垂直軸風(fēng)輪阻力型支撐桿研究

張立軍 趙昕輝 馬東辰 米玉霞 王旱祥 劉延鑫中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，青島，266580

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垂直軸風(fēng)輪阻力型支撐桿研究

張立軍 趙昕輝 馬東辰 米玉霞 王旱祥 劉延鑫
中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，青島，266580

為了研究阻力型支撐桿對(duì)垂直軸風(fēng)輪自啟動(dòng)性能和風(fēng)能利用率的影響，分析了阻力型支撐桿的氣動(dòng)特性，獲得了順風(fēng)區(qū)和逆風(fēng)區(qū)作用在支撐桿上的相對(duì)風(fēng)速分布。在此基礎(chǔ)上，理論對(duì)比了圓形、V形外凸圓和V形內(nèi)凹圓三種截面支撐桿各自旋轉(zhuǎn)一周的平均輸出轉(zhuǎn)矩，分析顯示，V形內(nèi)凹圓截面支撐桿組成的風(fēng)輪具有較好的自啟動(dòng)能力和稍高的風(fēng)能利用率。為進(jìn)一步驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，通過數(shù)值模擬計(jì)算了以上三種截面支撐桿各自在不同轉(zhuǎn)速下的平均輸出轉(zhuǎn)矩。仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的圓形截面支撐桿相比，V形內(nèi)凹圓截面支撐桿能改善垂直軸風(fēng)輪的自啟動(dòng)能力，可使風(fēng)能利用率提高3.44%，這與理論分析結(jié)果吻合較好。

垂直軸風(fēng)輪；阻力型支撐桿；氣動(dòng)特性；V形截面；數(shù)值模擬

0 引言

在各類可再生能源發(fā)電中，風(fēng)力發(fā)電量逐年迅速增加，目前已經(jīng)占全球發(fā)電總量的3.7%，僅次于水力發(fā)電量[1]。風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)相對(duì)成熟，相比于其他可再生能源,發(fā)電成本較低且風(fēng)能資源豐富，是一種理想的具有大規(guī)模開發(fā)條件的發(fā)電方式。目前商業(yè)化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩大類。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并且得到了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。氣流在垂直軸風(fēng)力機(jī)中的流動(dòng)具有外流和內(nèi)流空氣動(dòng)力學(xué)的雙重特點(diǎn)，導(dǎo)致垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的理論研究十分困難[2-3]。近年來，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)技術(shù)的發(fā)展為垂直軸風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)分析提供了方便。最新研究表明，垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率理論上要高于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可達(dá)64%[4]。同時(shí)，垂直軸風(fēng)力機(jī)無需偏航系統(tǒng)就可以接受任意方向的風(fēng)，其發(fā)電機(jī)和變速箱等設(shè)備安置在地面上，方便安裝和維護(hù)，逐漸受到了各國科研人員的關(guān)注。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由垂直軸風(fēng)輪、中間傳動(dòng)裝置、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)及其他輔助裝置構(gòu)成。垂直軸風(fēng)輪直接參與風(fēng)能的吸收轉(zhuǎn)化，其風(fēng)能利用率也直接決定了整個(gè)風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率。H型垂直軸風(fēng)輪主要由葉片、轉(zhuǎn)軸和支撐桿構(gòu)成。支撐桿用于連接葉片和轉(zhuǎn)軸，傳遞葉片產(chǎn)生的扭矩,風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)也作用在支撐桿上，故支撐桿會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個(gè)附加轉(zhuǎn)矩，從而影響風(fēng)輪的風(fēng)能利用率。通過改變支撐桿的截面形狀可以使此附加轉(zhuǎn)矩有利于風(fēng)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，在一定程度上提高風(fēng)能利用率。同時(shí)，選擇合適的支撐桿截面形狀也會(huì)改善風(fēng)輪的自啟動(dòng)性能。目前風(fēng)輪支撐桿的工作方式主要有兩類：一類是讓支撐桿工作在升力狀態(tài)，如申振華[5]提出了一種支撐桿，其橫剖面選用升阻比高的翼型，采用正攻角安裝狀態(tài)，使其在最有利的升阻比狀態(tài)下工作，產(chǎn)生盡可能大的升力，進(jìn)而減小轉(zhuǎn)子軸承的載荷和摩擦力，降低風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速；另一類是讓支撐桿工作在阻力狀態(tài)，如周余慶[6]提出了一種截面呈前凹后尖形狀的支撐桿，其中每一根支撐桿的順風(fēng)面呈凹槽形狀，逆風(fēng)面呈凸槽形狀，該設(shè)計(jì)可以改善垂直軸風(fēng)力機(jī)的自啟動(dòng)性能，提高風(fēng)能利用效率;王兵兵[7]設(shè)計(jì)了一種中間厚兩面薄的薄板型支桿以減小支撐桿對(duì)下流葉片的氣流擾動(dòng)。上述研究提出了很多支撐桿設(shè)計(jì)方案來改善垂直軸風(fēng)輪的運(yùn)行性能，但僅限于原理性的探討，沒有通過分析支撐桿的氣動(dòng)特性來研究支撐桿的截面形狀對(duì)垂直軸風(fēng)輪啟動(dòng)性能和風(fēng)能利用率的影響。

