H型風(fēng)輪流動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)研究

王建明，陳超，朱建勇，申振華，阮海彬

（1. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部（院），遼寧 沈陽(yáng) 110136；2. 江蘇六和新能源設(shè)備科技

有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213300）

在環(huán)境與能源日益嚴(yán)峻的當(dāng)今社會(huì)，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，逐漸受到各國(guó)政府的高度重視[1-2]。風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為其他形式能的機(jī)械裝置，其中風(fēng)輪葉片是風(fēng)力機(jī)的核心部件，葉片氣動(dòng)性能的優(yōu)劣直接影響風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)效率的高低。按照來(lái)流方向與風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸方向的關(guān)系，風(fēng)力機(jī)分為水平軸與垂直軸風(fēng)力機(jī)；按照風(fēng)輪扭矩產(chǎn)生的機(jī)理不同，風(fēng)力機(jī)又分為升力型與阻力型風(fēng)力機(jī)[3-4]。H型風(fēng)力機(jī)作為一種升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，既具有較高的氣動(dòng)效率，也具有垂直軸風(fēng)力機(jī)共有的不受來(lái)流方向影響，安裝維護(hù)方便，氣動(dòng)噪聲低，結(jié)構(gòu)外形簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5]，此外該型風(fēng)力機(jī)適合安裝在高湍流度、低風(fēng)速的城市環(huán)境，近年來(lái)受到學(xué)術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域的高度重視[6]。

盡管H型風(fēng)力機(jī)具有不同于水平軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)勢(shì)，但是仍然存在著自啟動(dòng)困難、動(dòng)時(shí)速以及工作雷諾數(shù)低帶來(lái)的復(fù)雜氣動(dòng)問題等。目前，大量的研究通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算手段分析實(shí)度、展弦比等氣動(dòng)外形參數(shù)對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能的影響，給出了較優(yōu)的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)參數(shù)[7-11]；翼型氣動(dòng)性能的優(yōu)劣直接決定了風(fēng)輪風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率，分析厚度、彎度、粗糙度以及雷諾數(shù)等參數(shù)對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響以及通過優(yōu)化算法對(duì)翼型氣動(dòng)外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)也是H型風(fēng)輪設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面[12]，研究表明：較高雷諾數(shù)工作條件，采用非對(duì)稱厚翼型均有利于H型風(fēng)輪的自啟動(dòng)[13]；還有一些學(xué)者利用流管法或渦模型對(duì)H型風(fēng)輪功率特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且針對(duì)不同的來(lái)流條件，對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行改進(jìn)[14]；為了詳細(xì)研究風(fēng)輪扭矩產(chǎn)生機(jī)理以及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，利用PIV研究風(fēng)輪葉片脫落渦的產(chǎn)生、大尺度渦形成、耗散過程以及風(fēng)輪下游尾跡的速度場(chǎng)等[15-16]。以上研究的目的均是為了提高H型風(fēng)輪的氣動(dòng)效率，在風(fēng)輪氣動(dòng)外形與翼型優(yōu)化已達(dá)到較高水平的基礎(chǔ)上，借助流動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)一步提高風(fēng)輪的氣動(dòng)效率是有必要并且是可行的。

流動(dòng)控制技術(shù)是空氣動(dòng)力學(xué)研究的重要方向。被動(dòng)流動(dòng)控制是一種無(wú)需輔助能量消耗的控制方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，以渦流發(fā)生器、Gurney襟翼和葉尖小翼為代表的被動(dòng)控制技術(shù)在水平軸風(fēng)力機(jī)上已得到應(yīng)用并取得了較好的效果[17-18]；趙萬(wàn)里等對(duì)在葉片尾緣安裝Gurney襟翼的H型風(fēng)輪進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明襟翼有利于提高風(fēng)輪的啟動(dòng)性能和氣動(dòng)效率[19]。目前，有關(guān)H型風(fēng)輪流動(dòng)控制方面的公開發(fā)表的研究較少以及被動(dòng)流動(dòng)控制的方法有限。本論文提出一種新的被動(dòng)流動(dòng)控制方法，建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑦M(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該流動(dòng)控制方法對(duì)于提高風(fēng)輪氣動(dòng)效率的可行性。

1 試驗(yàn)過程

本論文提出的被動(dòng)流動(dòng)控制方法是：通過風(fēng)輪頂部的引氣彎管將風(fēng)輪上游來(lái)流引入風(fēng)輪的空心主軸，然后因離心力作用在支撐臂內(nèi)加速后進(jìn)入葉片空腔，最后在葉片尾緣窄槽產(chǎn)生射流。流動(dòng)控制原理見圖1。

