張宏林 杜周洋 程帥 杜玉科 冀永剛 劉智勇

摘 要：該文分析了H型垂直軸風(fēng)機(jī)工作時(shí)內(nèi)部流場的狀況，總結(jié)了葉片處于不同方位角時(shí)的攻角變化、漩渦生成和尾流作用對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)造成干擾后的實(shí)際工況。比較了風(fēng)機(jī)風(fēng)輪的高徑比、掃風(fēng)面積、展弦比、安裝角、葉片數(shù)目和弦長等不同參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，提出增加葉片厚度和彎度來減少失速影響的方案，為風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)機(jī) 失速 安裝角

中圖分類號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（a）-00-02

垂直軸風(fēng)機(jī)是指轉(zhuǎn)動(dòng)軸與風(fēng)速方向垂直的風(fēng)機(jī)，其不需要對(duì)風(fēng)，適應(yīng)風(fēng)速范圍廣，低風(fēng)速時(shí)可啟動(dòng)，風(fēng)速高時(shí)葉片轉(zhuǎn)速不會(huì)過高而燒毀電機(jī)，發(fā)電時(shí)間長，具有較好的發(fā)展前景[1]。其中升力型風(fēng)機(jī)工作時(shí)葉片上的實(shí)際風(fēng)速為風(fēng)速和旋轉(zhuǎn)速度的均方值，遠(yuǎn)超水平軸風(fēng)機(jī)的受力狀況，有深入研究的必要。

1 H型風(fēng)機(jī)的總體工作狀況

H型垂直軸風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場復(fù)雜，人們提出了雙盤面多流管模型和隨動(dòng)模型等多種理論分析方案[2]，與實(shí)驗(yàn)結(jié)論有一定的近似，但依然沒有完整地摸清其工作機(jī)理。目前更多地依賴CFD方法顯示內(nèi)部流場的運(yùn)行狀況，而CFD方法依據(jù)流場劃分和湍流模型選取的不同，所得結(jié)論也會(huì)有相當(dāng)大的差異。

H型風(fēng)機(jī)工作在湍流中，風(fēng)速的雷諾數(shù)大致在 這個(gè)數(shù)量級(jí)區(qū)間。風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)是多個(gè)葉片受空氣動(dòng)力作用的結(jié)果，風(fēng)機(jī)流場中布滿葉片隨機(jī)脫落的失速渦。大小不同的渦疊加、移動(dòng)并逐漸裂解為小尺寸的渦，在粘性力的作用下渦強(qiáng)度逐漸減小并消散，造成了風(fēng)機(jī)俯仰和轉(zhuǎn)矩的振蕩，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出功率降低，葉片所受載荷波動(dòng)程度加劇。

在葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，葉片方位角不斷變化，葉片的攻角也時(shí)刻變化。位于下游的葉片受前一個(gè)葉片的尾跡影響，造成葉片之間的流動(dòng)干擾，同時(shí)葉片之間的連桿和轉(zhuǎn)軸也會(huì)對(duì)流場造成干擾，因此風(fēng)輪力學(xué)模型非常復(fù)雜，氣流狀態(tài)也不穩(wěn)定。

2 葉片不同方位角時(shí)的工作情況

上風(fēng)區(qū)葉片對(duì)來流有阻擋作用，葉片受力明顯大于下風(fēng)區(qū)；同時(shí)下風(fēng)區(qū)平均氣流流速小，葉片驅(qū)動(dòng)力小于上風(fēng)區(qū)，且波動(dòng)嚴(yán)重。

風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，葉片攻角變化范圍大大超出了翼型的失速角，會(huì)出現(xiàn)了嚴(yán)重的氣流分離現(xiàn)象，并且產(chǎn)生大的漩渦。整個(gè)風(fēng)輪運(yùn)行過程中伴隨著漩渦在葉片表面的產(chǎn)生、發(fā)展、脫落然后重新粘附，升阻力也會(huì)滯后。而風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，則葉片間尾流影響加劇。

從方位角為0°～100°時(shí)，葉片相對(duì)速度指向旋轉(zhuǎn)圓外側(cè)，攻角為正值，并逐漸增大，葉片表面漩渦強(qiáng)度逐漸增加，功率系數(shù)也逐漸增至最大值。方位角為100°～130°時(shí)，攻角增大至失速，功率系數(shù)逐漸降低。方位角180°后，葉片運(yùn)動(dòng)方向與風(fēng)向相同，相對(duì)速度減少并指向旋轉(zhuǎn)圓內(nèi)側(cè)，同時(shí)葉片尾流產(chǎn)生漩渦逐漸脫落。由于處于下風(fēng)側(cè)，受尾流影響，氣動(dòng)力下降，此時(shí)攻角為負(fù)值，并且持續(xù)增大，但如果葉片為對(duì)稱形狀，依然可獲取升力，只是數(shù)值減少。從方位角240°～270°，葉片攻角逐漸增大至失速。從方位角270°～360°，葉片重新進(jìn)入逆風(fēng)區(qū)，相對(duì)速度增大，攻角減小，但依然處于下風(fēng)側(cè)，氣動(dòng)力不大。

