王建明，陳超，朱建勇，申振華，阮海彬

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

有限公司，江蘇 溧陽 213300）

在環(huán)境與能源日益嚴(yán)峻的當(dāng)今社會，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，逐漸受到各國政府的高度重視[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，葉片氣動性能的優(yōu)劣直接影響風(fēng)力機(jī)氣動效率的高低。按照來流方向與風(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)，既具有較高的氣動效率，也具有垂直軸風(fēng)力機(jī)共有的不受來流方向影響，安裝維護(hù)方便，氣動噪聲低，結(jié)構(gòu)外形簡單等優(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，但是仍然存在著自啟動困難、動時速以及工作雷諾數(shù)低帶來的復(fù)雜氣動問題等。目前，大量的研究通過實驗和數(shù)值計算手段分析實度、展弦比等氣動外形參數(shù)對風(fēng)輪氣動性能的影響，給出了較優(yōu)的氣動外形設(shè)計參數(shù)[7-11]；翼型氣動性能的優(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)對翼型氣動性能的影響以及通過優(yōu)化算法對翼型氣動外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計也是H型風(fēng)輪設(shè)計的一個重要方面[12]，研究表明：較高雷諾數(shù)工作條件，采用非對稱厚翼型均有利于H型風(fēng)輪的自啟動[13]；還有一些學(xué)者利用流管法或渦模型對H型風(fēng)輪功率特性進(jìn)行預(yù)測，并且針對不同的來流條件，對預(yù)測模型進(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等[15-16]。以上研究的目的均是為了提高H型風(fēng)輪的氣動效率，在風(fēng)輪氣動外形與翼型優(yōu)化已達(dá)到較高水平的基礎(chǔ)上，借助流動控制技術(shù)進(jìn)一步提高風(fēng)輪的氣動效率是有必要并且是可行的。

流動控制技術(shù)是空氣動力學(xué)研究的重要方向。被動流動控制是一種無需輔助能量消耗的控制方式，結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)，以渦流發(fā)生器、Gurney襟翼和葉尖小翼為代表的被動控制技術(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]；趙萬里等對在葉片尾緣安裝Gurney襟翼的H型風(fēng)輪進(jìn)行風(fēng)洞實驗測試，表明襟翼有利于提高風(fēng)輪的啟動性能和氣動效率[19]。目前，有關(guān)H型風(fēng)輪流動控制方面的公開發(fā)表的研究較少以及被動流動控制的方法有限。本論文提出一種新的被動流動控制方法，建立試驗?zāi)Ｐ筒⑦M(jìn)行了風(fēng)洞實驗，驗證了該流動控制方法對于提高風(fēng)輪氣動效率的可行性。

1 試驗過程

本論文提出的被動流動控制方法是：通過風(fēng)輪頂部的引氣彎管將風(fēng)輪上游來流引入風(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。流動控制原理見圖1。

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

實驗?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，射流方向沿弦長方向。

圖2 實驗?zāi)Ｐ虵ig. 2 The experimental model

本實驗在沈陽航空航天大學(xué)低速風(fēng)洞中進(jìn)行，試驗段尺寸：寬×高×長=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轉(zhuǎn)動；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、電動機(jī)和磁粉制動器。測試裝置如圖3所示。

圖3 測試裝置Fig. 3 The testing device

H型風(fēng)輪的啟動加速階段時間較長，在尖速比λ<1時，風(fēng)輪通過升力阻力交替的模式進(jìn)行推動，在尖速比λ>1以后，風(fēng)輪完全由升力進(jìn)行推動。為保證實驗風(fēng)輪可以較快達(dá)到待測旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，首先由電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)力機(jī)啟動并達(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，扭矩數(shù)值不斷減小，當(dāng)扭矩的正負(fù)號發(fā)生改變時，表明風(fēng)輪開始作為動力對外做功，電機(jī)變?yōu)樨?fù)載，此時斷開電機(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)速相對穩(wěn)定時，采集一段時間歷程的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、扭矩。實驗工況風(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的變化曲線評價風(fēng)輪氣動效率與啟動性能。風(fēng)能利用系數(shù)（功率系數(shù)）Cp為單位時間內(nèi)風(fēng)輪所獲得的能量與來流風(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流風(fēng)速之比，用來表征風(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，流動控制時考慮引氣彎管管口的面積；V為來流風(fēng)速，m/s；R為風(fēng)輪半徑，m；L為葉片長度，m。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

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

對于原型風(fēng)輪由圖可以看出，在不同的來流風(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，葉片在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的攻角波動較大，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，葉片在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的攻角波動減小，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，葉片在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的攻角波動繼續(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??；由圖同樣可以看出，隨著來流風(fēng)速的增加，相同尖速比λ對應(yīng)的扭矩系數(shù)Cm增大，且最大扭矩系數(shù)Cmmax對應(yīng)的尖速比λ增大，主要原因是來流風(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

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

圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）分別為在來流風(fēng)速V=8 m/s，V=9 m/s和V=10 m/s時的原型與流動控制條件下的風(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?。浑S著來流風(fēng)速的增加，相同尖速比λ對應(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，這主要是因為本次實驗所用的H型風(fēng)輪沒有進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，以及主軸與軸承之間存在摩擦，本次實驗主要關(guān)注的是H型風(fēng)輪的氣動性能規(guī)律以及驗證尾緣噴氣流動控制的效果，并不著重關(guān)注具體的氣動性能系數(shù)。

流動控制下的風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)Cp在不同來流風(fēng)速下，隨著尖速比λ的增大先增大，后減小，相對于原型風(fēng)輪，流動控制下風(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對應(yīng)的尖速比λ范圍得到明顯拓寬，在尖速比λ>1.2時，流動控制效果尤為明顯；隨著來流風(fēng)速的增大，流動控制效果減弱，體現(xiàn)在流動控制下風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對原型風(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，流動控制的減弱效果尤為明顯，在尖速比λ>1.2時，流動控制下的扭矩系數(shù)Cp相對與原型的扭矩系數(shù)Cp仍有較高的增量。

3 結(jié)論

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

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