徐　璋,霍玉雷,陳　勇,楊洪偉,談宏飛

(浙江工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程研究所，浙江 杭州 310014)

新型組合式垂直軸風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計與性能研究

徐璋,霍玉雷,陳勇,楊洪偉,談宏飛

(浙江工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程研究所，浙江 杭州 310014)

摘要：對于垂直軸風(fēng)機，升力型風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率高,但是其在低風(fēng)速下不能自啟動；阻力型可以在低風(fēng)速下自啟動，但其轉(zhuǎn)速低，而且其風(fēng)能利用率低.為了充分發(fā)揮二者性能，我們設(shè)計制作了一種新型組合式垂直軸風(fēng)力機，通過采用超越離合器作為連接件將Darrieus風(fēng)力機和Savonius風(fēng)力機組合而成，并對其進(jìn)行了三維數(shù)值模擬和吹風(fēng)實驗.通過對比有無加裝S型風(fēng)機時風(fēng)機啟動風(fēng)速和輸出功率的模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該新型組合式垂直軸風(fēng)機啟動風(fēng)速明顯降低，風(fēng)能利用率僅略有下降，很好地實現(xiàn)了互補.

關(guān)鍵詞：CFD;垂直軸風(fēng)力機;升力型;阻力型;超越離合器;吹風(fēng)實驗

Optimum design and study on the properties of a new combined

type vertical axis wind turbine

XU Zhang, HUO Yulei, CHEN Yong, YANG Hongwei, TAN Hongfei

(Institute of Energy and Power Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:For vertical axis wind turbines(VAWT)，the lift type has a high conversion efficiency but it cannot start itself at low wind speed；the resistance type can start itself at low wind speed， but it also has a low fan speed and a low wind power utilization coefficient． In order to fully take advantage of their merits， a new-type VAWT, which joined a Savonius wind turbine and a Darrieus wind turbine by an overrunning clutch, was proposed. 3-d numerical simulation and experimental wind tunnel tests were carried out．By comparing the power output and start-up wind speed between the units with and without S-type wind turbine，it shows that the start-up wind speed of this new type VAWT decreases significantly, while the wind power utilization coefficient only reduces slightly, which combines the advantages of two types of wind turbines.

Keywords:CFD; VAWT; lift type; resistance type; overrunning clutch; wind tunnel tests

隨著能源與環(huán)境之間的矛盾日益加劇，作為可再生能源的風(fēng)能，已受到世界各國的歡迎和重視[1].但風(fēng)力發(fā)電在實際應(yīng)用推廣中遇到了入網(wǎng)難、棄風(fēng)率高、性能不穩(wěn)定等諸多問題[2]，正因如此，分布式能源作為一種解決方案應(yīng)運而生，各種新型的風(fēng)力發(fā)電機，尤其是垂直軸風(fēng)機層出不窮.

分別作為垂直軸風(fēng)力機升力型和阻力型最典型代表形式的薩窩紐斯型(Savonius type)和達(dá)里厄型(Darrieus type)風(fēng)力發(fā)電機組，有著各自的優(yōu)缺點.為使Darrieus風(fēng)力機能在低風(fēng)速下啟動，采用加裝Savonius風(fēng)力機的方法[3].當(dāng)把S型風(fēng)力機串加在D型風(fēng)力機上后,D型風(fēng)力機由S型風(fēng)力機低速轉(zhuǎn)動下產(chǎn)生的較大力矩帶動從而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，啟動后，風(fēng)能利用率高的D型風(fēng)機起主要風(fēng)能轉(zhuǎn)化作用，保證其整體性能.根據(jù)以上原理，本研究設(shè)計出Darrieus-Savonius組合式垂直軸風(fēng)力機模型，以實現(xiàn)S型葉片和D型葉片的優(yōu)勢互補.同時，針對此類組合式垂直軸風(fēng)力機傳統(tǒng)設(shè)計中存在的高速運行時S型與D型相互影響的問題，進(jìn)行了新型組合式垂直軸風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計，并對其氣動性能和風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行數(shù)值模擬與吹風(fēng)實驗，目的是研究及驗證其可行性.