本文首先分析阻力型支撐桿在流場(chǎng)中的氣動(dòng)特性，討論阻力型支撐桿截面形狀對(duì)風(fēng)能利用率的影響規(guī)律；然后建立支撐桿輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模型，理論對(duì)比圓形截面、V形外凸圓截面和V形內(nèi)凹圓截面支撐桿旋轉(zhuǎn)一周的平均輸出轉(zhuǎn)矩；最后通過數(shù)值模擬方法進(jìn)一步驗(yàn)證了采用V形內(nèi)凹圓弧截面支撐桿可以改善垂直軸風(fēng)輪的啟動(dòng)性能，提高風(fēng)能利用率。

1 阻力型支撐桿氣動(dòng)特性分析

按照支撐桿的工作狀態(tài)，支撐桿可以分為升力型支撐桿和阻力型支撐桿。升力型支撐桿的截面一般為機(jī)翼形狀，加工和安裝都比較困難。阻力型支撐桿將順風(fēng)區(qū)和逆風(fēng)區(qū)的對(duì)風(fēng)面做成不同的形狀，以增大支撐桿在順風(fēng)區(qū)的驅(qū)動(dòng)力矩并減小在逆風(fēng)區(qū)的阻抗力矩。由于阻力型支撐桿制造成本低，安裝調(diào)試方便，且能提供一定的啟動(dòng)力矩，故本文對(duì)阻力型支撐桿進(jìn)行研究。對(duì)于工作在阻力狀態(tài)下的支撐桿，可以通過分析支撐桿截面的氣動(dòng)特性來研究支撐桿的受力情況。圖1所示的模型描述了阻力型支撐桿截面在流場(chǎng)中的氣動(dòng)特性[4,8]。

圖1 流場(chǎng)中阻力型支撐桿截面示意圖Fig.1 Sketch of section of resistance type support rod in flow field

由空氣動(dòng)力學(xué)理論可知[4]，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速(來流風(fēng)速)為v∞、阻力型支撐桿截面的運(yùn)動(dòng)速度為v時(shí)，支撐桿截面受到風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力D為

(1)

式中，ρ為空氣密度；CD為支撐桿截面的阻力系數(shù)，是流場(chǎng)中的物體所受到的阻力與氣流動(dòng)壓和參考面積的乘積之比；A為阻力型支撐桿在垂直于風(fēng)速方向上的投影面積。

來流風(fēng)通過阻力型支撐桿截面時(shí)的風(fēng)功率為

(2)

阻力型支撐桿的風(fēng)能利用率CP為輸出功率P與對(duì)應(yīng)的風(fēng)功率Pmax的比值，即

(3)