3 不同參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響

3.1 風(fēng)輪的高徑比

風(fēng)輪掃風(fēng)面積S為風(fēng)輪直徑與風(fēng)輪高度H的乘積，即S=DH。高徑比H/D增大（大于1），風(fēng)輪的啟動(dòng)風(fēng)速減小，且在風(fēng)速2～10m/s時(shí)，風(fēng)輪輸出功率大[3]。但在高風(fēng)速段，高徑比小的風(fēng)輪輸出功率大，因?yàn)槠湓诟唢L(fēng)速段轉(zhuǎn)速不用提太高，阻力損失更小。

風(fēng)輪直徑增加，風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)提高，有效工作范圍增加，風(fēng)輪內(nèi)部漩渦脫落造成的影響和葉片之間的相互影響減弱。大高徑比（H/R>1）H型垂直軸風(fēng)力機(jī)回轉(zhuǎn)半徑小，起動(dòng)性能好，但風(fēng)輪工作時(shí)尖速比低，所以小型型垂直軸風(fēng)力機(jī)的高徑比一般在1左右。

3.2 掃風(fēng)面積

掃風(fēng)面積S為：S=2RH式中，R為風(fēng)輪半徑，H為葉片長度。風(fēng)輪半徑越大，葉片越長，風(fēng)輪所能獲取的風(fēng)能越多，風(fēng)力機(jī)輸出功率越大。但葉片越長，質(zhì)量越大，葉片的離心力和彎矩也越大，制造風(fēng)機(jī)變得困難。

3.3 展弦比

實(shí)度增大，即風(fēng)機(jī)葉片數(shù)目或弦長增加時(shí)：

（1）轉(zhuǎn)矩升高，風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)性能變好。

（2）尖速比較低時(shí)出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩和風(fēng)能利用率。

（3）葉片數(shù)量增加引起風(fēng)輪實(shí)度的增加，風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)力矩衰減增快，風(fēng)能利用系數(shù)的范圍減小，即風(fēng)能利用率曲線變窄，最大風(fēng)能利用率對(duì)應(yīng)的尖速比變小。

（4）風(fēng)機(jī)葉片數(shù)目增加則單個(gè)葉片輸出轉(zhuǎn)矩變低。

（5）風(fēng)輪的下風(fēng)側(cè)低風(fēng)速區(qū)域變大，風(fēng)速變低，同時(shí)攻角變小。

（6）尖速比越大，葉片對(duì)下風(fēng)側(cè)影響越大，導(dǎo)致效率變低。即高尖速比下，弦長較短或?qū)嵍容^小的工況更具優(yōu)勢(shì)。

4 減少失速影響的對(duì)策

動(dòng)態(tài)失速是翼型的攻角快速變化時(shí)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，表現(xiàn)為翼型的前緣區(qū)域集中大量的渦脫落現(xiàn)象。當(dāng)尖速比較低時(shí)，葉片表面流體動(dòng)能相對(duì)較小，無法克服葉片氣流分離和動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象，尖速比繼續(xù)增大后，尾流對(duì)風(fēng)輪流場的干擾卻變得嚴(yán)重。

增加翼型厚度和彎度可以使翼型吸力面曲率變大，有利于提高邊界層的動(dòng)能，使氣流延遲分離，減緩動(dòng)態(tài)失速渦脫落。風(fēng)速增大使流向葉片的氣流速度相應(yīng)增大，葉片邊界層獲得動(dòng)能的提高，但同時(shí)也會(huì)削弱其在尖速比較高時(shí)的氣動(dòng)特性。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊益飛，潘偉，朱熀秋.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)綜述及研究進(jìn)展[J].中國機(jī)械工程，2013（5）：703-709.

[2] 高宏智，孫德宏.用多流管模型計(jì)算立軸風(fēng)車氣動(dòng)性能的方法[J].太陽能學(xué)報(bào)，1989，1（10）：37-42.

[3] 楊從新，巫發(fā)明，王立鵬.設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)的影響[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35（5）：47-50.