1新型組合式垂直軸風(fēng)力機的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計

查閱了相關(guān)的一些文獻(xiàn)[4-8]后，通過進(jìn)行優(yōu)化和尺寸計算，確定了此組合式垂直軸風(fēng)力機中的的具體設(shè)計參數(shù)，分別如表1，2所示.

表1　S型風(fēng)機具體設(shè)計參數(shù)

表2　D型風(fēng)機具體設(shè)計參數(shù)

S型風(fēng)輪制作的主要材料為白鐵皮，為了最大化采集利用各個方向上的風(fēng)能，設(shè)計制作兩個相同規(guī)格的半圓形S型風(fēng)輪以上下90°方位差疊加布置.D型風(fēng)輪的葉片選擇玻璃鋼材質(zhì)，形式為結(jié)構(gòu)簡單，風(fēng)阻較小的NACA0015對稱翼型，葉片和支撐桿通過螺母螺栓與磁懸浮發(fā)電機頂蓋相連.S型風(fēng)機整體安裝于D型風(fēng)機之上，防止S型與D型風(fēng)力機之間迎風(fēng)面積相互影響.在此設(shè)計條件下，S型風(fēng)機在低風(fēng)速下便可以啟動，繼而帶動D型風(fēng)力機工作.

另外，組合式風(fēng)力機平穩(wěn)運行之后，在氣動性能方面，低速旋轉(zhuǎn)的S型會對高速旋轉(zhuǎn)的D型產(chǎn)生較大的消極影響.本設(shè)計擬采用帶軸承的CKZ型號的超越離合器，主動軸與S型風(fēng)力機聯(lián)接，從動軸與D型風(fēng)力機聯(lián)接.最終使得上下兩部分風(fēng)機在D型風(fēng)力機被S型風(fēng)力機順利帶動后及時斷開，既保證了D型風(fēng)力機的啟動，又不使得D型的氣動性能受S型的影響.安裝好的風(fēng)力機具體形式如圖1所示.

圖1　組合式垂直軸風(fēng)力機Fig.1　Combined type vertical axis wind turbine

2新型組合式垂直軸風(fēng)力機的數(shù)值模擬

針對前述設(shè)計制作的風(fēng)力機模型，在有無S型風(fēng)機的情況下，分別建立模型，確定計算區(qū)域，在給定工況下，利用ANSYS Fluent軟件對模型進(jìn)行三維非定常數(shù)值模擬，得到風(fēng)機的模擬輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率,以及風(fēng)能利用系數(shù)等氣動參數(shù)，從而對比得出結(jié)論.

2.1網(wǎng)格劃分與邊界條件的確定

風(fēng)輪轉(zhuǎn)動過程的非定常數(shù)值模擬均采用滑移網(wǎng)格模型，有S型風(fēng)機的總體網(wǎng)格數(shù)240萬，無S型風(fēng)機的三維網(wǎng)格數(shù)為110萬.出于忽略體積力和外部熱源的考慮，在模擬過程中均以非定常不可壓縮Navier-Stokes方程作為控制方程.然后依次設(shè)定如下參數(shù)：

均勻來流風(fēng)速為V0=8 m/s，D型、S型風(fēng)輪規(guī)格參考表1，2；設(shè)置速度入口邊界和壓力出口邊界；有S型風(fēng)機時選取壁面在兩部分風(fēng)機葉片以及封蓋上，無S型風(fēng)機時在D型風(fēng)機葉片上，且均設(shè)置無滑移壁面邊界條件；在外流場與兩類型風(fēng)力機各自的旋轉(zhuǎn)區(qū)域的交界面處，均設(shè)置Interface邊界條件；由于整機的三維數(shù)值模擬應(yīng)用滑移網(wǎng)格技術(shù)，因此將葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域及其附近區(qū)域分別設(shè)定為不同的流體區(qū)域：D型葉片區(qū)域和S型葉片區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度分別為180 r/min和120 r/min；湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型；計算方法采用SIMPLE算法，離散方法均采用二階迎風(fēng)格式[9].