由式(3)可知，要提高風(fēng)能利用率，可以通過改變阻力系數(shù)CD來實(shí)現(xiàn)。阻力系數(shù)主要由截面形狀決定，選擇合適的支撐桿截面形狀能夠提高風(fēng)能利用率，改善風(fēng)輪的啟動(dòng)性能。

本文以一種商業(yè)化的H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行支撐桿的研究，其主要參數(shù)如表1所示，垂直軸風(fēng)輪結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

表1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)

圖2 垂直軸風(fēng)輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of vertical axis wind wheel structure

為了研究支撐桿在不同轉(zhuǎn)速下的受力情況，應(yīng)對(duì)支撐桿的氣動(dòng)特性進(jìn)行分析。如圖3所示，垂直軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，作用在支撐桿上的風(fēng)速是環(huán)境風(fēng)速v∞與支撐桿運(yùn)動(dòng)線速度vg的合成速度，稱為相對(duì)風(fēng)速ve。定義α為支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角，α從0°到180°為順風(fēng)區(qū)，風(fēng)推動(dòng)支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)；α從180°到360°為逆風(fēng)區(qū)，風(fēng)阻礙支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3分析了支撐桿上一點(diǎn)(此點(diǎn)到O點(diǎn)距離為l)分別在順風(fēng)區(qū)和逆風(fēng)區(qū)時(shí)的速度合成情況。

由圖3可得順風(fēng)區(qū)相對(duì)風(fēng)速ves的計(jì)算公式(下標(biāo)s代表順風(fēng)區(qū))：

(4)

式中，ω為支撐桿的旋轉(zhuǎn)角速度。

相對(duì)風(fēng)速ves可以分解為垂直于支撐桿方向的風(fēng)速ves⊥和平行于支撐桿方向的風(fēng)速ves‖，即

(5)

圖3 作用在支撐桿上的風(fēng)速合成圖Fig.3 Composite diagram of wind velocity acting on a support bar

平行于支撐桿的風(fēng)不產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)軸的附加轉(zhuǎn)矩，在分析支撐桿的受力時(shí)，僅考慮垂直于支撐桿的風(fēng)速。用同樣的方法可以得到逆風(fēng)區(qū)的相對(duì)風(fēng)速ven與垂直于支撐桿的風(fēng)速ven⊥(下標(biāo)n代表逆風(fēng)區(qū))：

(6)

ven⊥=v∞sinα+ωl

(7)

由式(1)可知，支撐桿受到風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力與垂直于桿的相對(duì)速度的平方成正比。對(duì)比式(5)和式(6)可知，支撐桿在順風(fēng)區(qū)的相對(duì)速度要比逆風(fēng)區(qū)的小。因此，若支撐桿在順風(fēng)區(qū)和逆風(fēng)區(qū)對(duì)風(fēng)的阻力系數(shù)相等(如圓形支撐桿)，則支撐桿在順風(fēng)區(qū)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩要小于在逆風(fēng)區(qū)的阻抗力矩，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周過程中，支撐桿將阻礙風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)。針對(duì)這種情況，通過增大支撐桿在順風(fēng)區(qū)受風(fēng)面的阻力系數(shù)，減小逆風(fēng)區(qū)受風(fēng)面的阻力系數(shù)，可以提高支撐桿在順風(fēng)區(qū)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩并減小在逆風(fēng)區(qū)產(chǎn)生的阻抗力矩，從而減小支撐桿對(duì)風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的阻礙作用，進(jìn)一步提高風(fēng)輪的風(fēng)能利用率。

2 支撐桿截面形狀的初步選擇

2.1 截面初步選型

支撐桿的截面通常為圓形、矩形等，這類支撐桿在順風(fēng)區(qū)和逆風(fēng)區(qū)受風(fēng)面的阻力系數(shù)相同，對(duì)風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)有阻礙作用。根據(jù)前面所述，通過增大支撐桿在順風(fēng)區(qū)受風(fēng)面的阻力系數(shù)，減小逆風(fēng)區(qū)受風(fēng)面的阻力系數(shù)，能夠減小支撐桿對(duì)風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的阻礙作用。為此初選兩種容易制造的V形截面與目前常用的圓形截面進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。由式(1)可知，投影面積和阻力系數(shù)是影響支撐桿輸出力的兩個(gè)主要因素。本文在保證風(fēng)速方向上支撐桿投影面積不變即支撐桿截面高度都為48 mm時(shí)，分析不同的支撐桿截面形狀對(duì)風(fēng)能利用率和自啟動(dòng)性能的影響。

