H型垂直軸風機參數對性能的影響

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型垂直軸風機工作時內部流場的狀況，總結了葉片處于不同方位角時的攻角變化、漩渦生成和尾流作用對風機運行狀態造成干擾后的實際工況。比較了風機風輪的高徑比、掃風面積、展弦比、安裝角、葉片數目和弦長等不同參數對風機性能的影響，提出增加葉片厚度和彎度來減少失速影響的方案，為風力機設計提供參考。

關鍵詞：垂直軸風機 失速 安裝角

中圖分類號：TK83 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（a）-00-02

垂直軸風機是指轉動軸與風速方向垂直的風機，其不需要對風，適應風速范圍廣，低風速時可啟動，風速高時葉片轉速不會過高而燒毀電機，發電時間長，具有較好的發展前景[1]。其中升力型風機工作時葉片上的實際風速為風速和旋轉速度的均方值，遠超水平軸風機的受力狀況，有深入研究的必要。

1 H型風機的總體工作狀況

H型垂直軸風機內部的流場復雜，人們提出了雙盤面多流管模型和隨動模型等多種理論分析方案[2]，與實驗結論有一定的近似，但依然沒有完整地摸清其工作機理。目前更多地依賴CFD方法顯示內部流場的運行狀況，而CFD方法依據流場劃分和湍流模型選取的不同，所得結論也會有相當大的差異。

H型風機工作在湍流中，風速的雷諾數大致在 這個數量級區間。風輪的旋轉是多個葉片受空氣動力作用的結果，風機流場中布滿葉片隨機脫落的失速渦。大小不同的渦疊加、移動并逐漸裂解為小尺寸的渦，在粘性力的作用下渦強度逐漸減小并消散，造成了風機俯仰和轉矩的振蕩，導致風機輸出功率降低，葉片所受載荷波動程度加劇。

在葉輪轉動過程中，葉片方位角不斷變化，葉片的攻角也時刻變化。位于下游的葉片受前一個葉片的尾跡影響，造成葉片之間的流動干擾，同時葉片之間的連桿和轉軸也會對流場造成干擾，因此風輪力學模型非常復雜，氣流狀態也不穩定。

2 葉片不同方位角時的工作情況

上風區葉片對來流有阻擋作用，葉片受力明顯大于下風區；同時下風區平均氣流流速小，葉片驅動力小于上風區，且波動嚴重。

風力機轉速低時，葉片攻角變化范圍大大超出了翼型的失速角，會出現了嚴重的氣流分離現象，并且產生大的漩渦。整個風輪運行過程中伴隨著漩渦在葉片表面的產生、發展、脫落然后重新粘附，升阻力也會滯后。而風力機轉速高時，則葉片間尾流影響加劇。

從方位角為0°～100°時，葉片相對速度指向旋轉圓外側，攻角為正值，并逐漸增大，葉片表面漩渦強度逐漸增加，功率系數也逐漸增至最大值。方位角為100°～130°時，攻角增大至失速，功率系數逐漸降低。方位角180°后，葉片運動方向與風向相同，相對速度減少并指向旋轉圓內側，同時葉片尾流產生漩渦逐漸脫落。由于處于下風側，受尾流影響，氣動力下降，此時攻角為負值，并且持續增大，但如果葉片為對稱形狀，依然可獲取升力，只是數值減少。從方位角240°～270°，葉片攻角逐漸增大至失速。從方位角270°～360°，葉片重新進入逆風區，相對速度增大，攻角減小，但依然處于下風側，氣動力不大。

3 不同參數對風機性能的影響

3.1 風輪的高徑比

風輪掃風面積S為風輪直徑與風輪高度H的乘積，即S=DH。高徑比H/D增大（大于1），風輪的啟動風速減小，且在風速2～10m/s時，風輪輸出功率大[3]。但在高風速段，高徑比小的風輪輸出功率大，因為其在高風速段轉速不用提太高，阻力損失更小。

風輪直徑增加，風輪的風能利用系數提高，有效工作范圍增加，風輪內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型垂直軸風力機回轉半徑小，起動性能好，但風輪工作時尖速比低，所以小型型垂直軸風力機的高徑比一般在1左右。

3.2 掃風面積

掃風面積S為：S=2RH式中，R為風輪半徑，H為葉片長度。風輪半徑越大，葉片越長，風輪所能獲取的風能越多，風力機輸出功率越大。但葉片越長，質量越大，葉片的離心力和彎矩也越大，制造風機變得困難。

3.3 展弦比

實度增大，即風機葉片數目或弦長增加時：

（1）轉矩升高，風力機自啟動性能變好。

（2）尖速比較低時出現最大轉矩和風能利用率。

（3）葉片數量增加引起風輪實度的增加，風輪驅動力矩衰減增快，風能利用系數的范圍減小，即風能利用率曲線變窄，最大風能利用率對應的尖速比變小。

（4）風機葉片數目增加則單個葉片輸出轉矩變低。

（5）風輪的下風側低風速區域變大，風速變低，同時攻角變小。

（6）尖速比越大，葉片對下風側影響越大，導致效率變低。即高尖速比下，弦長較短或實度較小的工況更具優勢。

4 減少失速影響的對策

動態失速是翼型的攻角快速變化時產生的一種現象，表現為翼型的前緣區域集中大量的渦脫落現象。當尖速比較低時，葉片表面流體動能相對較小，無法克服葉片氣流分離和動態失速現象，尖速比繼續增大后，尾流對風輪流場的干擾卻變得嚴重。

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能，使氣流延遲分離，減緩動態失速渦脫落。風速增大使流向葉片的氣流速度相應增大，葉片邊界層獲得動能的提高，但同時也會削弱其在尖速比較高時的氣動特性。

參考文獻

[1] 楊益飛，潘偉，朱熀秋.垂直軸風力發電機技術綜述及研究進展[J].中國機械工程，2013（5）：703-709.

[2] 高宏智，孫德宏.用多流管模型計算立軸風車氣動性能的方法[J].太陽能學報，1989，1（10）：37-42.

[3] 楊從新，巫發明，王立鵬.設計參數對直葉片垂直軸風力機功率系數的影響[J].蘭州理工大學學報，2009，35（5）：47-50.