加裝后緣小翼的垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出特性研究

郭少真，陳永艷，田 瑞，韓成榮，郭 欣，陳 濤，佟 鑫

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3.天津平云電力科技有限公司，天津 300380）

0 引言

風(fēng)能作為一種可再生能源，受到了世界上越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)的關(guān)注。 開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能有助于解決我國(guó)資源缺乏與環(huán)境污染的雙重問(wèn)題。 根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì) （GWEC） 發(fā)布的數(shù)據(jù)可知，2017 年全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)52.492 GW，累計(jì)裝機(jī)總量為539.123 GW，其中我國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)19.66 GW，占世界新增風(fēng)電裝機(jī)量的37%，累計(jì)裝機(jī)量為188.392 GW，占世界裝機(jī)總量的35%，均居世界首位。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備，分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種。 垂直軸風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)比水平軸風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于典型的大分離非定常流動(dòng)，利用葉素理論不能完全對(duì)其分析，所以垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究滯后于水平軸風(fēng)力機(jī)。但近年來(lái)H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)也取得廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于改變垂直軸風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)從而提升做功能力的研究眾多。N A Ahmed[1]利用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對(duì)H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)端部加裝多種小翼進(jìn)行了啟動(dòng)性能分析，發(fā)現(xiàn)加裝端部小翼對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性提升超過(guò)了10%。Nathan K Rajaguru[2]利用CFD 數(shù)值模擬方法對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)加裝圓盤等小翼進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)能夠有效提高對(duì)稱翼型垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能。 文獻(xiàn)[3]，[4]利用數(shù)值模擬方法對(duì)葉片后部加裝輔助翼型進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)可以明顯改善主葉片周圍流場(chǎng)。 鄧飛[5]利用數(shù)值模擬方法對(duì)加裝葉尖小翼的垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)性能的研究，得出在不同展弦比下翼尖渦流對(duì)升力大小的影響。 基于前期對(duì)于H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)的理論研究，本文針對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉尖渦設(shè)計(jì)了后緣小翼 （由于葉尖渦主要存在于葉片端部位置的5%附近，為全面影響葉尖渦，設(shè)計(jì)小翼高度為整葉片的6%～7%），通過(guò)加裝小翼影響葉尖渦，改善后緣流場(chǎng)以及內(nèi)部流場(chǎng)的方式，提高風(fēng)力機(jī)的輸出特性。以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬兩種方法對(duì)H 型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)加裝后緣小翼的輸出特性進(jìn)行了分析。

1 風(fēng)力機(jī)葉片與后緣小翼參數(shù)

1.1 風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)

本次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)葉片采用NACA0012 翼型葉片[6]，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)Table 1 Blade parameters of wind turbine

1.2 小翼參數(shù)

后緣小翼采用兩種，一種為根據(jù)葉片后緣形狀設(shè)計(jì)的流線型小翼，另一種為風(fēng)力機(jī)小翼研究領(lǐng)域使用較多的平板扇型小翼，本文選用流線型小翼（圖1），小翼參數(shù)設(shè)置示意圖如圖2 所示。

圖1 小翼實(shí)物模型Fig.1 A mockup of small wing

圖2 小翼設(shè)置參數(shù)圖Fig.2 Small wing parameter Settings

本文定義小翼長(zhǎng)度與葉片翼型弦長(zhǎng)的比值為徑長(zhǎng)比，其中：流線型小翼徑長(zhǎng)比為L(zhǎng)1/Lm，參數(shù)見(jiàn)表2；扇型小翼徑長(zhǎng)比為（L1+R1）/Lm，參數(shù)見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)采用0.2，0.4，0.6 三種徑長(zhǎng)比的小翼進(jìn)行研究。 將徑長(zhǎng)比為0.2 的流線型小翼簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)0.2，將徑長(zhǎng)比為0.4 的扇型小翼簡(jiǎn)稱為S0.4，以此類推。

表2 流線型小翼參數(shù)Table 2 Streamlined small wing parameter table

表3 扇型小翼參數(shù)Table 3 Fan-shaped small wing parameters table

2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 計(jì)算模型

本實(shí)驗(yàn)采用三維計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行模擬計(jì)算。通過(guò)SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模（圖3），同時(shí)考慮連接桿和轉(zhuǎn)軸對(duì)后緣流場(chǎng)造成的影響。

圖3 模型建立Fig.3 Model establishment

2.2 計(jì)算域

為讓流場(chǎng)不受空間邊界影響，采用15D×8D×8D 的長(zhǎng)方體計(jì)算區(qū)域（圖4），圖中 H2=15D，V1=8D，L3=8D。

