陳 超,譚永志,溫學兵，申振華,王建明

(1.沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術重點實驗室，沈陽 110136； 2.沈陽師范大學 學報編輯部，沈陽 110136)

翼型前部修型的垂直軸風力機安裝角敏感性研究

陳 超1,譚永志1,溫學兵2，申振華1,王建明1

(1.沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術重點實驗室，沈陽 110136； 2.沈陽師范大學 學報編輯部，沈陽 110136)

在NACA0022翼型的垂直軸風力原型機的基礎上，把翼型最大厚度前部修型為3∶2長短軸比的橢圓形；早先文獻發(fā)現(xiàn)此種修型方式能在0度安裝角時有效提升風力機的氣動性能。進一步研究修型后的風力機對不同安裝角的敏感性及其與對應原型機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，運用滑移網格技術，研究不同安裝角下原型與修型后的風力機風能利用系數。計算結果表明，作3∶2翼型修型的風力機的氣動性能較原型風力機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用價值。

垂直軸風力機；氣動性能；翼型修型；安裝角

風力發(fā)電是一種清潔能源的利用方式,風力機性能對風能利用起到了至關重要的作用。葉片是風力機的核心部件，提高風力機的風能利用系數，有利于增加發(fā)電量。對于一些小型離網型發(fā)電系統(tǒng)中,目前使用最為廣泛的仍是垂直軸風力機。相比于水平軸風力機，垂直軸風力機不僅具有低轉速、大扭矩的特性，而且垂直軸風力機葉片連接結構多為箱梁式結構，具有穩(wěn)定性好的特點，同時由于垂直軸風力機尖速比低于同功率的水平軸風力機，風輪重量又遠大于同功率的水平軸風力機風輪，垂直風輪的轉動慣量也遠大于同功率的水平軸風力機，所以垂直軸風力機不經具有運行噪音小、安全性好等應用性優(yōu)點，還有風速變化時轉速突變小，電壓和功率波動平緩，對電網影響小的優(yōu)點，此外垂直軸風力機在風向改變的時候無需對風，這就使它不僅使結構設計簡化，而且也減少了風輪對風時的陀螺力[1]。以上機構及應用上的諸多優(yōu)點使近年來垂直軸風力機又逐漸地成為風電研究的熱點領域[2]。為了深入挖掘垂直軸風力機的潛力，近些年國內外許多學者進行了大量研究。Menet提出了L-σ準則，指出垂直軸風力機比水平軸風力機能產生更高的年發(fā)電量[3]。姚興佳分析了風力機葉片的做功原理，指出當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生了渦流[4]。金雪紅等研究了三葉片及五葉片風力機在不同風速下風輪流場分布及壓力場分布[5]。戴庚等綜述了近期垂直軸風力機的研究進展[6]。選用非對稱翼型的垂直軸風力機應把葉片的壓力面向旋轉圓周外側進行安裝[7]。在小型垂直軸直葉片風力機具有很好的風能利用系數時，往往在葉片下風向產生了較大的漩渦[8]。由于垂直軸風力機工作時，其葉片的氣流攻角隨著相位角的變化也在一定范圍內不停的改變[9]；這種復雜的氣動條件就要求垂直軸風力機葉片能夠適應攻角大范圍變化的要求。目前垂直軸風力機中應用較廣泛的葉片翼型是美國NACA的4位數系列對稱翼型[1，10]，文獻[11]在文獻[10]中應用的NACA0022翼型的基礎上，對翼型前部進行修型；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[11]的基礎上，研究不同安裝角下，修型后的風力機氣動性能，即風力機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

本文忽略葉輪的三維流動效應，并進行二維簡化；對于葉輪及周圍旋轉區(qū)域，使用滑移網格法(Sliding Meshs)對其進行建模，文獻[12][13]中的計算結果已經證實了滑移網格法對處理帶有二維旋轉計算域的合理性。利用Gambit軟件進行幾何建模和網格劃分，風力機葉片數N=3，葉片安裝角為0°，翼型弦長C=100 mm，風輪半徑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[15]的建模方法，旋轉區(qū)域的內部與外部均采用三角形網格，靠近葉輪處進行加密處理，總的網格數大約為40萬個(圖1)。利用Fluent軟件進行數值模擬，選取標準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[11]中的數值模擬結果與文獻[10]的對比情況可以說明本文的計算結果是可靠的。

圖2是文獻[11]中在NACA0022翼型(稱為原型)的基礎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(即葉輪實度相同)的情況下，修型后的葉片厚度增加了，葉片的強度也得到了增加。

