用Matlab軟件進行計算、仿真。分析了H型垂直軸風(fēng)力機葉片在旋轉(zhuǎn)過程中不同葉尖速比時攻角的變化情況，以及葉尖速比、密實度對風(fēng)力機風(fēng)能利用系數(shù)的影響。通過各個參數(shù)大小的變化對功率系數(shù)的影響進行比較，得出最大功率時所對應(yīng)的風(fēng)機最佳參數(shù)。

葉尖速比 垂直軸風(fēng)力機 多流管模型 建模仿真 Matlab

0 引言

小型垂直軸風(fēng)力機具有低速性能好、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單、外形美觀、維護方便等優(yōu)點，受到研究者的廣泛青睞。近年來，越來越多的風(fēng)電廠商將達里厄風(fēng)力機和小型H型垂直軸風(fēng)力機應(yīng)用到離網(wǎng)型中小容量和微并網(wǎng)風(fēng)電領(lǐng)域，研制出了多種既有較高效率又有獨特外形的新型升力型垂直軸風(fēng)力機。本文通過多流管理論模型，著重探討設(shè)計參數(shù)——風(fēng)力機葉片弦長、風(fēng)輪直徑和葉尖速比的變化對H型垂直軸風(fēng)力機功率系數(shù)的影響，為風(fēng)光能源復(fù)合發(fā)電裝置項目中H型垂直軸風(fēng)機設(shè)計提供依據(jù)［4］。

1 單盤面多流管理論模型

多流管模型由Strickland J H于1975年提出，此模型考慮了方位角θ在來流方向?qū)λ俣日T導(dǎo)因子的影響，能更加準確地預(yù)算風(fēng)力機的氣動性能。單盤面多流管模型［1］(single-disk multi-stream tube，SDMT)將轉(zhuǎn)子盤面劃分成許多獨立的流管，假設(shè)流管是直的，與來流方向平行，且同一流管內(nèi)盤面處的速度因子a相同，不同流管內(nèi)的速度因子a隨位置角變化而變化［2］。多流管模型如圖1所示。

圖1 多流管模型示意圖Fig.1 Schematic of multi-stream tube model

選取其中一個流管穿過風(fēng)輪，由速度誘導(dǎo)因子的定義得:

式中:V0為來流風(fēng)速;V為通過風(fēng)輪時的速度;a為速度因子。假定流管穿過風(fēng)輪的過程中橫截面積恒定不變，由動量理論得流管中作用于葉素上的軸向力為:

式中:Δh為流管垂直高度，m;r為風(fēng)機旋轉(zhuǎn)半徑，m;θ為風(fēng)機旋轉(zhuǎn)的方位角，(°);ρ為空氣密度，kg/m3。

由動量定理可得盤面處葉素平均受力為:

式中:B為風(fēng)力機葉片數(shù)量;Δθ為流管作用盤面對應(yīng)的位置角范圍;C為葉片弦長，m;W為相對風(fēng)速，即為葉片線速度與風(fēng)速的合成速度，m/s;Cn為切向力系數(shù);Ct為法向力系數(shù)。由式(2)和式(3)通過迭代的方法可求解速度因子a，則風(fēng)輪的輸出功率P為:

式中:P為風(fēng)機實際獲得的功率，W;Cp為功率利用系數(shù);S為掃風(fēng)面積，m2;ω為風(fēng)輪角頻率，rad/s。

由式(5)即可得到風(fēng)輪的功率利用系數(shù)Cp，以及風(fēng)輪的功率利用系數(shù)Cp與風(fēng)輪的輸出功率P的關(guān)系。

2 攻角與葉尖速比的分析

在H型垂直軸風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)過程中，葉片上某點的攻角i(翼弦與相對風(fēng)速所夾的角)隨位置角θ的不同而變化，兩者的關(guān)系表示如下:

式中:λ為葉尖速比，即葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比，用來表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)。

根據(jù)單盤面多流管H型垂直軸風(fēng)力機理論模型，應(yīng)用Matlab編程，得到在不同葉尖速比下攻角隨H型垂直軸風(fēng)力機方位角的變化曲線如圖2所示。

圖2 攻角隨方位角的變化曲線圖Fig.2 Changes of attack angle follows azimuth

葉片旋轉(zhuǎn)一周時，攻角跟隨方位角的變化情況可用正弦函數(shù)近似表示，并且隨λ的增大，攻角的變化范圍逐漸減小。根據(jù)葉片翼型的氣動特性可知，當攻角的變化超過失速點后，翼型的升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)迅速增加，這會影響到垂直軸風(fēng)力的氣動性能，甚至產(chǎn)生反力矩。因此，提高垂直軸風(fēng)力機的氣動性能，首先應(yīng)使葉片攻角的變化范圍在失速點之內(nèi)，以獲得較大的轉(zhuǎn)動力矩［3］。