2.2三維CFD非定常數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1風(fēng)力機的轉(zhuǎn)矩模擬

根據(jù)模擬結(jié)果，分析其氣動性能[10]可得：無S型風(fēng)機的情況下，平均轉(zhuǎn)矩系數(shù)大約為0.2；在180 r/min的轉(zhuǎn)速下，葉片受到周期性轉(zhuǎn)矩矩范圍內(nèi)葉片的平均轉(zhuǎn)矩為6.2 Nm.而有S型風(fēng)機的情況下，平均轉(zhuǎn)矩系數(shù)在0.3左右.同理可以得到，在D型180 r/min和S型120 r/min的條件下，葉片的平均轉(zhuǎn)矩為9.5 Nm.對比可以發(fā)現(xiàn)，加裝S型以后風(fēng)力機輸出的轉(zhuǎn)矩系數(shù)均高于相同條件下的無S型，說明加裝S型的風(fēng)機在低風(fēng)速下比沒有加裝S型的更加容易啟動.

2.2.2風(fēng)力機的風(fēng)能利用率模擬

通過風(fēng)力機葉輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能，并不能全部被葉輪吸收利用，其利用量與總風(fēng)能量的比值，即風(fēng)能利用率，代表了風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的能力，是在忽略轉(zhuǎn)換裝置效率的情況下，評價風(fēng)力機整個葉輪系統(tǒng)其氣動性能最為直觀的指標(biāo)，且一臺風(fēng)力機的風(fēng)能利用率隨尖速比變化，存在一個最佳尖速比.在不同的尖速比下，對有無S型風(fēng)機的情分別進(jìn)行三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，計算過程中對葉片所受到的轉(zhuǎn)矩系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，依據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)的計算關(guān)系，對模擬結(jié)果進(jìn)行處理，可以得到有無S型風(fēng)機的情況下整機風(fēng)能利用系數(shù)變化關(guān)系曲線的對比結(jié)果，如圖2所示.

圖2　有無S型風(fēng)機情況下整機風(fēng)能利用系數(shù)變化曲線Fig.2　Curve of wind power utilization coefficient of the wind turbine with and without S-type

由圖2可見：有無S型情況下的風(fēng)能利用系數(shù)隨尖速比的變化趨勢基本一致，且均在尖速比3左右時風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大.加裝S型后整機的風(fēng)能利用系數(shù)均高于相應(yīng)尖速比下的無S型的情況，加裝S型的最高風(fēng)能利用率為0.27，平均風(fēng)能利用率為0.25；無S型的最佳風(fēng)能利用系數(shù)為0.29，平均風(fēng)能利用系數(shù)為0.25.從模擬的結(jié)果中可以看出：有S型的情況下風(fēng)能利用系數(shù)低于無S型的情況.其差異的主要原因是組合式垂直軸風(fēng)力機中加裝的兩個S型風(fēng)力機，其屬于阻力型的風(fēng)機，風(fēng)能利用系數(shù)較D型風(fēng)力機有一定程度的差距；且由于超越離合器本身主動軸和從動軸之間的相對轉(zhuǎn)動存在較低程度的摩擦，風(fēng)力機的性能會受到一定影響，導(dǎo)致加裝S型后風(fēng)能利用系數(shù)有所降低.同樣是由于超越離合器的存在，在D型工作后使S型和D型斷開，各自旋轉(zhuǎn)，D型起主要的風(fēng)能轉(zhuǎn)化作用，從而使得風(fēng)能利用系數(shù)只是略有降低，并未造成實質(zhì)性的影響.同時，根據(jù)上節(jié)的結(jié)果來看，該組合式風(fēng)機能在低風(fēng)速下獲得更好的啟動性能，所以總體來說利大于弊，符合實驗?zāi)康?

3吹風(fēng)實驗及其結(jié)果分析

在實際應(yīng)用中，由于風(fēng)力機的組裝、制造過程中的誤差以及工作時的各部件摩擦損耗，會使得風(fēng)力機的實際氣動性能較模擬結(jié)果有一定程度的下降.為了對該組合式風(fēng)力機的實際氣動性能進(jìn)行研究驗證，制造1∶1模型并進(jìn)行了吹風(fēng)實驗：在不同風(fēng)速下，利用控制器遠(yuǎn)程管理軟件實時測量和記錄特定風(fēng)速下風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速和輸出的電壓、電流、功率.為了能夠更加直觀地對比有無S型情況下風(fēng)機的性能，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，得到了有無S型情況下各參數(shù)之間的變化關(guān)系曲線圖.圖3為兩種情況下風(fēng)速與轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線，圖4為兩種情況下轉(zhuǎn)速與輸出功率的變化關(guān)系曲線.