圖1 流動(dòng)控制方法示意圖Fig. 1 The sketch of the flow control method

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停喝鐖D2所示，風(fēng)輪葉片數(shù)N=3，翼型為NACA0022，葉片安裝角為0，翼型弦長(zhǎng)C=0.1 m，葉輪旋轉(zhuǎn)半徑R=0.3 m，葉片高度L=0.6 m，翼型尾緣處開1 mm寬的窄槽，射流方向沿弦長(zhǎng)方向。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 2 The experimental model

本實(shí)驗(yàn)在沈陽(yáng)航空航天大學(xué)低速風(fēng)洞中進(jìn)行，試驗(yàn)段尺寸：寬×高×長(zhǎng)=1.2 m×1.0 m×3 m，方形截面，風(fēng)速范圍：4 m/s～50 m/s，湍流度≤0.14%。

將風(fēng)力機(jī)模型置于風(fēng)洞試驗(yàn)段。風(fēng)力機(jī)主軸上端通過內(nèi)圈軸承與引氣彎管連接，使主軸與引氣彎管相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；另外引氣彎管上端固定于風(fēng)洞上壁，使得進(jìn)氣方向始終平行于來(lái)流方向以保證引氣過程充分平穩(wěn)；主軸下端分別連接扭矩轉(zhuǎn)速儀、電動(dòng)機(jī)和磁粉制動(dòng)器。測(cè)試裝置如圖3所示。

圖3 測(cè)試裝置Fig. 3 The testing device

H型風(fēng)輪的啟動(dòng)加速階段時(shí)間較長(zhǎng)，在尖速比λ<1時(shí)，風(fēng)輪通過升力阻力交替的模式進(jìn)行推動(dòng)，在尖速比λ>1以后，風(fēng)輪完全由升力進(jìn)行推動(dòng)。為保證實(shí)驗(yàn)風(fēng)輪可以較快達(dá)到待測(cè)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，首先由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)并達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，然后將風(fēng)洞風(fēng)速調(diào)整到預(yù)定工況風(fēng)速，通過觀察轉(zhuǎn)速扭矩儀顯示儀表發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不斷增大，扭矩?cái)?shù)值不斷減小，當(dāng)扭矩的正負(fù)號(hào)發(fā)生改變時(shí)，表明風(fēng)輪開始作為動(dòng)力對(duì)外做功，電機(jī)變?yōu)樨?fù)載，此時(shí)斷開電機(jī)與旋轉(zhuǎn)主軸之間的皮帶連接，最后通過磁粉制動(dòng)器控制阻尼大小從而調(diào)節(jié)風(fēng)輪在不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，并且在不同轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，采集一段時(shí)間歷程的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、扭矩。實(shí)驗(yàn)工況風(fēng)速分別為8 m/s、9 m/s和10 m/s。

通常利用風(fēng)能利用系數(shù)（功率系數(shù)）Cp和扭矩系數(shù)Cm隨著尖速比λ的變化曲線評(píng)價(jià)風(fēng)輪氣動(dòng)效率與啟動(dòng)性能。風(fēng)能利用系數(shù)（功率系數(shù)）Cp為單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪所獲得的能量與來(lái)流風(fēng)能之比；扭矩系數(shù)Cm為風(fēng)能利用系數(shù)與尖速比之比，與扭矩成正比；尖速比λ為葉片的葉尖圓周速度與來(lái)流風(fēng)速之比，用來(lái)表征風(fēng)輪風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度的快慢。它們的定義如下：

式中，M為扭矩，Nm；w為旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，rpm；ρ為空氣密度，kg/m3；A為風(fēng)輪掃掠面積，m2，流動(dòng)控制時(shí)考慮引氣彎管管口的面積；V為來(lái)流風(fēng)速，m/s；R為風(fēng)輪半徑，m；L為葉片長(zhǎng)度，m。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）分別為在來(lái)流風(fēng)速V=8 m/s，V=9 m/s和V=10 m/s時(shí)的原型與流動(dòng)控制條件下的扭矩系數(shù)Cm與尖速比λ的關(guān)系圖。

對(duì)于原型風(fēng)輪由圖可以看出，在不同的來(lái)流風(fēng)速下，扭矩系數(shù)Cm均隨著尖速比λ的增大先增大，在尖速比λ大于1以后，扭矩系數(shù)Cm取得最大值，然后再減小，主要原因是在小尖速比下，葉片在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的攻角波動(dòng)較大，且在大范圍相位角位置處于大攻角的失速狀態(tài)，葉片升力系數(shù)小，阻力系數(shù)大，升阻比較小，從而導(dǎo)致扭矩系數(shù)Cm較小，隨著尖速比λ的增大，葉片在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的攻角波動(dòng)減小，處于失速狀態(tài)下的相位角范圍減小，處于較高升阻比的相位角范圍增大，扭矩系數(shù)Cm增大，直至增加到扭矩系數(shù)Cm的最大值，當(dāng)尖速比λ繼續(xù)增大，葉片在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的攻角波動(dòng)繼續(xù)減小，最大攻角減小，處于較小攻角的相位角范圍增大，葉片升力減小，阻力減小，但是升阻比減小，導(dǎo)致扭矩系數(shù)Cm減?。挥蓤D同樣可以看出，隨著來(lái)流風(fēng)速的增加，相同尖速比λ對(duì)應(yīng)的扭矩系數(shù)Cm增大，且最大扭矩系數(shù)Cmmax對(duì)應(yīng)的尖速比λ增大，主要原因是來(lái)流風(fēng)速增大，相應(yīng)的雷諾數(shù)增大，而葉片所選用的NACA0022翼型隨著雷諾數(shù)的增大，相同攻角對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)增大，阻力系數(shù)減小，升阻比增大，且升阻比最大值對(duì)應(yīng)的攻角增大。

