H型垂直轴风机参数对性能的影响

张宏林 杜周洋 程帅 杜玉科 冀永刚 刘智勇

摘 要：该文分析了H型垂直轴风机工作时内部流场的状况，总结了叶片处于不同方位角时的攻角变化、漩涡生成和尾流作用对风机运行状态造成干扰后的实际工况。比较了风机风轮的高径比、扫风面积、展弦比、安装角、叶片数目和弦长等不同参数对风机性能的影响，提出增加叶片厚度和弯度来减少失速影响的方案，为风力机设计提供参考。

关键词：垂直轴风机 失速 安装角

中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（a）-00-02

垂直轴风机是指转动轴与风速方向垂直的风机，其不需要对风，适应风速范围广，低风速时可启动，风速高时叶片转速不会过高而烧毁电机，发电时间长，具有较好的发展前景[1]。其中升力型风机工作时叶片上的实际风速为风速和旋转速度的均方值，远超水平轴风机的受力状况，有深入研究的必要。

1 H型风机的总体工作状况

H型垂直轴风机内部的流场复杂，人们提出了双盘面多流管模型和随动模型等多种理论分析方案[2]，与实验结论有一定的近似，但依然没有完整地摸清其工作机理。目前更多地依赖CFD方法显示内部流场的运行状况，而CFD方法依据流场划分和湍流模型选取的不同，所得结论也会有相当大的差异。

H型风机工作在湍流中，风速的雷诺数大致在 这个数量级区间。风轮的旋转是多个叶片受空气动力作用的结果，风机流场中布满叶片随机脱落的失速涡。大小不同的涡叠加、移动并逐渐裂解为小尺寸的涡，在粘性力的作用下涡强度逐渐减小并消散，造成了风机俯仰和转矩的振荡，导致风机输出功率降低，叶片所受载荷波动程度加剧。

在叶轮转动过程中，叶片方位角不断变化，叶片的攻角也时刻变化。位于下游的叶片受前一个叶片的尾迹影响，造成叶片之间的流动干扰，同时叶片之间的连杆和转轴也会对流场造成干扰，因此风轮力学模型非常复杂，气流状态也不稳定。

2 叶片不同方位角时的工作情况

上风区叶片对来流有阻挡作用，叶片受力明显大于下风区；同时下风区平均气流流速小，叶片驱动力小于上风区，且波动严重。

风力机转速低时，叶片攻角变化范围大大超出了翼型的失速角，会出现了严重的气流分离现象，并且产生大的漩涡。整个风轮运行过程中伴随着漩涡在叶片表面的产生、发展、脱落然后重新粘附，升阻力也会滞后。而风力机转速高时，则叶片间尾流影响加剧。

从方位角为0°～100°时，叶片相对速度指向旋转圆外侧，攻角为正值，并逐渐增大，叶片表面漩涡强度逐渐增加，功率系数也逐渐增至最大值。方位角为100°～130°时，攻角增大至失速，功率系数逐渐降低。方位角180°后，叶片运动方向与风向相同，相对速度减少并指向旋转圆内侧，同时叶片尾流产生漩涡逐渐脱落。由于处于下风侧，受尾流影响，气动力下降，此时攻角为负值，并且持续增大，但如果叶片为对称形状，依然可获取升力，只是数值减少。从方位角240°～270°，叶片攻角逐渐增大至失速。从方位角270°～360°，叶片重新进入逆风区，相对速度增大，攻角减小，但依然处于下风侧，气动力不大。

3 不同参数对风机性能的影响

3.1 风轮的高径比

风轮扫风面积S为风轮直径与风轮高度H的乘积，即S=DH。高径比H/D增大（大于1），风轮的启动风速减小，且在风速2～10m/s时，风轮输出功率大[3]。但在高风速段，高径比小的风轮输出功率大，因为其在高风速段转速不用提太高，阻力损失更小。

风轮直径增加，风轮的风能利用系数提高，有效工作范围增加，风轮内部漩涡脱落造成的影响和叶片之间的相互影响减弱。大高径比（H/R>1）H型垂直轴风力机回转半径小，起动性能好，但风轮工作时尖速比低，所以小型型垂直轴风力机的高径比一般在1左右。

3.2 扫风面积

扫风面积S为：S=2RH式中，R为风轮半径，H为叶片长度。风轮半径越大，叶片越长，风轮所能获取的风能越多，风力机输出功率越大。但叶片越长，质量越大，叶片的离心力和弯矩也越大，制造风机变得困难。

3.3 展弦比

实度增大，即风机叶片数目或弦长增加时：

（1）转矩升高，风力机自启动性能变好。

（2）尖速比较低时出现最大转矩和风能利用率。

（3）叶片数量增加引起风轮实度的增加，风轮驱动力矩衰减增快，风能利用系数的范围减小，即风能利用率曲线变窄，最大风能利用率对应的尖速比变小。

（4）风机叶片数目增加则单个叶片输出转矩变低。

（5）风轮的下风侧低风速区域变大，风速变低，同时攻角变小。

（6）尖速比越大，叶片对下风侧影响越大，导致效率变低。即高尖速比下，弦长较短或实度较小的工况更具优势。

4 减少失速影响的对策

动态失速是翼型的攻角快速变化时产生的一种现象，表现为翼型的前缘区域集中大量的涡脱落现象。当尖速比较低时，叶片表面流体动能相对较小，无法克服叶片气流分离和动态失速现象，尖速比继续增大后，尾流对风轮流场的干扰却变得严重。

增加翼型厚度和弯度可以使翼型吸力面曲率变大，有利于提高边界层的动能，使气流延迟分离，减缓动态失速涡脱落。风速增大使流向葉片的气流速度相应增大，叶片边界层获得动能的提高，但同时也会削弱其在尖速比较高时的气动特性。

参考文献

[1] 杨益飞，潘伟，朱熀秋.垂直轴风力发电机技术综述及研究进展[J].中国机械工程，2013（5）：703-709.

[2] 高宏智，孙德宏.用多流管模型计算立轴风车气动性能的方法[J].太阳能学报，1989，1（10）：37-42.

[3] 杨从新，巫发明，王立鹏.设计参数对直叶片垂直轴风力机功率系数的影响[J].兰州理工大学学报，2009，35（5）：47-50.

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2020-12-11