圖1 計算域與網格

圖2 翼型修型示意圖

垂直軸風力機的葉輪在空氣流過葉片產生的升力與阻力的共同作用下旋轉[1]。設風輪的輸出功率為P，單位時間內風力機所獲得的能量與來流風能之比為風能利用系數Cp(用來評定風力機氣動性能的優(yōu)劣)，葉片的葉尖圓周速度與風速之比為葉尖速比λ(用來表示風力機風輪旋轉速度的快慢)，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為風輪旋轉角速度，rad/s；n為風輪轉速，r/min；ρ為空氣密度，kg/m3；A為風輪的掃掠面積，m2；V為來流風速，m/s；R為風輪半徑，m。

2 結果分析

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

2.1 0°安裝角

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

圖3 0°安裝角計算結果

2.2 2°安裝角

安裝角變?yōu)?°時(如圖4)，相對于0°安裝角，原型風力機的Cp發(fā)生了明顯的改善；而修型風力機的Cp雖然也有一定的改善，但變化的并不明顯。原型風力機最大風能利用系數為0.260，對應的λ=2.41。修型的風力機最大風能利用系數為0.274，對應的λ=2.06；較原型高5.4%。在工作區(qū)間的范圍方面，原型風力機在尖速比為1.7～2.7的范圍內風力機的Cp高于20%；修型風力機在尖速比為1～2.7的范圍內風力機的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)，原型風力機的Cp進一步改善，而修型風力機的Cp雖然也有一定的改善，但變化的并不明顯。原型風力機最大風能利用系數Cpmax為0.299，對應的λ=2.41。修型風力機最大風能利用系數Cpmax為0.293，對應的λ=2.06，兩者的最大風能利用系數無明顯差異。而在工作區(qū)間的范圍方面，原型風力機在尖速比為1.4～2.7的范圍內風力機的Cp高于20%；修型風力機在尖速比為1～2.7的范圍內風力機Cp都高于20%，較原型寬了1.3倍。

圖4 2°安裝角計算結果

圖5 4°安裝角計算結果

2.4 6°安裝角

6°安裝角時(如圖6)，無論是原型還是修型風力機的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°安裝角時達到了最佳運行狀態(tài)。即4°、6°安裝角成為了風力機的最佳安裝角。

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，對應的最大Cp及其對應的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，修型風力機的功率曲線較原型風力機的功率曲線都有向小尖速比方向移動的趨勢，即相同Cp下風力機的轉速降低。修型風力機的高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，原型風力機的Cp-λ曲線差異較大(由表1，0°與4°的原型風力機Cpmax相差55.3%)，而修型風力機的Cp-λ曲線差異較小(由表1，0°與4°的修型風力機Cpmax相差18.1%)，即修型風力機對葉片的安裝角更不敏感。在實際的葉片安裝工程中，葉片是不可能實現(xiàn)非常精確的安裝的，不精確的安裝就會引起風力機氣動性能的降低，而應用3∶2修型的風力機，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用價值。

圖6 6°安裝角計算結果

圖7 所有安裝角的計算結果

文獻[11]中指出采用3∶2修型的風力機葉片旋轉到風力機上風區(qū)時，雖然葉片仍然是處于大攻角的流動狀態(tài)(流動分離嚴重)；但是相對于原型風力機來說，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一步揭示了風力機采用3∶2的修型方式，風力機葉片在大攻角時的抗失速能力仍然得以維持。

表1 風力機風能利用系數最大值及其對應的尖速比

2.6 進一步機理分析

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，原型葉片的分離點距離葉片前緣約0.15弦長處，3∶2修型葉片分離點距離葉片前緣點約0.25弦長處，修型葉片的分離點有了顯著的延緩，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，原型葉片的分離點距離葉片前緣約0.20倍弦長處，3∶2修型葉片分離點距離葉片前緣點約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小；4°安裝角時，原型葉片的分離點距離葉片前緣約0.30倍弦長處，3∶2修型葉片分離點距離葉片前緣點約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，原型葉片的分離點距離葉片前緣約0.32弦長處，3∶2修型葉片分離點距離葉片前緣點約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 結論

通過數值模擬，在對比了原型與3∶2修型的風力機在不同安裝角下氣動性能后，得到如下結論：

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

(2)0°至6°安裝角范圍內，3∶2修型的風力機的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)相對于原型機的氣動性能，3∶2修型的風力機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，這也導致了風力機氣動性能的優(yōu)越性，4°、6°安裝角時，兩種風機的抗分離能力相當，風力機做功的能力也基本相同。

(5)3∶2修型的風力機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)動機氣動熱力學及其應用，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：風工程與工業(yè)空氣動力學、實驗流體力學，E-mail:jmwang75@163.com。

2095-1248(2014)06-0012-07

TK83

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.06.003