(a)圓形截面 (b)V形內(nèi)凹圓截面 (c)V形外凸圓截面圖4 支撐桿截面形狀示意圖Fig.4 Sketch of cross section shape of support rod

2.2 支撐桿受力分析

忽略旋轉(zhuǎn)過程中支撐桿之間的流場(chǎng)干擾，以單根V形內(nèi)凹圓截面支撐桿為例進(jìn)行分析，計(jì)算運(yùn)轉(zhuǎn)一周過程中，支撐桿在順風(fēng)區(qū)和逆風(fēng)區(qū)轉(zhuǎn)軸的平均輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。由于圓形截面支撐桿和V形外凸圓截面支撐桿的分析過程與V形內(nèi)凹圓截面支撐桿的分析過程一致，故本文不再給出其詳細(xì)推導(dǎo)過程，僅給出相應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果。V形內(nèi)凹圓截面支撐桿旋轉(zhuǎn)分析模型如圖5所示。

圖5 單根V形內(nèi)凹圓截面支撐桿旋轉(zhuǎn)分析模型示意圖Fig.5 Sketch of rotation analysis model of single V-shape inner concave round section support rod

在順風(fēng)區(qū)，來流風(fēng)作用在V形支撐桿凹圓面上，受力情況如圖6a所示；在逆風(fēng)區(qū)，風(fēng)作用在該支撐桿斜面上，受力情況如圖6b所示。

(a)順風(fēng)區(qū)受力分析

(b)逆風(fēng)區(qū)受力分析圖6 單根V形內(nèi)凹圓截面支撐桿截面受力分析Fig.6 Stress analysis of single V-shape inner concave cross section support rod

垂直于微元rdθ的風(fēng)速vs⊥為

vs⊥=(v∞sinα-ωl)sinθ

(8)

式中，θ為支撐桿凹圓面上某點(diǎn)的方位角。

微元上受到的氣動(dòng)力dFs為

(9)

式中，r為支撐桿內(nèi)凹圓的半徑。

微元上受到的氣動(dòng)力dFs可以分解為沿x方向和y方向的兩個(gè)力，由于截面關(guān)于x軸對(duì)稱，故y方向的力相互抵消，x方向的力產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩dMs為

dMs=ldFsx

(10)

(11)

其中，β為支撐桿V形面的傾角，如圖6中所示，其計(jì)算式為

β=arctan(r/S)

(12)

式中，S為支撐桿V形面所在外緣邊的長度。

vn⊥=(v∞sinα-ωl)sinβ

(13)

dFn=0.5ρCD(v∞sinαsinβ-ωlsinβ)2dS

(14)

(15)

(16)

用相同的分析方法可以得到V形外凸圓截面5根支撐桿和圓形截面5根支撐桿各自旋轉(zhuǎn)一周時(shí)的平均輸出轉(zhuǎn)矩。通過式(16)，結(jié)合式(4)～式(15)，用MATLAB編制相應(yīng)程序(支撐桿平均輸出轉(zhuǎn)矩理論計(jì)算MATLAB編程流程如圖7所示)進(jìn)行分析與計(jì)算，得到不同轉(zhuǎn)速下3種截面支撐桿各自的平均輸出轉(zhuǎn)矩，如圖8所示。圖8中，轉(zhuǎn)矩為負(fù)表示支撐桿產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩阻礙風(fēng)輪的運(yùn)行。

圖7 支撐桿平均輸出轉(zhuǎn)矩理論計(jì)算MATLAB編程流程圖Fig.7 MATLAB programming flow chart of theoretical calculation of average ouPSut torque of support rod