圖4 扭矩系數(shù)Cm與尖速比λ關(guān)系Fig. 4 The torque coefficient Cm versus tip speed ratio λ

對(duì)于流動(dòng)控制下的風(fēng)輪由圖可以看出，在不同的來(lái)流風(fēng)速下，扭矩系數(shù)Cm均隨著尖速比λ的增大先增大，后減??；相對(duì)與原型風(fēng)輪，流動(dòng)控制下的風(fēng)輪的扭矩系數(shù)Cm在不同來(lái)流風(fēng)速均得到提高，尤其是在尖速比λ>1.2時(shí)，流動(dòng)控制效果明顯，表明本文采用的流動(dòng)控制方法是有效果的，能夠有效提高風(fēng)輪的啟動(dòng)性能。此外，隨著來(lái)流風(fēng)速的增加，流動(dòng)控制效果減弱，體現(xiàn)在流動(dòng)控制下的扭矩系數(shù)Cm相對(duì)于原型扭矩系數(shù)Cm增加量在減小，尤其是在尖速比λ<1.2時(shí)，流動(dòng)控制效果減弱明顯，在V=10 m/s時(shí)，原型與流動(dòng)控制下風(fēng)輪的扭矩系數(shù)Cm幾乎重合，在尖速比λ>1.2時(shí)，盡管流動(dòng)控制效果減弱，但是不同風(fēng)速下流動(dòng)控制下的扭矩系數(shù)Cm相對(duì)與原型的扭矩系數(shù)Cm仍有較高的增量。

圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）分別為在來(lái)流風(fēng)速V=8 m/s，V=9 m/s和V=10 m/s時(shí)的原型與流動(dòng)控制條件下的風(fēng)能利用系數(shù)Cp與尖速比λ的關(guān)系圖。

圖5 功率系數(shù)Cp與尖速比λ關(guān)系Fig. 5 The power coefficient Cp versus tip speed ratio λ

由于風(fēng)能利用系數(shù)Cp由公式（3）得到，圖5所示的風(fēng)能利用系數(shù)Cp與尖速比λ的變化規(guī)律與圖4所示的扭矩系數(shù)Cm與尖速比λ的變化規(guī)律相似。在不同的來(lái)流風(fēng)速下，原型風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)Cp隨著尖速比λ的增大先增大，在尖速比λ大于1以后，風(fēng)能利用系數(shù)Cp取得最大值，然后再減??；隨著來(lái)流風(fēng)速的增加，相同尖速比λ對(duì)應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp增大，且最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax對(duì)應(yīng)的尖速比λ增大。由圖5可以看出，最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax不超過0.1，這主要是因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)所用的H型風(fēng)輪沒有進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及主軸與軸承之間存在摩擦，本次實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注的是H型風(fēng)輪的氣動(dòng)性能規(guī)律以及驗(yàn)證尾緣噴氣流動(dòng)控制的效果，并不著重關(guān)注具體的氣動(dòng)性能系數(shù)。

流動(dòng)控制下的風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)Cp在不同來(lái)流風(fēng)速下，隨著尖速比λ的增大先增大，后減小，相對(duì)于原型風(fēng)輪，流動(dòng)控制下風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)Cp均得到不同程度的提高，較高風(fēng)能利用系數(shù)Cp對(duì)應(yīng)的尖速比λ范圍得到明顯拓寬，在尖速比λ>1.2時(shí)，流動(dòng)控制效果尤為明顯；隨著來(lái)流風(fēng)速的增大，流動(dòng)控制效果減弱，體現(xiàn)在流動(dòng)控制下風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對(duì)原型風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)Cp的增加量不斷減小，在尖速比λ<1.2時(shí)，流動(dòng)控制的減弱效果尤為明顯，在尖速比λ>1.2時(shí)，流動(dòng)控制下的扭矩系數(shù)Cp相對(duì)與原型的扭矩系數(shù)Cp仍有較高的增量。

