翼型前部修型的垂直轴风力机安装角敏感性研究

陈 超,谭永志,温学兵，申振华,王建明

(1.沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136； 2.沈阳师范大学 学报编辑部，沈阳 110136)

翼型前部修型的垂直轴风力机安装角敏感性研究

陈 超1,谭永志1,温学兵2，申振华1,王建明1

(1.沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136； 2.沈阳师范大学 学报编辑部，沈阳 110136)

在NACA0022翼型的垂直轴风力原型机的基础上，把翼型最大厚度前部修型为3∶2长短轴比的椭圆形；早先文献发现此种修型方式能在0度安装角时有效提升风力机的气动性能。进一步研究修型后的风力机对不同安装角的敏感性及其与对应原型机的气动性能对比情况。利用Fluent软件，采用k-ωSST湍流模型和SIMPLE算法，运用滑移网格技术，研究不同安装角下原型与修型后的风力机风能利用系数。计算结果表明，作3∶2翼型修型的风力机的气动性能较原型风力机对叶片的安装角更不敏感，高性能工作范围更宽，此种修型方式具有明显的工程应用价值。

垂直轴风力机；气动性能；翼型修型；安装角

风力发电是一种清洁能源的利用方式,风力机性能对风能利用起到了至关重要的作用。叶片是风力机的核心部件，提高风力机的风能利用系数，有利于增加发电量。对于一些小型离网型发电系统中,目前使用最为广泛的仍是垂直轴风力机。相比于水平轴风力机，垂直轴风力机不仅具有低转速、大扭矩的特性，而且垂直轴风力机叶片连接结构多为箱梁式结构，具有稳定性好的特点，同时由于垂直轴风力机尖速比低于同功率的水平轴风力机，风轮重量又远大于同功率的水平轴风力机风轮，垂直风轮的转动惯量也远大于同功率的水平轴风力机，所以垂直轴风力机不经具有运行噪音小、安全性好等应用性优点，还有风速变化时转速突变小，电压和功率波动平缓，对电网影响小的优点，此外垂直轴风力机在风向改变的时候无需对风，这就使它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力[1]。以上机构及应用上的诸多优点使近年来垂直轴风力机又逐渐地成为风电研究的热点领域[2]。为了深入挖掘垂直轴风力机的潜力，近些年国内外许多学者进行了大量研究。Menet提出了L-σ准则，指出垂直轴风力机比水平轴风力机能产生更高的年发电量[3]。姚兴佳分析了风力机叶片的做功原理，指出当叶片攻角过大时升力突然下降(失速)，其原因是叶片扰流的流动分离产生了涡流[4]。金雪红等研究了三叶片及五叶片风力机在不同风速下风轮流场分布及压力场分布[5]。戴庚等综述了近期垂直轴风力机的研究进展[6]。选用非对称翼型的垂直轴风力机应把叶片的压力面向旋转圆周外侧进行安装[7]。在小型垂直轴直叶片风力机具有很好的风能利用系数时，往往在叶片下风向产生了较大的漩涡[8]。由于垂直轴风力机工作时，其叶片的气流攻角随着相位角的变化也在一定范围内不停的改变[9]；这种复杂的气动条件就要求垂直轴风力机叶片能够适应攻角大范围变化的要求。目前垂直轴风力机中应用较广泛的叶片翼型是美国NACA的4位数系列对称翼型[1，10]，文献[11]在文献[10]中应用的NACA0022翼型的基础上，对翼型前部进行修型；发现0度安装角的情况下，翼型最大厚度前部修为长短轴比为3∶2时的气动性能最好。本文在文献[11]的基础上，研究不同安装角下，修型后的风力机气动性能，即风力机气动性能对叶片安装角的敏感性问题。

1 计算模型及气动参数

本文忽略叶轮的三维流动效应，并进行二维简化；对于叶轮及周围旋转区域，使用滑移网格法(Sliding Meshs)对其进行建模，文献[12][13]中的计算结果已经证实了滑移网格法对处理带有二维旋转计算域的合理性。利用Gambit软件进行几何建模和网格划分，风力机叶片数N=3，叶片安装角为0°，翼型弦长C=100 mm，风轮半径R=300 mm，计算域长4 800 mm，宽2 400 mm，入口速度为4.3 m/s，出口采用压力出口。参照文献[15]的建模方法，旋转区域的内部与外部均采用三角形网格，靠近叶轮处进行加密处理，总的网格数大约为40万个(图1)。利用Fluent软件进行数值模拟，选取标准k-ωSST湍流模型，采用压力基隐式求解器，速度取绝对速度，压力和速度耦合采用SIMPLE算法。文献[11]中的数值模拟结果与文献[10]的对比情况可以说明本文的计算结果是可靠的。