1.圓形截面 2.V形外凸圓截面 3.V形內(nèi)凹圓截面圖8 三種截面支撐桿的平均輸出轉(zhuǎn)矩理論計(jì)算結(jié)果Fig.8 Theoretical calculation results of average ouPSut torque of three kinds of section support rods

由圖8可知，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周過程中，V形內(nèi)凹圓截面支撐桿產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩最大，且在轉(zhuǎn)速為0時(shí)平均轉(zhuǎn)矩大于0，說明有一定的自啟動(dòng)能力。隨著轉(zhuǎn)速的增大，平均轉(zhuǎn)矩也隨之增大，說明V形內(nèi)凹圓截面是一種較好的支撐桿截面形狀。V形外凸圓截面產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化不明顯。而目前常用的圓形截面支撐桿在旋轉(zhuǎn)過程中始終做負(fù)功，降低了風(fēng)能利用率，無自啟動(dòng)能力。

3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

圖8所示的理論計(jì)算值是假設(shè)風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)5根支撐桿之間沒有流場(chǎng)干擾的情況下獲得的，但風(fēng)輪實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，每根支撐桿掃掠氣流都會(huì)改變附近的流場(chǎng)分布，對(duì)相鄰支撐桿的氣動(dòng)特性產(chǎn)生影響，這種影響很難用精確的數(shù)學(xué)模型描述和計(jì)算，故采用數(shù)值模擬方法分析5根支撐桿在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行情況，以進(jìn)一步驗(yàn)證上述理論計(jì)算的合理性。

3.1 控制方程

通常，風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)在較低馬赫數(shù)下，可假設(shè)支撐桿的繞流流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)。數(shù)值計(jì)算的控制方程如下[9]。

三維連續(xù)性方程為

(17)

三維不可壓縮N-S方程為

(18)

式中，u、p分別對(duì)應(yīng)t時(shí)刻某點(diǎn)(x, y, z)的分速度和壓力；υ為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

3.2 計(jì)算域設(shè)定和網(wǎng)格劃分

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，建立組成風(fēng)輪的5根支撐桿的三維流場(chǎng)模型。考慮到風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中支撐桿所在位置隨時(shí)發(fā)生變化，其相對(duì)速度也發(fā)生變化，流場(chǎng)隨之不同，故在設(shè)置計(jì)算域時(shí)采用滑動(dòng)網(wǎng)格，如圖9a所示(為清晰表達(dá)，圖9a為將旋轉(zhuǎn)部分放大的示意圖，不代表真實(shí)尺寸比例)。根據(jù)前人CFD仿真經(jīng)驗(yàn)[7，9]：入口邊界inlet位于矩形左側(cè)，到支撐桿旋轉(zhuǎn)中心的距離為3倍支撐桿長度，為速度邊界；出口邊界outlet位于矩形右側(cè)，到支撐桿旋轉(zhuǎn)中心的距離為10倍支撐桿長度，為壓力邊界[10]。其余平面均為壁面(wall)邊界。三維流場(chǎng)模型的寬度取2倍支撐桿旋轉(zhuǎn)中心到入口邊界之間距離，厚度取10倍支撐桿的直徑，旋轉(zhuǎn)域半徑為1.2倍支撐桿長度。在劃分網(wǎng)格時(shí)，綜合考慮網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算量等因素，旋轉(zhuǎn)域選擇適應(yīng)性較高的四面體網(wǎng)格；靜止域選擇計(jì)算容易收斂的六面體網(wǎng)格，由于滑移界面兩側(cè)的網(wǎng)格類型不同，因此滑移網(wǎng)格為非正交類界面，旋轉(zhuǎn)域附近網(wǎng)格如圖9b所示。考慮網(wǎng)格密度，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終此三維流場(chǎng)模型計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量設(shè)定為1022112。

(a)計(jì)算域設(shè)定示意圖

(b)旋轉(zhuǎn)域附近網(wǎng)格示意圖圖9 計(jì)算域設(shè)定及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.9 Sketch of calculation domain setting and mesh division