3 結(jié)論

通過對(duì)H型風(fēng)輪流動(dòng)控制的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，得到了H型風(fēng)輪原型以及在尾緣噴氣流動(dòng)控制條件下的風(fēng)輪的基本氣動(dòng)性能變化規(guī)律，驗(yàn)證了尾緣噴氣被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)提高風(fēng)輪氣動(dòng)性能的可靠性。該流動(dòng)控制技術(shù)提高風(fēng)輪氣動(dòng)性能的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

[1] 申寬育. 中國(guó)的風(fēng)能資源與風(fēng)力發(fā)電[J]. 西北水電，2010（1）：76-81.SHEN Kuanyu. Wind energy resources and wind power generation in China[J]. Northwest Hydropower，2010（1）:76-81（in Chinese）.

[2] 陳達(dá)，張瑋. 風(fēng)能利用和研究綜述[J]. 節(jié)能技術(shù)，2007，25（144）：339-343.CHEN Da，ZHANG Wei. Exploitation and research on wind energy[J]. Energy Conservation Technology，2007，27（144）: 339-343（in Chinese）.

[3] MACPHEE D，BEYENE A. Recent advances in rotor design of vertical axis wind turbines[J]. Wind Engineering，2012，36（6）: 647-666.

[4] 朱建勇，趙萬(wàn)里，劉沛清. S型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（7）：58-61.ZHU Jianyong，ZHAO Wanli，LIU Peiqing. Aerodynamic design of savonius wind rotors[J]. Power System and Clean Energy，2011，27（7）: 58-61（in Chinese）.

[5] PARASCHIVOIU I. Wind turbine design: with emphasis on darrieus concept[M]. Press inter Polytechnique，2002.

[6] BALDUZZI F，BIANCHINI A，CARNEVALE E A，et al.Feasibility analysis of a darrieus vertical-axis wind turbine installation in the rooftop of a building[J]. Applied Energy，2012（97）: 921-929.

[7] SVORCAN J，STUPAR S，KOMAROV D，et al. Aerodynamic design and analysis of a small-scale vertical axis wind turbine[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27（8）: 2367-2373.

[8] ISLAM M，F(xiàn)ARTAI A，CARRIVEAU R. Analysis of the design parameters related to a fixed-pitch straight-bladed vertical axis wind turbine[J]. Wind Engineering，2008，32（5）: 491-507.

[9] ASLAM B，MUHAMMAD M，HAVAT N，et al. Vertical axis wind turbine-A review of various configuration and design techniques[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（4）: 1926-1939.

[10] AHMADI B M，CARRIVEAU R，TING D. Design criteria on sizing and material selection of SB-VAWTS[C]. ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition，2013.

[11] MOHAMED M H. Aero-acoustics noise evaluation of hrotor darrieus wind turbines[J]. Energy，2014（65）: 596-604.

[12] MIAO J M，HSIEH W C，LAI C C，et al. The experimental study of NACA 4 digital airfoils applied to straightbladed VAWTs[J].Journal of Aeronautics，Astronautics and Aviation，2012，16（4）: 1926-1939.

[13] BOQATEANU R，DUMITRACHE A，DUMITRESCU H，et al. Reynolds number effects on the aerodynamic performance of small VAWTs[J]. UPB Scientific Bulletin，Series D: Mechanical Engineering，2014，76（1）: 25-36.

[14] BIANCHINI A，F(xiàn)ERRARA G，F(xiàn)ERRARI L，et al. An improved model for the performance estimation of an Hdarrieus wind turbine in skewed flow[J]. Wind Engineering，2012，36（6）: 667-686.

[15] BARSKY D，POSA A，RAHROMOSTAQIM M，et al.Experimental and computational wake characterization of a vertical axis wind turbine[C]. 32nd AIAA Applied Aerodynamic Conference，2014.

[16] KENJI H，IZUMI U，KAZUICHI S. Straight wing vertical axis wind turbine: a flow analysis[J]. Wind Engineering，2005，29（3）: 243-252.

[17] KENTFIELD J A C，CLAVELLE E J. The flow physics of the gurney flaps devices for improving turbine blade performance[J]. Wind Engineering，1993，17（1）: 23-34.

[18] MORQULIS N，SEIFERT A. Flow control applied for improved performance of a darrieus type wind turbine[C].54th Israel Annual Conference on Aerospace Science，2014（3）: 1369-1387.

[19] 趙萬(wàn)里，朱建勇，李秋彥. 提高風(fēng)力機(jī)性能的流動(dòng)控制技術(shù)研究[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，20（Sl）：226-234.ZHAO Wanli，ZHU Jianyong，LI Qiuyan. Flow control to enhance the performance of vertical axial wind turbine[J].Journal of Basic Science and Engineering，2012，20（Sl）:226-234（in Chinese）.