3 參數(shù)對系數(shù)Cp的影響

本文選擇單盤面多流管垂直軸風(fēng)力機理論模型，通過算例分析各葉尖速比對風(fēng)輪功率系數(shù)的影響。設(shè)計的直葉片H型垂直軸風(fēng)力機葉片數(shù)為5、額定風(fēng)速V=8 m/s、所選翼型為NACA0012、風(fēng)輪高度 H=2 m、風(fēng)輪直徑D=3 m、葉片弦長C=0.15 m。

3.1 弦長對系數(shù)Cp的影響

當弦長 C分別為0.12 m、0.14 m、0.16 m、0.18 m時，采用多流管理論模型計算得到功率系數(shù)Cp的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，葉尖速比在某一段相對固定范圍區(qū)間內(nèi)，隨著風(fēng)力機葉片弦長的增大，風(fēng)力機的功率系數(shù)是相對提高的。但是另一方面，隨著風(fēng)力機葉片弦長的增大，對應(yīng)的風(fēng)力機的最大功率系數(shù)卻向低葉尖速比區(qū)域移動，高功率系數(shù)區(qū)域變窄。對于固定弦長的風(fēng)力機，風(fēng)能利用率隨著葉尖速比的增加而增加，達到某一葉尖速比，風(fēng)能利用系數(shù)Cp達到最大;隨著葉尖速比的進一步增加，風(fēng)能利用系數(shù)反而減小，曲線近似呈拋物線變化，即在某一區(qū)域內(nèi)存在一個最佳葉尖速比，使風(fēng)力機的功率系數(shù)最高。因此，在選擇葉片弦長時，還需要綜合考慮最高功率系數(shù)和高效區(qū)域范圍，以獲得最高效率［6］。

圖3 弦長對Cp的影響Fig.3 Influence of chord length to Cp

3.2 直徑對系數(shù)Cp的影響

其他參數(shù)不變，當風(fēng)力機直徑D分別為2.6 m、3.0 m、3.4 m、3.8 m時，功率系數(shù)變化曲線如圖4所示。

圖4 直徑對Cp的影響Fig.4 Influence of diameter length to Cp

由圖4可知，當風(fēng)力機直徑減小時，對應(yīng)的風(fēng)力機最大功率系數(shù)先增大后減小，并且隨直徑的減小，最大功率系數(shù)向低葉尖速比區(qū)域移動，高功率系數(shù)區(qū)域變窄［5］。

4 額定風(fēng)速下轉(zhuǎn)速隨時間的變化

在額定風(fēng)速下，即V=8 m/s時，角速度隨時間的變化如圖5所示。由于垂直軸風(fēng)力機氣動轉(zhuǎn)矩較大，因此在啟動時給定轉(zhuǎn)速［7］。由圖5可以看出，一定時間后達到額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定。由此證實了本算例的H型垂直軸風(fēng)力機各個參數(shù)是可行的，且實際風(fēng)力機是可運行的。

圖5 角速度隨時間變化的曲線Fig.5 Change curve of angular velocity with time

5 結(jié)束語

利用單盤面多流管H型垂直軸風(fēng)力機理論模型，分析了葉尖速比、葉片弦長、葉輪直徑對H型垂直軸風(fēng)力機功率系數(shù)的影響。結(jié)果表明，隨著風(fēng)機參數(shù)密實度(σ=BC/D)的增加，風(fēng)力機最大功率系數(shù)點向低葉尖速比區(qū)域移動，高效區(qū)域變窄。

通過對各參數(shù)變化的分析得知，選取適當?shù)娜~尖速比和密實度，能夠提高H型垂直軸風(fēng)力機的最高效率，增大高效率區(qū)的范圍。本文的設(shè)計仿真為項目承擔(dān)的風(fēng)光能源復(fù)合發(fā)電裝置的垂直軸風(fēng)力機的設(shè)計提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

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［7］ Xiao Jun.The study of high performance airfoil and wind turbine design［D］.Xi’an:Northwestern Polytechnical University，School of Aeronautics，2007.

Analysis and Research on Design Parameters of H-type Vertical Axis Wind Turbine

The multi-stream-tube theoretical model is used to optimize the parameters of H-type vertical axis wind turbine in wind-solar composed power generation project.Based on the multi-stream-tube theory，a model is established，and calculated and simulated by using Matlab software.The changes of the attack angle of the vane of the rotating H-type vertical axis wind turbine under different tip speed ratio is analyzed.The influence of tip speed ratio and density on wind energy utilization coefficient is analyzed emphatically.Through comparing the influence of the changes of various parameters on the power coefficient，the optimal parameters of wind turbine at ultimate power output are obtained.

Blade tip speed ratio Vertical axis wind turbine Multi-stream-tube model Modeling and simulation Matlab

TK83

A

天津市重點基礎(chǔ)研究基金資助項目(編號:09JCZDJC24500)。

修改稿收到日期:2011-10-10。

馬元威(1955-)，男，1982年畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級工程師;主要從事風(fēng)能及太陽能領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用及開發(fā)方面的研究。