3.3 仿真條件與結(jié)果

采用CFD軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。湍流模型采用k-ωSST模型，選擇壓力速度耦合算法中的SIMPLE格式，動(dòng)量、湍流脈動(dòng)動(dòng)能、湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率都設(shè)置為二階迎風(fēng)格式(second order upwind)。非定常計(jì)算采用的時(shí)間步長為0.001 s，根據(jù)設(shè)定的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，可計(jì)算出旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期所需的時(shí)間步數(shù)，計(jì)算精度為10-6。通過Fluent的后處理功能，分別獲得了不同轉(zhuǎn)速下3種截面支撐桿的平均輸出轉(zhuǎn)矩，如圖10所示。

1.圓形截面 2.V形外凸圓截面 3.V形內(nèi)凹圓截面圖10 三種截面支撐桿的平均輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of average ouPSut torque of three kinds of section support rods

對(duì)比圖8和圖10可知，理論分析和數(shù)值模擬兩種計(jì)算方法得出的平均輸出轉(zhuǎn)矩結(jié)果基本吻合，但仿真結(jié)果要略小于理論計(jì)算值，原因是支撐桿的尾流影響相鄰支撐桿附近的流場(chǎng)分布，使實(shí)際作用在相鄰支撐桿上的風(fēng)速略低于理論值。

為了定量研究不同截面支撐桿對(duì)風(fēng)輪風(fēng)能利用率的影響，以風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速110 r/min為例，采用數(shù)值模擬方法得到不同截面支撐桿的平均輸出轉(zhuǎn)矩。在此基礎(chǔ)上，由式(3)分別計(jì)算出不同截面支撐桿對(duì)整個(gè)相應(yīng)風(fēng)輪的風(fēng)能利用率，如表2所示，風(fēng)能利用率為負(fù)值表示采用該類型的支撐桿降低了風(fēng)輪整體的風(fēng)能利用率。由表2可知，在額定條件下，采用V形內(nèi)凹圓截面支撐桿的平均輸出轉(zhuǎn)矩最大，風(fēng)能利用率提高最多。采用傳統(tǒng)的圓形截面支撐桿產(chǎn)生了阻礙風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，降低了風(fēng)能利用率。從表2風(fēng)能利用率數(shù)據(jù)中可以看出，若將V形內(nèi)凹圓截面支撐桿代替圓形截面支撐桿，可使風(fēng)輪整體的風(fēng)能利用率提高3.44%。

表2 額定轉(zhuǎn)速下三種截面支撐桿的平均輸出轉(zhuǎn)矩及風(fēng)能利用率

4 結(jié)論

本文研究了垂直軸風(fēng)輪阻力型支撐桿的氣動(dòng)特性，重點(diǎn)分析了一種V形內(nèi)凹圓截面支撐桿的受力情況。理論對(duì)比了圓形截面、V形內(nèi)凹圓截面和V形外凸圓截面支撐桿的平均輸出轉(zhuǎn)矩，獲得了一種具有自啟動(dòng)能力且平均輸出轉(zhuǎn)矩較大的支撐桿截面形狀——V形內(nèi)凹圓截面。通過數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了風(fēng)輪在額定工作條件下，V形內(nèi)凹圓截面的支撐桿可以改善垂直軸風(fēng)輪的自啟動(dòng)能力，并能使風(fēng)能利用率提高3.44%。

[1] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century.Renewables 2016 Global Status Report[R].Paris：Ren21 Secretariat, 2016.

[2] 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, 24(5)：703-709. YANG Yifei, PAN Wei, ZHU Huangqiu.An Overview and Recent Research Progresses of Vertical Axis Wind Turbine[J].China Mechanical Engineering, 2013, 24(5)：703-709.

[3] 王建錄, 趙萍, 林志民, 等. 風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2015. WANG Jianlu, ZHAO Ping, LIN Zhimin, et al.Wing Energy and Wind Turbine Power Technology[M].Beijing：Chemical Industry Press, 2015.