图2是文献[11]中在NACA0022翼型(称为原型)的基础上对翼型修型的示意图。在翼型的最大厚度处(即30%弦长处)把翼型一分为二，保持翼型尾部不变，改变翼型的前半部分为不同长短轴比的半个椭圆；文中椭圆横向的半轴长与纵向的半轴长的比值分别为2∶1、3∶2、1∶1和2∶3(图2)；在叶片弦长一致(即叶轮实度相同)的情况下，修型后的叶片厚度增加了，叶片的强度也得到了增加。

图1 计算域与网格

图2 翼型修型示意图

垂直轴风力机的叶轮在空气流过叶片产生的升力与阻力的共同作用下旋转[1]。设风轮的输出功率为P，单位时间内风力机所获得的能量与来流风能之比为风能利用系数Cp(用来评定风力机气动性能的优劣)，叶片的叶尖圆周速度与风速之比为叶尖速比λ(用来表示风力机风轮旋转速度的快慢)，它们的定义如下：

P=Mω=2πnM/60

(1)

(2)

(3)

式中：M为气流对叶片的扭矩，N·m；ω为风轮旋转角速度，rad/s；n为风轮转速，r/min；ρ为空气密度，kg/m3；A为风轮的扫掠面积，m2；V为来流风速，m/s；R为风轮半径，m。

2 结果分析

文献[11]指出了3∶2修型方式对风力机Cp的提升效果最佳，因此，本文选取3∶2修型方式与原型进行不同安装角下的风力机风能利用系数的对比计算，其中安装角的定义与文献[1]相一致。

2.1 0°安装角

安装角为0°时(如图3)，原型风力机最大风能利用系数Cpmax为0.194，对应的λ=2.06；采用3∶2修型方式的风力机最大风能利用系数Cpmax为0.248，对应的λ=1.72；相应的修型后风力机的Cp值提高了27.8%。而且，修型后的风力机高Cp的工作区间也比原型有了明显的扩宽(λ=1.0～2.4时，Cp都高于0.20；而原型风力机不仅高Cp工作区间狭窄，且最大风能利用系数Cpmax未超过0.2)。

图3 0°安装角计算结果

2.2 2°安装角

安装角变为2°时(如图4)，相对于0°安装角，原型风力机的Cp发生了明显的改善；而修型风力机的Cp虽然也有一定的改善，但变化的并不明显。原型风力机最大风能利用系数为0.260，对应的λ=2.41。修型的风力机最大风能利用系数为0.274，对应的λ=2.06；较原型高5.4%。在工作区间的范围方面，原型风力机在尖速比为1.7～2.7的范围内风力机的Cp高于20%；修型风力机在尖速比为1～2.7的范围内风力机的Cp都高于20%；此区间较原型宽了1.7倍。

2.3 4°安装角

安装角为4°时(如图5)，原型风力机的Cp进一步改善，而修型风力机的Cp虽然也有一定的改善，但变化的并不明显。原型风力机最大风能利用系数Cpmax为0.299，对应的λ=2.41。修型风力机最大风能利用系数Cpmax为0.293，对应的λ=2.06，两者的最大风能利用系数无明显差异。而在工作区间的范围方面，原型风力机在尖速比为1.4～2.7的范围内风力机的Cp高于20%；修型风力机在尖速比为1～2.7的范围内风力机Cp都高于20%，较原型宽了1.3倍。

图4 2°安装角计算结果

图5 4°安装角计算结果

2.4 6°安装角

6°安装角时(如图6)，无论是原型还是修型风力机的Cp都基本与4°安装角时的情况相一致。也就是两者都在4°～6°安装角时达到了最佳运行状态。即4°、6°安装角成为了风力机的最佳安装角。