圖4 計(jì)算域Fig.4 Computational domain

2.3 網(wǎng)格劃分

常用的網(wǎng)格劃分方式包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。兩種網(wǎng)格劃分方式各有優(yōu)勢(shì)，但是本文風(fēng)力機(jī)模型的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，為更好地模擬真實(shí)流場(chǎng)的變化，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，同時(shí)可以避免不必要的網(wǎng)格過(guò)密而浪費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。 網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh generation

2.4 模擬條件設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)采用的是N-S 方程的雷諾平均數(shù)值模擬（RANS）方法中的 SST k-ω 模型，結(jié)合滑移網(wǎng)格技術(shù)，利用二階迎風(fēng)格式離散，求解器采用的是SIMPLE 算法迭代求解。 計(jì)算域邊界設(shè)置為速度入口，湍流強(qiáng)度為5%，由于出口處的速度與壓力不能確定，所以將出口設(shè)置為自由流出口。而對(duì)于壁面的設(shè)置中，實(shí)際風(fēng)力機(jī)在運(yùn)動(dòng)中處于自由流場(chǎng)空間，不考慮地面粗糙度的影響，故將靜止域的壁面設(shè)置為無(wú)反射邊界條件的固定壁面。 滑移面采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，將旋轉(zhuǎn)域與靜止域的交界面設(shè)置為滑移面。

2.5 計(jì)算結(jié)果與分析

2.5.1 扭矩系數(shù)

風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，每個(gè)葉片所處的位置不同，導(dǎo)致各葉片扭矩系數(shù)的變化趨勢(shì)也不同。為了讓計(jì)算機(jī)所記錄的扭矩系數(shù)更合理，通常待風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，在一個(gè)角度下，對(duì)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)一定周期內(nèi)的扭矩系數(shù)平均值進(jìn)行采樣。

圖6 為風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)后，20 個(gè)周期內(nèi)單葉片扭矩系數(shù)變化的平均曲線圖。

圖6 扭矩系數(shù)變化的平均曲線Fig.6 Average variation curve of torque coefficient

由圖6 可知，加裝后緣小翼的H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片最大扭矩系數(shù)要高于未加裝小翼的葉片，其中徑長(zhǎng)比為0.6 的小翼扭矩系數(shù)最高，但是在下風(fēng)向區(qū)域時(shí)，徑長(zhǎng)比為0.6 的小翼扭矩系數(shù)要略低于無(wú)小翼的葉片扭矩系數(shù)。綜合考慮，加裝徑長(zhǎng)比為0.4 的小翼的葉片在上風(fēng)向區(qū)域時(shí)，扭矩系數(shù)要明顯高于無(wú)小翼葉片，而在下風(fēng)向區(qū)域時(shí)，扭矩系數(shù)與無(wú)小翼葉片基本持平，甚至略高。

2.5.2 模擬功率分析

在 Fluent 軟件中，扭矩系數(shù)[7]為

式中：M 為風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的總扭矩；ρ 為空氣密度；A為風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)平面的投影面積；V1為來(lái)流速度；R為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑。

風(fēng)力機(jī)輸出功率（Pt）為

式中：n 為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖7 為運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，在不同轉(zhuǎn)速下，加裝不同徑長(zhǎng)比的流線型小翼及不加裝小翼的風(fēng)力機(jī)與加裝不同徑長(zhǎng)比的扇型小翼及不加裝小翼的風(fēng)力機(jī)功率變化曲線圖。

圖7 功率變化曲線Fig.7 Power graph

由圖7（a），（b）對(duì)比可知：隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速升高，風(fēng)力機(jī)輸出功率不斷增大，在相同小翼情況下，徑長(zhǎng)比的影響使加裝小翼葉片的功率變化明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)速為305 r/min 時(shí)，徑長(zhǎng)比為0.6 的兩種小翼功率均為最高，并且S0.6>S0.4>S0.2。L0.6>L0.4>L0.2。其中S0.6比L0.6功率提升大，與無(wú)小翼葉片相比，功率最高可提升7%左右； 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)305 r/min后，徑長(zhǎng)比為0.4 的小翼葉片輸出功率最高，并且S0.4>S0.6>S0.2，L0.4>L0.6>L0.2。其中 L0.4比 S0.4功率提升大，與無(wú)小翼葉片相比，最高功率提升可達(dá)4%左右。

2.5.3 切向力分析

葉片的輸出特性不應(yīng)只局限于扭矩和功率，葉片切向力（tanα）也是判斷葉片做功能力大小的判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。

由于本文計(jì)算的葉片安裝角β=0°，故將葉片攻角表達(dá)式化簡(jiǎn)為

式中：α 為葉片攻角；λ 為尖速比；θ 為葉片方位角；Ct為切向力系數(shù)；Ft為切向力；C 為葉片弦長(zhǎng)；H 為葉片展長(zhǎng)；W 為合速度。