圖3　有無S型風(fēng)機情況下風(fēng)速與轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線圖Fig.3　Curve of wind speed and the fan speed of the wind turbine with and without S-type

圖4　有無S型風(fēng)機情況下轉(zhuǎn)數(shù)與輸出功率變化關(guān)系曲線圖Fig.4　Curve of fan speed and Output power of the wind turbine with and without S-type

對比圖3的兩條曲線并結(jié)合測量結(jié)果可以看出：有S型的情況下風(fēng)力機的啟動風(fēng)速為0.782 m/s，遠(yuǎn)低于無S的情況下風(fēng)力機的啟動速度1.768 m/s.在風(fēng)速達(dá)到2.5 m/s前，有S型的情況下轉(zhuǎn)速增加較為緩慢，這是因為S型轉(zhuǎn)速大于D型轉(zhuǎn)速，兩者尚未脫離，S型風(fēng)機轉(zhuǎn)速的上升速度較D型慢，會對整機的造成一定的阻礙.但是在風(fēng)速達(dá)到2.5 m/s后，D型轉(zhuǎn)速開始大于S型，由于超越離合器的存在，S型脫離，變化關(guān)系曲線趨于一致.

對比圖4的兩條曲線可以看出：兩種情況下風(fēng)機的輸出功率隨轉(zhuǎn)速具有相似的變化，只是在S型風(fēng)力機經(jīng)超越離合器脫離前，有S型的情況在數(shù)值上略微低于無S型的情況，這種差距在脫離后基本消失.

根據(jù)以上的測量結(jié)果，可進(jìn)一步得到轉(zhuǎn)數(shù)與風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系，如圖5所示.

圖5　有無S型風(fēng)機情況下轉(zhuǎn)數(shù)與風(fēng)能利用率變化關(guān)系曲線圖Fig.5　Curve of fan speed and wind power utilization coefficient of the wind turbine with and without S-type

由圖5可見：在200 r/min的轉(zhuǎn)速以內(nèi)，加裝S型風(fēng)機前后，風(fēng)機的風(fēng)能利用系數(shù)伴隨著轉(zhuǎn)速具有相似的變化規(guī)律，臨界轉(zhuǎn)速都在160 r/min附近，超過160 r/min后，風(fēng)能利用系數(shù)逐漸降低.在數(shù)值上無S型的風(fēng)機整體偏低，有S型的情況下最高風(fēng)能利用率在0.25左右，高于無S型情況下的0.27，且都略低于模擬得到的最高風(fēng)能利用系數(shù).由于模擬時的三維模型經(jīng)過簡化，忽略了中心轉(zhuǎn)軸及支撐桿的風(fēng)阻，因此其結(jié)果與預(yù)期是一致的.

4結(jié)論

對設(shè)計的新型組合式垂直軸風(fēng)力機進(jìn)行的CFD數(shù)值模擬實驗表明了加裝Savonius風(fēng)力機后，組合式風(fēng)力機整體的啟動風(fēng)速相對于單獨的Darrieus風(fēng)力機確有很大減小，雖然與此同時，風(fēng)機的輸出功率，風(fēng)能利用率略有降低，但總體來看，利大于弊.吹風(fēng)實驗由于考慮了各處的實際風(fēng)阻，同樣轉(zhuǎn)數(shù)下測得的風(fēng)能利用率比模擬的要小，啟動風(fēng)速要比模擬的大，但其趨勢和模擬結(jié)果相同，很好地驗證了模擬得出的結(jié)論.這一切都得益于創(chuàng)新性地提出使用超越離合器作為連接件，把影響降到了最低.但大多數(shù)部件經(jīng)由手工制作，還達(dá)不到實際應(yīng)用的水平，在性能上還有提升的空間，相信會得到更加廣闊的應(yīng)用和發(fā)展.

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(責(zé)任編輯：劉巖)

中圖分類號：TK83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)03-0261-04

作者簡介：徐璋(1973—)，男，江蘇海門人，副教授，研究方向為煤燃燒污染物排放控制及新能源開發(fā)，E-mail:xzzyn@zjut.edu.cn.

收稿日期：2015-01-12