2.5 综合比较及讨论

把上述所有安装角下的Cp-λ曲线统一绘制在图7中，对应的最大Cp及其对应的λ列于表1中。综合图7与表1，在0°、2°、4°、6°四个所研究的安装角中，修型风力机的功率曲线较原型风力机的功率曲线都有向小尖速比方向移动的趋势，即相同Cp下风力机的转速降低。修型风力机的高Cp的工作范围更宽，而且0°、2°安装角时的Cpmax的改善明显；0°、2°、4°三种安装角时，原型风力机的Cp-λ曲线差异较大(由表1，0°与4°的原型风力机Cpmax相差55.3%)，而修型风力机的Cp-λ曲线差异较小(由表1，0°与4°的修型风力机Cpmax相差18.1%)，即修型风力机对叶片的安装角更不敏感。在实际的叶片安装工程中，叶片是不可能实现非常精确的安装的，不精确的安装就会引起风力机气动性能的降低，而应用3∶2修型的风力机，高的气动性能更容易保持，因此叶片作3∶2的翼型剖面修型有非常重要的工程应用价值。

图6 6°安装角计算结果

图7 所有安装角的计算结果

文献[11]中指出采用3∶2修型的风力机叶片旋转到风力机上风区时，虽然叶片仍然是处于大攻角的流动状态(流动分离严重)；但是相对于原型风力机来说，其抗分离的能力还是有一定提高。本文随安装角变化的情况进一步揭示了风力机采用3∶2的修型方式，风力机叶片在大攻角时的抗失速能力仍然得以维持。

表1 风力机风能利用系数最大值及其对应的尖速比

2.6 进一步机理分析

由图8(a)(b)(c)所示安装角分别为0°，2°，4°，6°时的相对流场矢量图(以相位角θ=150°为例)。0°安装角时，原型叶片的分离点距离叶片前缘约0.15弦长处，3∶2修型叶片分离点距离叶片前缘点约0.25弦长处，修型叶片的分离点有了显著的延缓，同时叶片的空间漩涡尺度也得到了明显的减小。2°安装角时，原型叶片的分离点距离叶片前缘约0.20倍弦长处，3∶2修型叶片分离点距离叶片前缘点约0.27倍弦长处，修型叶片的分离区仍有明显延缓，叶片的空间漩涡尺度得到了明显的减小；4°安装角时，原型叶片的分离点距离叶片前缘约0.30倍弦长处，3∶2修型叶片分离点距离叶片前缘点约0.32倍弦长处，修型叶片较2°安装角时的分离区延缓效果已有所削弱，空间漩涡尺寸较原型有所减小，但减小效果弱于2°安装角；6°安装角时，原型叶片的分离点距离叶片前缘约0.32弦长处，3∶2修型叶片分离点距离叶片前缘点约0.35弦长处，分离区延缓效果已不明显，原型叶片的空间漩涡尺度与3∶2修型叶片的漩涡尺度已基本接近。

图8 相对流场矢量图

3 结论

通过数值模拟，在对比了原型与3∶2修型的风力机在不同安装角下气动性能后，得到如下结论：

(1)随叶片安装角从0°增加至4°，原型与3∶2修型的垂直轴风力机风能利用系数都得到了提升；4°与6°安装角下的Cp-λ曲线基本一致；原型与3∶2修型的风力机的最优安装角都是4°(或6°)。

(2)0°至6°安装角范围内，3∶2修型的风力机的Cp-λ曲线都较原型有向低尖速比作大幅移动的趋势；而且高Cp的工作范围更宽。

(3)相对于原型机的气动性能，3∶2修型的风力机对叶片的安装角更不敏感，文中提出的修型方式具有明显的工程应用价值。

(4)0°、2°安装角时，修型叶片的抗分离效果明显优于原型叶片，这也导致了风力机气动性能的优越性，4°、6°安装角时，两种风机的抗分离能力相当，风力机做功的能力也基本相同。

(5)3∶2修型的风力机对叶片延缓了分离区的发展，削弱了空间漩涡的尺寸，提升了叶型的抗分离性。

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(责任编辑：刘划 英文审校：宋晓英)

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

辽宁省自然科学基金(项目编号：20102177)

陈超(1988-)，男，辽宁沈阳人，硕士研究生，主要研究方向：发动机气动热力学及其应用，E-mail:317692961@qq.com；王建明(1975-)，男，辽宁昌图人，博士，副教授，主要研究方向：风工程与工业空气动力学、实验流体力学，E-mail:jmwang75@163.com。

2095-1248(2014)06-0012-07

TK83

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.06.003