圖8 為風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定后，在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，加裝不同徑長(zhǎng)比的流線型小翼及不加裝小翼的單葉片與加裝不同徑長(zhǎng)比的扇型小翼及不加裝小翼的單葉片切向力變化曲線圖。

圖8 單葉片切向力隨方位角變化曲線Fig.8 The change curve of single blade tangential force with azimuth

由圖8 可知：在單葉片運(yùn)動(dòng)到方位角約為50°時(shí)，切向力第一次達(dá)到峰值，隨后攻角繼續(xù)增大，產(chǎn)生失速[8]，切向力逐漸降低；隨著攻角繼續(xù)增大，當(dāng)葉片的方位角為110°時(shí)，切向力出現(xiàn)第二次峰值；在達(dá)到峰值時(shí)，加裝小翼葉片較無(wú)小翼葉片相比，峰值略有提高，其中加裝0.6 扇型小翼的葉片切向力提升幅度最大。

3 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中吹氣式B1/K2 低速風(fēng)洞開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行。 風(fēng)洞全長(zhǎng)24.59 m，采用數(shù)字變頻技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)洞風(fēng)速，并通過(guò)智能型熱式風(fēng)速儀標(biāo)定風(fēng)速。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括Fluke 公司生產(chǎn)的Fluke Norma5000 高精度功率分析儀、美爾諾M9812 型可編程LED 直流電子負(fù)載箱。小翼采用亞克力材質(zhì)，使用塑料膜包裹固定于葉片后緣。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

兩種后緣小翼通過(guò)改變徑長(zhǎng)比與無(wú)小翼的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行對(duì)比。圖9 為采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的方法，在不同轉(zhuǎn)速下，加裝不同徑長(zhǎng)比的流線型小翼及不加裝小翼的風(fēng)力機(jī)與加裝不同徑長(zhǎng)比的扇型小翼及不加裝小翼的風(fēng)力機(jī)功率變化曲線圖。

圖9 功率變化曲線Fig.9 Power curve

由圖9（a）可知：當(dāng)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速小于 300 r/min 時(shí)，L0.6小翼與其他流線型小翼和無(wú)小翼相比，輸出功率最高，其中在300 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，L0.6小翼較無(wú)小翼功率相比，提升最高，提升了約為6.05%； 當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò) 300 r/min 時(shí)，L0.4小翼功率逐漸提升，其中在400 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，L0.4小翼較無(wú)小翼葉片相比功率提升最大，約為5.95%。 整體來(lái)看，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)300 r/min 之后，L0.4小翼較無(wú)小翼葉片相比，功率提升大約為5.5%±0.5%。 由圖9（b）可知：當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速小于 300 r/min 時(shí)，S0.6小翼功率最高，其中在250 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，S0.6小翼功率較其他扇型小翼與無(wú)小翼相比提升最大，較無(wú)小翼相比功率提升6.1%左右；當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)300 r/min 之后，S0.4小翼功率逐漸提升為最高，功率較無(wú)小翼葉片相比提升變化不大，功率提升大約在5.2%±0.5%左右。 數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

本文采用模擬計(jì)算與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對(duì)添加兩種不同類型后緣小翼的風(fēng)力機(jī)輸出功率與未添加后緣小翼風(fēng)力機(jī)的輸出特性進(jìn)行了對(duì)比，得到以下結(jié)論。

①當(dāng)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速約為450 r/min 時(shí)，其輸出功率達(dá)到最大值，隨后由于失速效應(yīng)的原因，轉(zhuǎn)速提升，功率逐漸降低。

②后緣小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)功率有較大影響： 風(fēng)力機(jī)在轉(zhuǎn)速為305 r/min 內(nèi)時(shí)，徑長(zhǎng)比為0.6 的扇型小翼最優(yōu)，徑長(zhǎng)比為0.6 的流線型小翼次之；而轉(zhuǎn)速超過(guò)305 r/min 后，徑長(zhǎng)比為0.4 的流線型小翼最優(yōu)，徑長(zhǎng)比為0.4 的扇型小翼其次。

③在上風(fēng)向區(qū)域時(shí)，加裝小翼的葉片扭矩系數(shù)明顯高于未加裝小翼的葉片的扭矩系數(shù)，其中加裝徑長(zhǎng)比0.6 小翼的葉片扭矩系數(shù)最優(yōu)； 在下風(fēng)向區(qū)域時(shí)，加裝小翼的葉片與未加裝小翼的葉片扭矩系數(shù)基本持平。

④當(dāng)葉片的方位角為50°和110°時(shí)切向力達(dá)到峰值，加裝小翼較無(wú)小翼葉片相比，切向力峰值略有提高，但同時(shí)無(wú)小翼葉片短時(shí)間內(nèi)切向力變化幅度較小，在風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更為穩(wěn)定。