[4] (美)帕拉斯基沃尤.垂直軸風(fēng)力機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].李春, 葉舟，高偉,譯.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社, 2013:23-24. Paraschivoiu I.Wind Turbine Design with Emphasison Darrius Concept[M].Li Chun, Ye Zhou, Gao Wei， trans. Shanghai：Shanghai Science and Technology Press, 2013:23-24.

[5] 申振華.垂直軸風(fēng)力機(jī)的支撐桿：中國, 200910220651.0[P].2009-12-11. SHEN Zhenhua. Support Rod of Vertical Axis Wind Turbine：China, 200910220651.0[P].2009-12-11.

[6] 周慶余.一種垂直軸風(fēng)力機(jī)的自起動(dòng)裝置：中國, 201010281148.9[P].2011-01-12. ZHOU Qingyu. A Kind of Self Starting Device of Vertical Axis Wind Turbine：China, 201010281148.9[P].2011-01-12.

[7] 王兵兵.垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].北京：華北電力大學(xué), 2011. WANG Bingbing. Aerodynamic Analysis and Structural Design for the Vertical Axis Wind Turbines [D].Beijing：North China Electric Power University, 2011.

[8] JIN Xin, ZHAO Gaoyuan, GAO Kejun, et al. Darrieus Vertical Axis Wind Turbine:Basic Research Methods[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 42 (17)：212-225.

[9] 楊從新, 巫發(fā)明, 張玉良.基于滑移網(wǎng)格的垂直軸風(fēng)力機(jī)非定常數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009, 40(6)：98-102. YANG Congxin, WU Faming, ZHANG Yuliang. Numerical Simulation on Unsteady Rotated Flow of a Vertical Axis Wind Turbine Based on Moving Meshes[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural, 2009, 40(6)：98-102.

[10] 鄭云, 吳鴻斌, 杜堂正, 等.基于葉片弦長的小型H型垂直軸風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2009(5)：190-192. ZHENG Yun, WU Hongbin, DU Tangzheng, et al. The Analysis of Aerodynamic Performance for Small H-Vertical Axis Wind Turbine Based on Length of Blades Chord[J].Machinery Design & Manufacture, 2009(5):190-192.

(編輯 蘇衛(wèi)國)

Research on Resistance Type Support Rods of Vertical Axis Wind Wheels

ZHANG Lijun ZHAO Xinhui MA Dongchen MI Yuxia WANG Hanxiang LIU Yanxin
College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao,Shandong,266580

In order to study the influences of resistance type support rods on the self-starting capabilities and wind energy utilizations of vertical axis wind wheels, the aerodynamic characteristics of resistance type support rods were analyzed and the relative velocity distributions in downwind and upwind zones were obtained. Then the average ouPSut torques of the circular cross-sections, V-shaped convex cross-sections and V-shaped concave circular cross-sections were compared theoretically respectively , which shows that the vertical axis wind wheels that use the resistance type support rods with the V-shaped concave circular cross-sections have the self-starting capabilities and high wind energy utilizations. In order to further verify the above results, the average ouPSut torques of the circular cross-sections, V-shaped convex cross-sections and V-shaped concave circular cross-sections in the different speeds were calculated by the numerical simulation method respectively. The simulation results show that the supporting rods which use the V-shaped concave circular sections may improve the self-starting capabilities of vertical axis wind wheels compared with the traditional circular cross-sections, and the wind energy utilizations are increased by 3.44%, which are consistent with the theoretical analysis results.

vertical axis wind wheel； resistance type support rod； aerodynamic characteristics； V-shaped cross-section； numerical simulation

2016-07-22

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(17CX05021,15CX08007A)

TK83

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.12.010

張立軍，男，1977年生。中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院教授。主要研究方向?yàn)榭稍偕茉蠢谩０l(fā)表論文20余篇。E-mail:zlj-2@163.com。趙昕輝，男，1993年生。中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。馬東辰，男，1993年生。中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。米玉霞，女，1994年生。中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。王旱祥，男，1967年生。中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院教授。劉延鑫，1985年生。中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院博士后研究人員。